中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 王 星

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矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中自動(dòng)電平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 王 星

【摘要】現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器對(duì)于源功率的指標(biāo)要求越來(lái)越高，本文介紹了自動(dòng)電平控制（ALC）技術(shù)的原理，并設(shè)計(jì)了應(yīng)用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)電平控制系統(tǒng)，在100kHz-8.5GHz的寬頻帶范圍內(nèi)平坦度為±2dB，穩(wěn)幅范圍為-15dBm - +10dBm。

【關(guān)鍵詞】ALC環(huán)路；檢波；衰減器；積分求和

引言

電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能和性能指標(biāo)提出了更高的要求，其中功率輸出的范圍、平坦度越來(lái)越引起人們的重視，而自動(dòng)電平控制（ALC）技術(shù)廣泛應(yīng)用于功率控制中。本文的ALC電路用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率穩(wěn)幅控制，在100kHz-8.5GHz的頻帶范圍內(nèi)信號(hào)平坦度為±2dB，穩(wěn)幅范圍為-15dBm - +10dBm。

1　ALC工作原理

ALC系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

圖1　ALC系統(tǒng)原理

RF射頻信號(hào)輸入到壓控衰減器，經(jīng)過放大器放大后，由功分電路分為兩路，一路作為射頻輸出，另一路進(jìn)入檢波電路，檢出的電壓經(jīng)過對(duì)數(shù)放大后進(jìn)行積分求和，最后通過對(duì)壓控衰減器的控制形成反饋環(huán)路，達(dá)到控制信號(hào)穩(wěn)定輸出的目的。

當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，經(jīng)過功分后進(jìn)入檢波的信號(hào)也發(fā)生變化，檢波輸出的信號(hào)與DAC預(yù)置信號(hào)不再相等，通過積分求和電路產(chǎn)生的控制電壓就會(huì)相應(yīng)變化，從而調(diào)節(jié)衰減器保證輸出功率的穩(wěn)定。

2　關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)穩(wěn)幅環(huán)路主要由線性衰減器，功率放大器，檢波電路等幾部分組成。

2.1衰減器的設(shè)計(jì)

本文選擇了Hittite公司的HMC346LP3E，該壓控衰減器內(nèi)部自帶參考衰減器，通過外圍運(yùn)放可實(shí)現(xiàn)一路0--3V的控制電壓的精確控制，工作帶寬為DC-14GHz，動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到30dB。

設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示：

圖2　衰減器設(shè)計(jì)

V1，V2為兩路互補(bǔ)的控制電壓，I為驅(qū)動(dòng)電流輸入端。衰減器通過調(diào)節(jié)V2使I端往衰減器看的阻抗保持在500Ω，從而調(diào)節(jié)衰減器的阻抗保持在50Ω，保證整個(gè)帶寬內(nèi)的阻抗匹配特性。由于兩路控制電壓均要求為負(fù)電壓，所以設(shè)計(jì)中在運(yùn)放輸出端及負(fù)向輸入端加入門檻電壓約為0.6V的二極管，運(yùn)放正極輸入電壓約為-0.56V，當(dāng)運(yùn)放輸出由負(fù)電壓增大到0V時(shí)，二極管導(dǎo)通，電路通過負(fù)反饋減小輸出端電壓，保證V2一直是負(fù)偏置。

2.2RF放大電路設(shè)計(jì)

射頻放大電路的目的是為射頻信號(hào)提供足夠的增益，本文中ALC環(huán)路的輸入信號(hào)功率在0dBm左右，為滿足在100kHz-8.5GHz的寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)-15dBm - +10dBm的功率調(diào)節(jié)，考慮到射頻通路上衰減器、通路電容等的插損，特別是要保證高頻有足夠的功率輸出，至少需要兩級(jí)放大器。

