矢量網絡分析儀中自動電平控制系統設計

中國電子科技集團公司第四十一研究所 王 星

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矢量網絡分析儀中自動電平控制系統設計

中國電子科技集團公司第四十一研究所 王 星

【摘要】現代電子測量儀器對于源功率的指標要求越來越高，本文介紹了自動電平控制（ALC）技術的原理，并設計了應用于矢量網絡分析儀的自動電平控制系統，在100kHz-8.5GHz的寬頻帶范圍內平坦度為±2dB，穩幅范圍為-15dBm - +10dBm。

【關鍵詞】ALC環路；檢波；衰減器；積分求和

引言

電子信息技術的飛速發展，市場對于矢量網絡分析儀的功能和性能指標提出了更高的要求，其中功率輸出的范圍、平坦度越來越引起人們的重視，而自動電平控制（ALC）技術廣泛應用于功率控制中。本文的ALC電路用于矢量網絡分析儀的功率穩幅控制，在100kHz-8.5GHz的頻帶范圍內信號平坦度為±2dB，穩幅范圍為-15dBm - +10dBm。

1　ALC工作原理

ALC系統原理框圖如圖1所示：

圖1　ALC系統原理

RF射頻信號輸入到壓控衰減器，經過放大器放大后，由功分電路分為兩路，一路作為射頻輸出，另一路進入檢波電路，檢出的電壓經過對數放大后進行積分求和，最后通過對壓控衰減器的控制形成反饋環路，達到控制信號穩定輸出的目的。

當輸入信號變化時，經過功分后進入檢波的信號也發生變化，檢波輸出的信號與DAC預置信號不再相等，通過積分求和電路產生的控制電壓就會相應變化，從而調節衰減器保證輸出功率的穩定。

2　關鍵電路的設計

整個穩幅環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衰減器的設計

本文選擇了Hittite公司的HMC346LP3E，該壓控衰減器內部自帶參考衰減器，通過外圍運放可實現一路0--3V的控制電壓的精確控制，工作帶寬為DC-14GHz，動態范圍可以達到30dB。

設計的原理圖如圖2所示：

圖2　衰減器設計

V1，V2為兩路互補的控制電壓，I為驅動電流輸入端。衰減器通過調節V2使I端往衰減器看的阻抗保持在500Ω，從而調節衰減器的阻抗保持在50Ω，保證整個帶寬內的阻抗匹配特性。由于兩路控制電壓均要求為負電壓，所以設計中在運放輸出端及負向輸入端加入門檻電壓約為0.6V的二極管，運放正極輸入電壓約為-0.56V，當運放輸出由負電壓增大到0V時，二極管導通，電路通過負反饋減小輸出端電壓，保證V2一直是負偏置。

2.2RF放大電路設計

射頻放大電路的目的是為射頻信號提供足夠的增益，本文中ALC環路的輸入信號功率在0dBm左右，為滿足在100kHz-8.5GHz的寬帶內實現-15dBm - +10dBm的功率調節，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，至少需要兩級放大器。

前級放大器選用了RFMD公司的NBB-310放大器，該器件可以在DC-12GHz的帶寬內實現大于10dB的增益，同時偏置電路簡單，帶寬內增益平坦度較好。后一級放大器本文選擇了Hittite公司的HMC788，它可以在DC-10GHz的頻率范圍內實現不低于12dB的增益，同時1dB壓縮點達到+20dBm，保證整個環路輸出時沒有壓縮，兩級放大器中間為匹配網絡，整個設計如圖3所示。

RF信號經過C32耦合輸入，C32、C36為隔直電容，由于工作頻段比較寬，為保證整個頻段有較好的響應，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，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抑制高頻信號在偏置供電電路上的傳輸，兩級放大器的接地很重要，在設計中要保證放大器周圍有大面積的接地。

圖3　ALC環路中的放大電路設計

圖4　檢波二極管的等效電路

2.3功分與檢波電路設計

本文采用電阻功分方式將射頻功率信號按比例分一部分到檢波電路，這種功分方式簡單實用，經過功分器后，信號插損在3dB左右。

檢波器的功能是將不同頻率信號的功率轉換為直流電壓，是整個ALC工作環路的核心部分。本文的檢波器采用低勢壘肖特基二極管設計，等效電路［1］如圖4所示。其中，Rs為半導體體電阻，Lp、Cp分別為封裝帶來的寄生電感和電容，Rj和Cj是與偏置有關的結電阻和結電容。

二極管的檢波電流與電壓的關系［2］為：

本文選用了Aeroflex公司的MSS20，046-0805-2檢波二極管，工作頻率最高達到20GHz，整個設計如圖5所示：

圖5　功分檢波電路設計

檢波后的濾波接地十分重要，要盡量大面積接地，同時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　實驗結果

整板采用6層板設計，板厚1.6mm，頂層和底層采用Rogers的 RO4003C板材，實驗結果如下：表1為ALC穩幅后的功率平坦度，可以看到平坦度在±3dB以內，圖6為5GHz時功率掃描時的曲線，穩幅范圍在-15dBm - +10dBm。

表1　功率平坦度測試記錄

圖6　功率掃描范圍測量

4　結束語

本文提出了一種基于ALC的功率穩幅方案，可在100kHz-8.5GHz寬頻帶范圍內實現功率的準確控制，對關鍵電路進行了分析和設計，實驗結果表明設計性能良好，達到指標要求。目前該設計已用于某款矢量網絡分析儀中。

參考文獻

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

［2］康華光.電子技術基礎（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.