一種具備前端饋電及電流監測的功放模塊

白昀初

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在射頻和微波系統中，放大電路是最基本和廣泛存在的微波電路之一，功率放大器被廣泛應用于電子對抗、衛星通信、移動通信、導航、雷達系統以及各種電子裝備中，具有相當重要的地位。在電路應用中，除了對功放提出基本的增益等要求外，往往受到使用條件限制或附加其他要求，也要根據總體需求變更調整電路，在設計時均需考慮在內。

本文設計的功放模塊的要求為：使用頻段為10 ～90 MHz，具備向前端饋電的功能，以及對射頻前端及功放自身的電流監測功能，在帶寬內10 MHz 為步進的頻點具備50 dB 以上的增益，具備高于30 dB 的諧波抑制。同時也給出使用條件，經過有源前端后功放模塊的最大輸入功率為-60 dBm。輸入接口為有源前端饋電及功放模塊提供共兩路的供電輸入、一路射頻輸入，輸出接口為兩路檢測電流輸出和射頻輸出。

綜合設計要求，功放模塊的設計從功能上可分為有源前端饋電及放大電路，并在電路中對兩部分電路分割以確保互不干擾。

1 原理與設計

1.1 有源前端饋電電路設計

在雷達天線陣面中，往往需要天線后的接收機系統具有盡可能低的噪聲系數。受空間限制，天線與接收組件間會通過一段較長的射頻線纜連接，集成較為復雜。在應用中可在天線后先設計一個包含低噪聲放大器的有源前端，再通過線纜將信號傳輸至后端再放大，這就使得總體的噪聲系數減小了線纜損耗。為節省空間及減少線纜數量，將線纜作為信號傳輸，也作為有源前端的饋電輸入，是一種降低天線陣面噪聲系數的解決方案。

根據系統對電流監測功能的要求，本文所設計的電流檢測電路是基于株洲宏達的XCA4001 型高精度電流檢測芯片實現的。該芯片包括一個電流檢測放大器和一個高速比較器，電流檢測放大器能夠準確通過采樣電阻（Rsense）兩端的電壓來檢測電流，通過增益為100 V/V 的放大器在OUT 端輸出檢測電流，原理圖如圖1 所示。XCA4001 可采用5 V 單電源供電。系統供電為12 V，有源前端同樣需要12 V，而所選取的電流檢測芯片供電電壓為5 V，需要進行一次穩壓。穩壓選用北京半導體五廠的一款CW78M05MZ 型LDO，在輸入電壓最大達40 V 時，輸出電壓為5 V，保證在向XCA4001供電的同時使其不會因供電端的異常而損壞。

圖1 電流檢測芯片原理圖

因受輸入輸出接口數量限制，模塊中無法使用控制芯片，僅能輸出檢測電流以供后端數字部分進行電路控制與保護設計。設計思路為：功放模塊的兩路供電均由外部電源模塊提供，該電源模塊由計算機控制，在數字部分設置比較器，能夠快速地檢測電流超出電流閾值的情況，并允許系統采取糾正措施以防止潛在組件或系統的損壞一旦出現過流狀況，自動切斷電流，以達到保護功放的目的。

為防止向有源前端流入的電信號向后流入射頻部分，需在向前供電端與進入后端放大的濾波器間使用隔直電容。不同容值的電容，其自諧振頻率不同。在自諧振頻率處，電容的容抗最小；低于自諧振頻率，電容工作在容性狀態；高于自諧振頻率，電容工作在感性狀態。理論上電容越大越好，可是實際中隨電容的增加，會產生電感和漏電（電阻），從而影響幅頻特性。因此，電容以頻段夠用為原則。隔直電容應選擇電容自諧振頻率略大于信號頻率邊界值90 MHz，本文選擇容值為1 000 pF 的電容作為隔直電容。

電感具有阻止交流電通過而讓直流電順利通過的特性，在電流監測芯片電路與放大電路間串聯合適的電感，防止電流監測電路可能產生的信號對后端放大電路的影響。與電容的使用情況類似，工作頻率低于諧振頻率時，電感值基本保持穩定；工作頻率超過諧振頻率時，電感值將會先增大，一定頻率后，又迅速減小。應選擇諧振頻率點高于工作頻率的電感，這里最終選用0.1 μH 的電感。

1.2 放大電路設計

射頻鏈路要求具備40 dB 以上的增益，因為此模塊并非接收鏈路的第一級放大，因此并未對噪聲系數指標加以限制。可使用表面貼裝的兩級放大器級聯的方式，并在鏈路中增加三級π 型電阻衰減網絡（π 衰），計算所需的衰減量后就近選擇實際存在的標稱阻值，用以調整增益及飽和輸出功率。本文選用MAR-8ASM 型放大器芯片搭建放大電路和有源前端饋電電路中使用CW78M05MZ 型LDO 和XCA4001 型高精度電流檢測芯片。放大器芯片原理如圖2 所示。

