許瑞生,郝偉光

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

微波功率放大器是無(wú)線通信系統(tǒng)中重要的模塊之一,是無(wú)線通信設(shè)備中必不可少的。由于功率放大器的大電流工作狀況及非線性輸出特性,使得功率放大器對(duì)使用的環(huán)境要求相當(dāng)苛刻。在給定的條件下工作,功放總耗散功率固定,耗散的能量一部分轉(zhuǎn)換為射頻功率輸出,一部分轉(zhuǎn)化為熱能。在功放失配狀態(tài)下,功放或反射功率加大或工作電流加大,無(wú)法轉(zhuǎn)換輸出的功率轉(zhuǎn)化為熱能,引起功率管溫度升高,當(dāng)溫度超過(guò)結(jié)溫時(shí),就會(huì)引起功率管擊穿。為了保證在如此多局限條件下的功放正常工作,設(shè)計(jì)了一款功放的失配保護(hù)電路。這里所描述的失配保護(hù),既包含了功放嚴(yán)重失配時(shí)對(duì)核心器件的保護(hù),也包含了輕微失配時(shí)電路的正確應(yīng)對(duì)的措施。

1 失配原因及分析

保護(hù)功放的出發(fā)點(diǎn)分為2個(gè):功放的核心器件功率管的保護(hù);從功放使用的角度去考慮安全問(wèn)題。實(shí)際上功放使用過(guò)程中發(fā)生極限情況時(shí)解決問(wèn)題的焦點(diǎn),依然集中到對(duì)功率管的保護(hù)上來(lái)。不同類型的功率管從制造工藝、材料類型到供電模式、工作方式,都有差別。但不論如何分類,其本質(zhì)核心就是都有其工作的極限參數(shù):極限工作電壓VCM、極限工作電流ICM、負(fù)載失配容限等等。保護(hù)電路的設(shè)計(jì),就是圍繞這些參數(shù)來(lái)開展。

大多數(shù)的功放故障主要由4種原因引起:電流過(guò)激失配、電壓過(guò)沖失配、輸入電平失配和輸出負(fù)載失配,保護(hù)電路就是針對(duì)這些失配的做出的防護(hù)措施。

根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的需要,保護(hù)電路采用2種模式,對(duì)功放安全有致命影響且需要快速響應(yīng)的保護(hù)措施采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn);不需要快速響應(yīng)或不影響功放安全的保護(hù)通過(guò)單片機(jī)控制來(lái)完成。保護(hù)電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)也就在于硬件控制保護(hù)和軟件控制保護(hù)的交接部分的處理,也是保護(hù)電路需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。保護(hù)電路的基本操作流程如圖1所示。

圖1 保護(hù)電路操作流程

2 電路實(shí)現(xiàn)

電路的實(shí)現(xiàn)包含2個(gè)部分:硬件電路和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。硬件電路則包含了保護(hù)電路所有模塊,分解為單片機(jī)、射頻鏈路和電源3個(gè)部分來(lái)完成。軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

2.1 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件由幾個(gè)模塊組成:主程序模塊、定時(shí)器中斷模塊、串口收發(fā)中斷模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、衰減量計(jì)算模塊和延時(shí)操作模塊等。各種失配狀態(tài)按照并行分布式結(jié)構(gòu)排列,單片機(jī)根據(jù)中斷響應(yīng)從I/O口收集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)失配狀態(tài)并做出處理,軟件程序流程如圖2所示。

圖2 軟件程序執(zhí)行流程

2.2 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)硬件電路采用當(dāng)今最流行的AVR系列的ATmega8L實(shí)現(xiàn)[3]。

射頻鏈路部分包含了輸入耦合電路及檢測(cè)電路、電調(diào)衰減電路、輸出耦合電路及檢測(cè)電路3個(gè)部分,通常電調(diào)衰減電路設(shè)計(jì)在功放內(nèi)部,作為功放鏈路的一部分。保護(hù)電路有3處檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了檢波操作,分別為射頻輸入電平檢測(cè)、輸出功率電平檢測(cè)和反射信號(hào)電平檢測(cè)。由耦合器耦合輸入電平信號(hào)送到檢波電路AD8313完成輸入電平檢測(cè),檢測(cè)出的電壓和門檻電平比較后送單片機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)處理操作。輸出功率電平檢測(cè)和反射信號(hào)電平檢測(cè)內(nèi)置在輸出耦合器內(nèi)部,檢波電路由肖特基二極管完成,從耦合器端口直接輸出檢波的電平,經(jīng)放大判別后送單片機(jī)檢測(cè),檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 電平檢測(cè)原理

