微波功率放大器失配保護電路設計分析

許瑞生,郝偉光

(中國電子科技集團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線通信系統中重要的模塊之一,是無線通信設備中必不可少的。由于功率放大器的大電流工作狀況及非線性輸出特性,使得功率放大器對使用的環境要求相當苛刻。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換為射頻功率輸出,一部分轉化為熱能。在功放失配狀態下,功放或反射功率加大或工作電流加大,無法轉換輸出的功率轉化為熱能,引起功率管溫度升高,當溫度超過結溫時,就會引起功率管擊穿。為了保證在如此多局限條件下的功放正常工作,設計了一款功放的失配保護電路。這里所描述的失配保護,既包含了功放嚴重失配時對核心器件的保護,也包含了輕微失配時電路的正確應對的措施。

1 失配原因及分析

保護功放的出發點分為2個:功放的核心器件功率管的保護;從功放使用的角度去考慮安全問題。實際上功放使用過程中發生極限情況時解決問題的焦點,依然集中到對功率管的保護上來。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,其本質核心就是都有其工作的極限參數:極限工作電壓VCM、極限工作電流ICM、負載失配容限等等。保護電路的設計,就是圍繞這些參數來開展。

大多數的功放故障主要由4種原因引起:電流過激失配、電壓過沖失配、輸入電平失配和輸出負載失配,保護電路就是針對這些失配的做出的防護措施。

根據響應時間的需要,保護電路采用2種模式,對功放安全有致命影響且需要快速響應的保護措施采用硬件電路來實現;不需要快速響應或不影響功放安全的保護通過單片機控制來完成。保護電路設計的難點也就在于硬件控制保護和軟件控制保護的交接部分的處理,也是保護電路需要重點解決的問題。保護電路的基本操作流程如圖1所示。

圖1 保護電路操作流程

2 電路實現

電路的實現包含2個部分:硬件電路和軟件設計的實現。硬件電路則包含了保護電路所有模塊,分解為單片機、射頻鏈路和電源3個部分來完成。軟件設計主要是針對單片機進行編程設計。

2.1 軟件設計

單片機軟件由幾個模塊組成:主程序模塊、定時器中斷模塊、串口收發中斷模塊、數據處理模塊、衰減量計算模塊和延時操作模塊等。各種失配狀態按照并行分布式結構排列,單片機根據中斷響應從I/O口收集各監測點失配狀態并做出處理,軟件程序流程如圖2所示。

圖2 軟件程序執行流程

2.2 硬件設計

單片機硬件電路采用當今最流行的AVR系列的ATmega8L實現[3]。

射頻鏈路部分包含了輸入耦合電路及檢測電路、電調衰減電路、輸出耦合電路及檢測電路3個部分,通常電調衰減電路設計在功放內部,作為功放鏈路的一部分。保護電路有3處檢測點進行了檢波操作,分別為射頻輸入電平檢測、輸出功率電平檢測和反射信號電平檢測。由耦合器耦合輸入電平信號送到檢波電路AD8313完成輸入電平檢測,檢測出的電壓和門檻電平比較后送單片機進行檢驗處理操作。輸出功率電平檢測和反射信號電平檢測內置在輸出耦合器內部,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,經放大判別后送單片機檢測,檢測原理如圖3所示。

圖3 電平檢測原理

電源電路的核心是電子開關管的控制操作,將電壓采樣電路和電流采樣電路的判決電平、反射檢測中超出一級門檻的判別電平和輸入激勵超限的判決電平一起,合為一路,來控制一級晶閘管,通過晶閘管的導通與否來決定開關管的通斷,控制功率管的電源。晶閘管在電路中起到狀態保持的作用。在故障排除后,通過將復位鍵將晶閘管狀態清零,恢復電源電路的檢測保護功能。

失配保護電路將功放電源取樣電壓和標準電壓門檻比較來確立電壓是否失配,通過取樣電阻兩端的壓差計算出的工作電流和電流失配門檻相比較來確立電流是否失配,反向檢測電路檢測的功放反射信號電平和兩個門檻電平比較,電平超出一級門檻表示功放輸出負載失配。當工作電壓、電流超出門檻、反射檢波電平超出一級門檻時都直接關掉功放電源。