圖2 放大器芯片原理圖

芯片手冊未提及電感值及電容值的選取，這就需要根據芯片使用頻段及作用結合工程經驗進行選取。電路中電感起阻止交流電通過的隔離作用，Lbias選用10 μH 的電感。并聯電容Cbypass作用為旁路濾波，可選用1 μF。

1.3 系統電路設計

結合有源前端饋電電路及放大電路，得到最終的電路原理圖如圖3 所示。

圖3 功放模塊電路原理圖

圖中：N1 和N6 為穩壓芯片；N2 和N7 為電流監測芯片；N3 和N8 分別為輸入端和輸出端的濾波器芯片；N4 和N5 為功率放大器芯片。對模塊增益進行鏈路預算：最大輸入功率為-60 dBm 時兩級放大器芯片均未飽和，模塊輸入端連接器插入損耗-0.5 dB，第一級濾波器插入損耗-1 dB，第一級π 衰-1 dB，第一級放大器增益31.5 dB，第二級π 衰-3 dB，第二級放大器增益31.5 dB，第三級π 衰-1 dB，第二級濾波器插入損耗-1 dB，模塊輸出端連接器插入損耗-0.5 dB，鏈路總增益預計在54 dB，放大器在100 MHz 時擁有31.5 dB 的最大增益，在10 ～90 MHz 增益指標會有一定下降。實際應用中器件的指標會存在一定浮動，器件的插入損耗也是預估值，外圍電路的選取，微波板的板材和板厚，裝配過程引入的誤差都會影響實際指標，這也是射頻電路設計中留有余量的必要性。

2 模塊實測結果及問題排查

根據原理圖在盡可能小的空間結構內布板設計，在兩部分電路間增加減重槽，在減小重量的同時隔離電路，加工后進行裝配，得到功放模塊。

2.1 自激的產生及消除

模塊的設計過程是在設計、調試過程中不斷完善的。模塊加工完成后，對模塊的放大電路進行單獨加電測試，并未有異常現象。再加上有源前端饋電電路后，在僅對模塊加電且射頻信號未輸入時頻譜儀上出現特定頻率段信號的輸出。問題定位到有源前端饋電部分的電流檢測芯片周圍，推測是外圍電路元件選取不合理與芯片內放大電路形成反饋回路產生自激，如圖4 所示。

圖4 電路自激信號

經排查電路原理，設計階段中，有源前端饋電選用的串聯電感為18 nH，多適用于S 波段及以上的放大電路，在低頻段往往選擇具有更高電感值的串聯電感元件，可以實現更好的濾波效果。此外，品質因數也會對濾波效果產生影響，品質因數越大，濾波效果越好，大電感的品質因數往往更大。將原先使用的18 nH 更換為0.1 μH 后，自激信號消除。如圖5 所示，在20 MHz 信號右側的40 MHz 波瓣為放大器的二次諧波，因模塊所在的頻帶為9 倍頻程，二次諧波基本都在帶內，無法通過濾波器濾除，但也在高于30 dB 的諧波抑制的要求范圍內，模塊性能良好。

圖5 二次諧波測試結果

2.2 模塊測試記錄

在要求的10 ～90 MHz 帶寬內用矢量網絡分析儀對增益指標進行測試，達到“增益＞50 dB”的設計要求，功放模塊實物及增益測試結果如圖6 所示。

圖6 功放模塊增益測試圖

在模塊正常工作時用萬用表測量檢測放大電路監測電流輸出端的電壓，如圖7所示，用公式計算流經放大電路的電流。

圖7 放大電路監測電壓輸出

采樣電阻Rsense為0.05 Ω，通過該換算公式計算，得到流經放大電路的電流為0.076 A，后端數字模塊可根據實際工作電流設置過流閾值，在高于過流閾值的情況下立刻切斷電源，實現對有源前端饋電及放大電路的保護。

3 結 語

將線纜作為信號傳輸，也作為有源前端的饋電輸入是一種降低天線陣面噪聲系數的方案，在節省空間的同時減少線纜數量。功率放大器是電路中比較容易損壞的器件，在設計電路時，如何對電路的電壓或電流進行監測具有重要意義。本文面向實際工程需要，搭建了一種具備前端饋電及電流監測的放大電路，介紹了該方案的電路原理與具體設計，以及外圍電路諸如阻容感的選取，并通過頻譜儀、矢量網絡分析儀、萬用表等儀器測試驗證了電路的可行性。電路結構簡單、通用性強，且增益可通過鏈路中的π 衰調節，可擴展應用于DC 至1 000 MHz 的寬帶內。