電源電路的核心是電子開關(guān)管的控制操作,將電壓采樣電路和電流采樣電路的判決電平、反射檢測(cè)中超出一級(jí)門檻的判別電平和輸入激勵(lì)超限的判決電平一起,合為一路,來(lái)控制一級(jí)晶閘管,通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通與否來(lái)決定開關(guān)管的通斷,控制功率管的電源。晶閘管在電路中起到狀態(tài)保持的作用。在故障排除后,通過(guò)將復(fù)位鍵將晶閘管狀態(tài)清零,恢復(fù)電源電路的檢測(cè)保護(hù)功能。

失配保護(hù)電路將功放電源取樣電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓門檻比較來(lái)確立電壓是否失配,通過(guò)取樣電阻兩端的壓差計(jì)算出的工作電流和電流失配門檻相比較來(lái)確立電流是否失配,反向檢測(cè)電路檢測(cè)的功放反射信號(hào)電平和兩個(gè)門檻電平比較,電平超出一級(jí)門檻表示功放輸出負(fù)載失配。當(dāng)工作電壓、電流超出門檻、反射檢波電平超出一級(jí)門檻時(shí)都直接關(guān)掉功放電源。

單片機(jī)檢測(cè)反射的檢波電平值、正向檢波電平值和輸入檢波電平值,當(dāng)反射電平值小于一級(jí)門檻而大于二級(jí)門檻、正向檢波電平大于門檻電平、輸入電平超出額定值但在沒(méi)有超出門檻時(shí),單片機(jī)控制衰減器減小功放的激勵(lì)電平。輸入電平超出門檻電平時(shí),由單片機(jī)控制關(guān)閉功放電源。

電壓失配門檻通過(guò)功率管工作的極限電壓值VCM及功放的供電要求來(lái)界定;電流失配門檻由功率管工作的極限電流值ICM按比例降額使用來(lái)界定;反射檢測(cè)2個(gè)門檻的設(shè)定都是以功放飽和輸出時(shí)正向檢測(cè)得到的極限電平為依據(jù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

分機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要解決幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):耦合器的耦合平坦度、硬件保護(hù)電路的響應(yīng)和軟件保護(hù)措施的銜接以及檢波電路的溫度漂移問(wèn)題的解決,耦合器可以通過(guò)外購(gòu)時(shí)提出指標(biāo)要求來(lái)完成,剩余的2項(xiàng)技術(shù)是電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.3.1 硬件和軟件保護(hù)的銜接

單片機(jī)在處理失配狀態(tài)下的輸入電平的每一次衰減操作,都需要檢測(cè)硬件電路各部分的工作狀態(tài),從而節(jié)省單片機(jī)不必要的操作,節(jié)省響應(yīng)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)軟件電路和硬件電路保護(hù)功能的銜接。

2.3.2 檢測(cè)電路溫補(bǔ)措施

溫度變化對(duì)檢波管的輸出影響比較大,電路設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)對(duì)檢波管的輸出做出補(bǔ)償措施。文獻(xiàn)[4]列出了二極管檢波器的溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型,通過(guò)在有限的溫度范圍內(nèi)有限的功率電平檢測(cè)出的實(shí)驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用切比雪夫擬合算法得到擬合多項(xiàng)式來(lái)獲得二極管檢波器的溫度補(bǔ)償系數(shù)TC(T,P),則TC(T,P)就成為一個(gè)關(guān)于功率P、溫度T的函數(shù),TC(T,P)=f(T,P)。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí),需要在分機(jī)屏蔽盒上加裝溫度傳感器,以溫度傳感器的輸出電平和環(huán)境溫度的線性關(guān)系,則溫度就可以表示為溫度傳感器輸出電壓的函數(shù)T=f(V);相應(yīng)地,溫度補(bǔ)償系數(shù)就轉(zhuǎn)換為溫度傳感器輸出電壓V和功率P的函數(shù)。

