毛云山，尉旭波

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731)

在現(xiàn)代無線通信技術(shù)中，軟件無線電、GPS(全球定位系統(tǒng))、移動電視、移動通信、助聽器等，在絕大多數(shù)場景下接收機與輻射源的距離是不確定的。并且電波傳播過程中由于各種建筑物的阻擋，形成多徑效應(yīng)，使得接收機天線感應(yīng)到的有用信號強度隨機變化。在這種情況下，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的動態(tài)范圍及信號帶寬，要求電路能提供一個具有足夠大動態(tài)范圍，高靈敏度和大帶寬的放大功能。通常，為滿足動態(tài)范圍的要求，在接收機模擬前端需要設(shè)計自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)電路[1]。傳統(tǒng)的AGC電路通常工作在小于100 MHz的中頻部分，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在物聯(lián)網(wǎng)的概念提出以后，A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的頻率越來越高。為了簡化射頻前端電路，無需把外部信號變換到很低頻率即可進行采樣，因此需要使用工作在較高頻率下的自動增益電路。但是目前針對該領(lǐng)域的研究還相對較少[2-6]。

由于受器件性能等因素影響，AGC電路較難同時滿足帶寬、動態(tài)范圍和線性等技術(shù)指標(biāo)。本文利用ADI公司開發(fā)的寬帶VGA(Voltage-controlled Gain Amplifier)ADL5330和對數(shù)放大器AD8318設(shè)計了電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用頻率范圍廣、使用頻率高、動態(tài)范圍大的設(shè)計性能優(yōu)良的AGC電路。

1 技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計方案

文中項目技術(shù)指標(biāo)要求如下：輸入射頻頻率為2 GHz±100 MHz，輸入射頻功率為-90～-10 dBm，輸出功率-20±1 dBm，輸出三階交調(diào)截點為45 dBm。針對以上指標(biāo)，本設(shè)計的AGC電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。外部信號經(jīng)過預(yù)選濾波后，進入放大預(yù)處理單元，然后經(jīng)過壓控增益放大，進入耦合器，耦合器將信號一分為二[7]。主路信號輸出給末級放大濾波；耦合信號通過窄帶濾波器濾除近端雜波和噪底干擾后，對數(shù)放大器將信號功率值(dBm)轉(zhuǎn)化為線性變化的模擬電壓值(Vout)；此電壓值反饋回壓控增益放大器(VGA)，實現(xiàn)了對主放大電路的負(fù)反饋控制，可保證信號在接收動態(tài)范圍內(nèi)以恒定功率輸出。末級放大單元的設(shè)置則是為了保證AGC電路的輸出線性。

圖1 寬頻帶大動態(tài)AGC電路基本結(jié)構(gòu)Figure 1. Basic structure of wideband large dynamic AGC circuit

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 濾波電路設(shè)計

前端預(yù)選濾波單元主要濾除帶外干擾雜波信號。本設(shè)計為了簡化電路，預(yù)選濾波器使用Minicircuit公司的LTCC封裝高低通濾波器組合成帶通濾波器。該濾波器帶外抑制為40 dB，能夠濾除絕大多數(shù)干擾信號，提高AGC電路的抗干擾能力。

對于AGC電路，關(guān)鍵部分就是反饋環(huán)路。提高反饋環(huán)路的檢波精度及其抗干擾能力是提高AGC性能的關(guān)鍵[8]。接收機的信號基底噪聲[1]的計算式為

Ft=k[Ta+Te]+10logB

(1)

式中，Ta為接收天線電阻的等效噪聲溫度，Te為接收機的等效噪聲溫度；B為系統(tǒng)分析帶寬。

由式(1)可得，當(dāng)Ta、T0均為290 K時，基底噪聲[9]的計算方法如式(2)所示。

Ft=-174+NF+10logB

(2)

