基于调制器和放大器实现ALC环路电路的设计

作者：张煜 

引言

自动电平控制（auto Level control，ALC）的作用是当输入电平在较大范围内变化时，输出电平恒定不变，即当输入信号功率很不稳定或者有较大变化时，经过ALC环路稳幅后，输出信号的功率值都会稳定在一个相对恒定的幅度值上。为保证整机输出功率稳定，在射频放大器电路中设置ALC环路电路尤为必要。本文设计的这款电路主要用于信号源后端输出，可满足带宽为0.25～1 000MHz的射频信号稳幅输出要求，同时具有20 dB动态范围、最大输出功率满足+13 dBm±1.5 dB的功能。当前很多ALC环路电路设计都很复杂、电路庞大、设计成本高，而本文介绍的这款ALC稳幅环路，在满足指标要求的前提下，尽量使设计简洁，电路简化，具有很高的性价比。

1 基本原理

ALC环路框图如图1所示。ALC稳幅环路由调制器、RF放大电路、功分电路、检波电路、求和运放电路、参考预置电路等几部份组成，它们构成负反馈环路。RF射频信号输入到调制器，经RF射频放大电路放大，为保证稳幅功率值，最大功率要大于稳幅功率值，并有一定余量，RF射频放大电路采用两级功率放大的方式对信号进行放大；RF射频信号经RF射频放大电路放大后，定向耦合器按比例耦合出部分功率，经检波器后产生一个检波电压，与预置参考电压进行求和积分运算，求和电路输出电压反馈控制电调衰减器，组成负反馈环路，使微波信号功率恒定输出。设定一个参考预置电压，经求和运放电路后，形成一个负反馈电压，负反馈电压控制调制器衰减量。RF信号经调制器衰减后，部分功率按比例功分到检波电路，经检波器后产生一个检波电压，与预置电压求和。当检波电压大于预置电压时，即RF功率大于预置功率，经求和电路后，负反馈电压变小，调制器衰减量变大，RF功率变小，直至求和电路平衡，RF功率稳定；当检波电压小于预置电压时，即RF功率小于预置功率，经求和电路后，反馈电压变大，调制器衰减量变小，RF功率变大，直至求和电路平衡，RF功率稳定。利用求和积分电路平衡性，组成负反馈ALC环路，可使输出RF信号保持恒定。为保证整机输出功率稳定不变，ALC取样电路应设置在整机输出端。为充分利用各级放大器晶体管的使用效率，不致因输入信号的变化或其他因素引起放大器的增益变化而使放大器进入非线性状态，在保证整机噪声系数的前提下，要求把受控电路置于输入端，使增益环路加大，控制灵敏度提高。

由于从取样到受控电路进入控制状态需要一定时间，虽然时间较短，但当输入信号或放大器的增益发生变化时，也会使放大器进入非线性状态，尤其对末级放大器的影响最为严重。末级放大器所选用大功率晶体管的线性输出功率都不太富裕，只能满足额定输出功率下的线性要求，在输入信号变化较大的情况下，还有可能击穿大功率晶体管的基射结。因此，在设计整机的自动电平控制电路时，不仅要考虑到输入信号的影响，而且还要考虑通道增益的变化。

2 关键电路设计

2.1 调制器设计

2.1.1 调制器的工作原理

PIN二极管是常用的调制器元件，当PIN二极管处于正向导通状态时，电子从N层注入到I层，空穴从P层注入到I层。由于I层中存在复合现象，扩散至I层的载流子浓度随进入I层的深度而降低。随正向偏压的增加，I层中空穴和电子浓度不断提高，逐渐趋于大致相等的状态，这时I层的电阻率大为下降，呈现一个小电阻，改变正向偏流可改变其电阻值。PIN二级管的电阻Rf与正向电流I的关系可用下面经验公式计算，得：

式中：I为正向电流（mA）；Ka为比例系数，与I层电阻率和总面积有关，一般在20～50之间。当电流I在0～几mA内变化时，Rf在几Ω～10 kΩ范围内变化。

正向偏置时，用作衰减器的PIN二极管I区很薄，I区的电导可用直流偏流来改变，使该器件成为一个随偏流而变化的线性电阻。当外加反向偏压后，外加电场与内建电场一致，总的电场加强，空间电荷变宽。当外加电压足够高时，整个I层被耗尽，呈穿通状态，此时二极管等效为一个小电容，阻抗很高，可视为开路。