通過(guò)多項(xiàng)式擬合技術(shù),產(chǎn)生一系列二極管檢波器的溫度補(bǔ)償多項(xiàng)式,將相關(guān)系數(shù)存儲(chǔ),在軟件中增加相應(yīng)的處理程序即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某L波段10 W功率放大器,末級(jí)增益10 dB,工作電壓28 V,集電極到基極和發(fā)射機(jī)的極限電壓為60 V,集電極極限電流2.0 A,輸入回?fù)p10 dB,負(fù)載失配容限3∶1,最高集電極效率40%。功放驅(qū)動(dòng)級(jí)為線性工作,總增益30 dB。不考慮軟件因素,這里只計(jì)算功放末級(jí)保護(hù)時(shí)設(shè)置的各種門檻參量。

具體功放使用時(shí)電源電壓一般有拉偏15%的考核,所以電壓設(shè)計(jì)門檻要將拉偏電壓計(jì)算在內(nèi)并留有余量。這里取設(shè)計(jì)冗余拉偏25%,可計(jì)算電源電壓門檻為:28 V×1.25=35 V＜VCM=60 V;

功放設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮線性問(wèn)題,所以集電極效率不會(huì)達(dá)到最高的40%,以甲類工作條件的最大電流來(lái)計(jì)算,功放管效率20%,可以得出電流門檻10 W÷20%÷28 V=1.78A≈1.8 A＜ICM=2 A;

輸入回?fù)p10 dB,即功率傳輸比90.4%,為了保證功率管滿額40 dBm輸出,則功放入口需要最小的輸入功率為30 dBm÷90.4%-30 dB=3.2 dBm,考慮耦合器、衰減器的插損及衰減量冗余,輸入電平需要在計(jì)算數(shù)值的基礎(chǔ)上加7 dB,得輸入功率門檻電平為10 dBm。

負(fù)載失配容限3∶1,對(duì)應(yīng)功率反射比25%,按照降額設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)為功率反射比達(dá)到20%時(shí)就關(guān)斷功放電源;通常功放輸出駐波比指標(biāo)要求為2∶1,即反射比11%,此時(shí)可由單片機(jī)根據(jù)工作電壓和電流的狀態(tài)判定是衰減輸入激勵(lì)還是忽略影響。由于一級(jí)門檻電平的設(shè)置是以正向檢波電壓為基礎(chǔ)設(shè)定的,對(duì)應(yīng)到電位器操作,設(shè)置電位器輸出電壓為功放飽和輸出的正向檢波電壓的20%,就可以使功放功率反射比達(dá)到20%時(shí)關(guān)斷功放電源,同理,設(shè)置電位器輸出電壓為功放飽和輸出的正向檢波電壓的11%作為比較器的門檻電平。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

功放調(diào)試過(guò)程中,保護(hù)電路多次電流過(guò)載,工作電流達(dá)到門檻電流時(shí),電子開關(guān)關(guān)斷,保護(hù)電路響應(yīng)正常;人為的設(shè)置電壓失配及輸入過(guò)激勵(lì),保護(hù)電路也正確響應(yīng);在增益控制環(huán)路開路的情況下,將輸出電纜松動(dòng),改變功放輸出駐波比,控制輸入衰減的單片機(jī)輸出衰減控制電平,反應(yīng)正常;功放加隔離器保護(hù)后,將功放輸出完全開路,功放電源直接關(guān)斷。保護(hù)電路各種功能反應(yīng)正常。各種失配現(xiàn)象及參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 保護(hù)電路響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的功放失配保護(hù)電路使用了取樣電阻和功率開關(guān)管,由于器件的功率容量問(wèn)題,在大功率功放應(yīng)用中,并不適用。采用其他電路以取代取樣電阻的使用,用同樣的工作原理,在找到合適的功率容量的開關(guān)器件時(shí),這個(gè)電路也可以應(yīng)用在大功率功放上做失配保護(hù)電路。

[1]LUDWIG R.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用[M].王子宇,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2]GUILLERMO G.微波晶體管放大器分析與設(shè)計(jì)[M].白曉東,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]馬 潮,詹衛(wèi)前,耿德根.Atmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]徐達(dá)旺,李志亮.二極管式微波功率檢波器的溫度補(bǔ)償技術(shù)[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(6):172-174.