單片機檢測反射的檢波電平值、正向檢波電平值和輸入檢波電平值,當反射電平值小于一級門檻而大于二級門檻、正向檢波電平大于門檻電平、輸入電平超出額定值但在沒有超出門檻時,單片機控制衰減器減小功放的激勵電平。輸入電平超出門檻電平時,由單片機控制關閉功放電源。

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

2.3 關鍵技術

分機設計時需要解決幾項關鍵技術:耦合器的耦合平坦度、硬件保護電路的響應和軟件保護措施的銜接以及檢波電路的溫度漂移問題的解決,耦合器可以通過外購時提出指標要求來完成,剩余的2項技術是電路設計的重點內容。

2.3.1 硬件和軟件保護的銜接

單片機在處理失配狀態下的輸入電平的每一次衰減操作,都需要檢測硬件電路各部分的工作狀態,從而節省單片機不必要的操作,節省響應時間,實現軟件電路和硬件電路保護功能的銜接。

2.3.2 檢測電路溫補措施

溫度變化對檢波管的輸出影響比較大,電路設計時需要對對檢波管的輸出做出補償措施。文獻[4]列出了二極管檢波器的溫度補償數學模型,通過在有限的溫度范圍內有限的功率電平檢測出的實驗參數應用切比雪夫擬合算法得到擬合多項式來獲得二極管檢波器的溫度補償系數TC(T,P),則TC(T,P)就成為一個關于功率P、溫度T的函數,TC(T,P)=f(T,P)。

在實際電路設計時,需要在分機屏蔽盒上加裝溫度傳感器,以溫度傳感器的輸出電平和環境溫度的線性關系,則溫度就可以表示為溫度傳感器輸出電壓的函數T=f(V);相應地,溫度補償系數就轉換為溫度傳感器輸出電壓V和功率P的函數。

通過多項式擬合技術,產生一系列二極管檢波器的溫度補償多項式,將相關系數存儲,在軟件中增加相應的處理程序即可實現溫度補償。

3 設計實例

某L波段10 W功率放大器,末級增益10 dB,工作電壓28 V,集電極到基極和發射機的極限電壓為60 V,集電極極限電流2.0 A,輸入回損10 dB,負載失配容限3∶1,最高集電極效率40%。功放驅動級為線性工作,總增益30 dB。不考慮軟件因素,這里只計算功放末級保護時設置的各種門檻參量。

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

功放設計時一般考慮線性問題,所以集電極效率不會達到最高的40%,以甲類工作條件的最大電流來計算,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;

輸入回損10 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,輸入電平需要在計算數值的基礎上加7 dB,得輸入功率門檻電平為10 dBm。

負載失配容限3∶1,對應功率反射比25%,按照降額設計,設計為功率反射比達到20%時就關斷功放電源;通常功放輸出駐波比指標要求為2∶1,即反射比11%,此時可由單片機根據工作電壓和電流的狀態判定是衰減輸入激勵還是忽略影響。由于一級門檻電平的設置是以正向檢波電壓為基礎設定的,對應到電位器操作,設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到20%時關斷功放電源,同理,設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 實驗結果分析

功放調試過程中,保護電路多次電流過載,工作電流達到門檻電流時,電子開關關斷,保護電路響應正常;人為的設置電壓失配及輸入過激勵,保護電路也正確響應;在增益控制環路開路的情況下,將輸出電纜松動,改變功放輸出駐波比,控制輸入衰減的單片機輸出衰減控制電平,反應正常;功放加隔離器保護后,將功放輸出完全開路,功放電源直接關斷。保護電路各種功能反應正常。各種失配現象及參數統計結果如表1所示。

表1 保護電路響應統計表

5 結束語

設計的功放失配保護電路使用了取樣電阻和功率開關管,由于器件的功率容量問題,在大功率功放應用中,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器件時,這個電路也可以應用在大功率功放上做失配保護電路。

[1]LUDWIG R.射頻電路設計—理論與應用[M].王子宇,譯.北京:電子工業出版社,2002.

[2]GUILLERMO G.微波晶體管放大器分析與設計[M].白曉東,譯.北京:清華大學出版社,2003.

[3]馬 潮,詹衛前,耿德根.Atmega8原理及應用手冊[M].北京:清華大學出版社,2002.

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