隨著5G時代的到來，無線通信朝著寬帶通信快速發(fā)展，對接收機各部分電路的寬帶要求越來越高。對于AGC電路，直接反饋寬帶信號會抬高躁底，影響功率檢測。所以，在不改變接收系統(tǒng)中頻帶寬的前提下，對反饋回路中的信號先進行一次濾波處理，消除基底噪聲及信號的近端雜波干擾，然后進行功率檢測反饋，這樣可以提高檢波準(zhǔn)確度，進而提高AGC輸出準(zhǔn)確度。因此，設(shè)計耦合之后的濾波單元采用聲表濾波器，將耦合檢測帶寬縮窄來解決寬帶接收的大動態(tài)、抗干擾等問題。濾波器的中心頻率2 GHz，3 dB帶寬5 MHz，插入損耗<3 dB，帶外抑制>40 dB。

末級濾波單元主要針濾除信號的諧波，文中的設(shè)計采用LTCC低通濾波，對主信號的諧波抑制大于40 dB。

2.2 壓控增益放大電路設(shè)計

針對此項目的指標(biāo)要求，輸入輸出頻率較高為2 GHz。本設(shè)計采用Analog Devices公司(ADI)的ADL5330[8]。其頻率范圍10～3 000 MHz，最大增益達(dá)到22 dB，具有56 dB的增益調(diào)節(jié)范圍，增益調(diào)節(jié)步進0.5 dB。在滿增益條件下，它的輸出三階交調(diào)能夠達(dá)到31 dBm，是一款性能優(yōu)良的可變增益中頻放大器，其典型電路如圖2所示[10]。

圖2 ADL5330典型電路圖Figure 2. Diagram of ADL5330 typical circuit

本設(shè)計指標(biāo)要求動態(tài)范圍80 dB，單級只能有約56 dB(-34～22 dB)的動態(tài)范圍，所以采用兩級ADL5330級聯(lián)，中間加一差分濾波器濾除諧雜波，提高輸入信號純度。

2.3 AGC環(huán)路設(shè)計

本設(shè)計的核心部分是AGC反饋回路，包括電阻耦合器、窄帶聲表濾波器和對數(shù)放大器[11-13]。AGC環(huán)路工作的關(guān)鍵就是將輸出RF的樣本反饋回檢波器。為了降低成本，本設(shè)計采用電阻耦合作為反饋方式。

本設(shè)計采用的對數(shù)放大器是AD8318，是一款1 MHz～8 GHz精密解調(diào)對數(shù)放大器，提供較大的檢波范圍(60 dB)，溫度穩(wěn)定性為±0.5 dB[14]。AD8318可以應(yīng)用于8 GHz以下的中頻電路系統(tǒng)，檢波動態(tài)范圍是70 dB (-65～5 dBm)，檢波系數(shù)為-24 mV·dB-1，截距為19.6 dBm，電壓輸出范圍為0.4～2 V。

此部分電路的具體做法是將RF信號的耦合分量反饋至AD8318。AD8318的Vout連接至ADL5330的Gain引腳，至此反饋環(huán)路完成。其工作原理為：預(yù)先設(shè)定點電壓施加于檢波器AD8318的Vset輸入，檢波器根據(jù)此電壓與反饋的信號作比較，給出一個控制電壓給ADL5330，令其放大或者衰減，直至使得檢波器的輸入信號電平與設(shè)定點電壓之間達(dá)到適當(dāng)平衡。通過調(diào)節(jié)Vset電壓調(diào)節(jié)AGC電路輸出穩(wěn)定的功率值[15]。需要注意的是，ADL5330的電壓Vout的范圍為0 V至接近VPSx，需要使用電阻分壓器按比例縮小AD8318的輸出電壓，以便與ADL5330的0 ～1.4 V增益控制范圍接口相匹配。耦合器部分利用一個23 dB的耦合器，讓所需的VGA最大輸出功率與AD8318線性工作范圍的上限(在1 900 MHz時約為-5 dBm)相匹配。

本設(shè)計要求輸入功率為-90～-10 dBm，輸出功率為-20±1 dBm。兩級ADL5330的增益只有40 dB左右，無法實現(xiàn)從-90 dBm放大至-20 dBm，故必須外加放大器提高增益。由此分配AGC電路輸出穩(wěn)定功率為-35 dBm，實測此時Vset電壓約為1.4 V，利用分壓電阻調(diào)節(jié)Vset電壓，靈活調(diào)節(jié)AGC電路輸出。與此同時，在AGC前面加入一放大器，將輸入信號功率提升至-75～+5 dBm，這樣加上兩級ADL5330的增益就能使得最小功率-90 dBm的小信號放大至-35 dBm。