调制器利用PIN二极管的电阻变化范围较宽，有一定的线性区域，在理想情况下，斜率为一常数，对射频信号的衰减量进行线性控制。要实现自动电平控制，必须利用这一特性使PIN二极管工作在其线性段，随控制电压的不同而调节RF射频信号的衰减量，实现最终输出功率的恒定。

2.1.2 调制器电路设计

由于RF射频信号频率覆盖很宽（0.25～1 000MHz），这就要求带宽较宽的调制器，本文选择Agilent公司的器件HSMP3832（PIN二极管）作为调制器，它可在DC到4GHz频率范围内具有良好的线性衰减特性。ALC环路调制器电路如图2所示。由于HSMP3832单片有8 dB线性衰减动态范围，本文采用多管串连模式，通过4个管芯串连，整体可达到30 dB线性衰减的动态范围，这样就可以满足ALC环路20 dB稳幅范围的要求。

2.2 放大电路设计

RF射频放大电路是本文设计的重点，它的性能好坏对该系统至关重要。由于输入信号频率从250 kHz到1 GHz，频带很宽，这就要求放大器具有很好的带宽；而考虑到其他部分的插入损耗及PIN管的衰减，在输入RF射频信号功率为+0 dBm±1.5 dB时，功率放大增益至少为18 dB才能保证输出信号为+13 dBm，单级放大已经无法满足。本文选用两级功率放大方式：前级放大器为低噪声放大器，选择PHILIPS公司的BFQ34；后级为中功率放大器，选择了PHILIPS公司的LTE21009R。

2.2.1 前级放大电路设计

ALC环路前级放大器电路如图3所示，BFQ34是一款高性能的放大器芯片，工作频率从DC到4 GHz，典型增益为16.3 dB，压缩点P1dB为26 dBm。GUM是放大器最大增益，如下所示：

2.2.2 后级放大电路设计

后级放大电路选用HILIPS公司的LTE21009R，LTE21009也是一款高性能的放大器芯片，工作频率从DC到4.2 GHz，典型增益大于10 dB，压缩点P1dB为28 dBm，，ALC环路后级放大电路如图4所示，RF信号经C3交流耦合输入，C3、C5为隔直电容；C4为交流负反馈电容，为了得到较大功率，使LTE21009工作在最大功放状态，C4选择了较大容值；L1为隔交流电感，因为这里频段较宽，就要求L1不仅有较好的低频响应，还要有很好的高频响应，如果没有单个宽频段频响电感，可选用低频电感和高频电感串连方式替代。

2.2.3 放大电路功率分配

RF射频信号通过调制器后，信号插损3 dB左右，考虑到功分器损耗及电路损耗，RF射频放大电路要求不低于18 dB增益。两级放大电路功率增益分别是：前级放大器增益优于8 dB，根据实际设计效果，BFQ34足够满足这一指标；后级放大器增益优于10 dB，LTE21009也可足够满足这一指标。因为还要考虑噪声影响，这里BFQ34增益并不要调到最大增益，在满足整体功率要求同时，尽量减少噪声影响。这2种放大器都是功率放大器件，需要良好散热，否则会使器件因为过热而损坏。

2.3 功分检波电路设计

功分检波电路一般会选择微波集成模块完成，而微波集成模块一般低端只能到10 MHz，不能覆盖到252 kHz的频率，而且模块体积较大，会占用很大空间，在这里本文设计了一种简单实用的功分检波电路。如图5所示，采用电阻功分方式按比例功分一部分RF射频功率输出到检波器，这种功分方式对RF信号输出功率影响相对较小，经过功分器后，信号插损小于2 dB。因为RF射频信号带宽较宽（0.25～1 000 MHz），检波器也要满足这一要求，检波器选择选择Agilent公司的器件HSMP2815。HSMP2815是内部带温度补偿的肖特基二极管RF检波器，输入功率从-30 dBm至+15 dBm，检波频率从100 kHz到4 GHz。利用肖特基二极管和外部电容来对RF输入电压进行峰植检波，检波电压输出用于后端求和电路。

3 实际电路设计效果

本设计主要是针对信号源实现功率稳定输出一款电路，针对RF射频信号满足以下指标要求：（1）频率范围为0.25～1 000 MHz；（2）稳幅输出动态范围为-7～+13 dBm；（3）功率准确度为±1.5 dBm；（4）最大稳幅功率为+13dBm。

测试结果如表1和表2所示。

4 结 论

本文的ALC环路具有宽频响（0.25～1 000 MHz）、宽动态范围（20 dB动态范围）、高功率（最大输出功率可达到+13 dBm）、低噪声、性能稳定等优点，是一种理想的稳幅环路。