前級(jí)放大器選用了RFMD公司的NBB-310放大器，該器件可以在DC-12GHz的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)大于10dB的增益，同時(shí)偏置電路簡(jiǎn)單，帶寬內(nèi)增益平坦度較好。后一級(jí)放大器本文選擇了Hittite公司的HMC788，它可以在DC-10GHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不低于12dB的增益，同時(shí)1dB壓縮點(diǎn)達(dá)到+20dBm，保證整個(gè)環(huán)路輸出時(shí)沒有壓縮，兩級(jí)放大器中間為匹配網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)設(shè)計(jì)如圖3所示。

RF信號(hào)經(jīng)過C32耦合輸入，C32、C36為隔直電容，由于工作頻段比較寬，為保證整個(gè)頻段有較好的響應(yīng)，在放大器的偏置供電端選用了高頻電感和低頻電感相串聯(lián)，其中L24、L29為直流電阻比較大的電感，L25-L28選擇BLM18系列的鐵氧體磁珠來(lái)抑制高頻信號(hào)在偏置供電電路上的傳輸，兩級(jí)放大器的接地很重要，在設(shè)計(jì)中要保證放大器周圍有大面積的接地。

圖3　ALC環(huán)路中的放大電路設(shè)計(jì)

圖4　檢波二極管的等效電路

2.3功分與檢波電路設(shè)計(jì)

本文采用電阻功分方式將射頻功率信號(hào)按比例分一部分到檢波電路，這種功分方式簡(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)過功分器后，信號(hào)插損在3dB左右。

檢波器的功能是將不同頻率信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換為直流電壓，是整個(gè)ALC工作環(huán)路的核心部分。本文的檢波器采用低勢(shì)壘肖特基二極管設(shè)計(jì)，等效電路［1］如圖4所示。其中，Rs為半導(dǎo)體體電阻，Lp、Cp分別為封裝帶來(lái)的寄生電感和電容，Rj和Cj是與偏置有關(guān)的結(jié)電阻和結(jié)電容。

二極管的檢波電流與電壓的關(guān)系［2］為：

本文選用了Aeroflex公司的MSS20，046-0805-2檢波二極管，工作頻率最高達(dá)到20GHz，整個(gè)設(shè)計(jì)如圖5所示：

圖5　功分檢波電路設(shè)計(jì)

檢波后的濾波接地十分重要，要盡量大面積接地，同時(shí)二極管后的濾波要盡可能接近檢波二極管，這樣才可以減小干擾。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整板采用6層板設(shè)計(jì)，板厚1.6mm，頂層和底層采用Rogers的 RO4003C板材，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表1為ALC穩(wěn)幅后的功率平坦度，可以看到平坦度在±3dB以內(nèi)，圖6為5GHz時(shí)功率掃描時(shí)的曲線，穩(wěn)幅范圍在-15dBm - +10dBm。

表1　功率平坦度測(cè)試記錄

圖6　功率掃描范圍測(cè)量

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ALC的功率穩(wěn)幅方案，可在100kHz-8.5GHz寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率的準(zhǔn)確控制，對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)性能良好，達(dá)到指標(biāo)要求。目前該設(shè)計(jì)已用于某款矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。

參考文獻(xiàn)

［1］［美］Matthew M.Radmanesh，顧繼慧，李鳴 譯.射頻與微波電子學(xué)［M］.電子工業(yè)出版社，2012，1.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）［M］.高等教育出版社，1999，6.

Design of ALC for Vector Network Analyzer

Wang Xing

（The 41st Research Institute of CETC，Shandong Qingdao 266555）

Keywords：ALC；Detector；Attenuator；Integrating and summation circuit

Abstract：Many electronic test instruments call for more requirements of the output power of the frequency synthesizer；this paper introduced the theory of automatic level control technology（ALC），and a design of ALC for Vector Network Analyzer；In the operation frequency band from 100kHz to 8.5GHz，this ALC can realizes the specification of±1dB power flatness and its output power is-15dBm to +10dBm.