電阻耦合器[2]的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本次電路中設(shè)計的耦合量為20 dB，即Port3-Port1=-20 dB。利用微波電路仿真工具Microwave Office計算得到，當(dāng)R1=220 Ω，R2=56 Ω時，耦合電路可以滿足指標(biāo)要求，得到的S參數(shù)仿真曲線如圖4所示。從圖中可以看出，該電路耦合量約為20 dB，插入損耗約為0.8 dB，加上聲表濾波器的3 dB插損，耦合支路共有23 dB損耗，可以匹配AD8318的線性工作范圍上限。

圖3 電阻耦合器的電路結(jié)構(gòu)圖Figure 3. The circuit structure diagram of resistance coupler

圖4 電阻耦合器的仿真曲線圖Figure 4. The simulation curve of resistance coupler

2.4 其他電路設(shè)計

本設(shè)計采用線性穩(wěn)壓電源ADP125進行供電，輸出放大器采用ADL5611[16]。此放大器增益平坦，頻率范圍合適，線性高。本設(shè)計采用ADI公司的對數(shù)放大器AD8318實現(xiàn)對數(shù)檢波功能。

3 電路測試及分析

為驗證此方案的實際性能，根據(jù)上述方案設(shè)計的AGC電路板如圖5所示。

圖5 AGC電路板Figure 5. The circuit board of AGC

本次測試實驗采用信號源(依愛AV1464B)為AGC電路提供輸入信號，頻譜分析儀(Agilent N9010A)作為輸出信號分析設(shè)備。

實驗中，Vset電壓調(diào)至AGC電路的基準(zhǔn)輸出功率P0為-35 dBm。利用信號源輸出功率的變化及頻譜儀顯示AGC電路輸出，測試AGC電路在2 GHz附近的動態(tài)范圍，得到的測試結(jié)果如表1所示。

表1 動態(tài)范圍性能測試結(jié)果

由測試結(jié)果看出，當(dāng)輸入信號從10 dBm逐漸減小到-90 dBm時，輸出信號均能穩(wěn)定在-20±1 dBm以內(nèi)，該電路的動態(tài)范圍約為100 dB(輸入功率范圍約為-90～10 dBm)，輸出信號的功率誤差在1 dB之內(nèi)。功率再往上增大時，輸入放大器會壓縮飽和，此時諧波比較大。輸入功率衰減到-95 dBm時，AGC已經(jīng)不能夠鎖定了，從鏈路增益上來看已經(jīng)超出了鏈路最大增益72 dB。在動態(tài)范圍內(nèi)，AGC電路的增益大小隨輸入功率呈線性變化趨勢，輸出信號功率保持不變。當(dāng)輸入信號功率超出動態(tài)范圍時，AGC電路保持最大(最小)增益，輸出信號功率隨輸入信號線性變化。

上述分析表明，本設(shè)計的AGC電路方案在頻率為2 GHz時的動態(tài)范圍仍有100 dB，并且利用窄帶耦合能夠有效地降低近端雜波和基底噪聲對電路性能的影響，是一種寬帶大動態(tài)AGC電路的解決方案。該電路方案可以根據(jù)頻率范圍及功率范圍靈活更換濾波器及放大器，但是總體架構(gòu)及核心器件仍可沿用，既可獨立使用，也容易集成于接收系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種適用頻率較高的寬頻帶大動態(tài)AGC電路。在AGC電路輸入輸出級加入濾波放大單元，保證了信號純度，提高了AGC電路的抗干擾性能。文中采用兩級VGA級聯(lián)的方式擴大AGC電路的動態(tài)范圍，通過采用對AGC電路耦合信號窄帶濾波，解決了AGC電路對寬帶信號功率檢測不準(zhǔn)的問題。本設(shè)計應(yīng)用頻段可達(dá)2 GHz，且該電路具有頻帶寬、動態(tài)范圍大、靈活性強、抗干擾等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。在下一步研究中，可以精簡器件，往小型化、低功耗、可重構(gòu)等方向延伸，進一步提高適用性，使其能夠應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)、移動終端設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)等多種場合中。