一種具備前端饋電及電流監(jiān)測的功放模塊

白昀初

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在射頻和微波系統(tǒng)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(yīng)用于電子對抗、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、雷達(dá)系統(tǒng)以及各種電子裝備中，具有相當(dāng)重要的地位。在電路應(yīng)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(jù)總體需求變更調(diào)整電路，在設(shè)計(jì)時(shí)均需考慮在內(nèi)。

本文設(shè)計(jì)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(jiān)測功能，在帶寬內(nèi)10 MHz 為步進(jìn)的頻點(diǎn)具備50 dB 以上的增益，具備高于30 dB 的諧波抑制。同時(shí)也給出使用條件，經(jīng)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(shè)計(jì)要求，功放模塊的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1.1 有源前端饋電電路設(shè)計(jì)

在雷達(dá)天線陣面中，往往需要天線后的接收機(jī)系統(tǒng)具有盡可能低的噪聲系數(shù)。受空間限制，天線與接收組件間會(huì)通過一段較長的射頻線纜連接，集成較為復(fù)雜。在應(yīng)用中可在天線后先設(shè)計(jì)一個(gè)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(shù)減小了線纜損耗。為節(jié)省空間及減少線纜數(shù)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(shù)的解決方案。

根據(jù)系統(tǒng)對電流監(jiān)測功能的要求，本文所設(shè)計(jì)的電流檢測電路是基于株洲宏達(dá)的XCA4001 型高精度電流檢測芯片實(shí)現(xiàn)的。該芯片包括一個(gè)電流檢測放大器和一個(gè)高速比較器，電流檢測放大器能夠準(zhǔn)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(tǒng)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(jìn)行一次穩(wěn)壓。穩(wěn)壓選用北京半導(dǎo)體五廠的一款CW78M05MZ 型LDO，在輸入電壓最大達(dá)40 V 時(shí)，輸出電壓為5 V，保證在向XCA4001供電的同時(shí)使其不會(huì)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(shù)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(shù)字部分進(jìn)行電路控制與保護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)控制，在數(shù)字部分設(shè)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(tǒng)采取糾正措施以防止?jié)撛诮M件或系統(tǒng)的損壞一旦出現(xiàn)過流狀況，自動(dòng)切斷電流，以達(dá)到保護(hù)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(jìn)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??；低于自諧振頻率，電容工作在容性狀態(tài)；高于自諧振頻率，電容工作在感性狀態(tài)。理論上電容越大越好，可是實(shí)際中隨電容的增加，會(huì)產(chǎn)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(yīng)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(jiān)測芯片電路與放大電路間串聯(lián)合適的電感，防止電流監(jiān)測電路可能產(chǎn)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(shí)，電感值基本保持穩(wěn)定；工作頻率超過諧振頻率時(shí)，電感值將會(huì)先增大，一定頻率后，又迅速減小。應(yīng)選擇諧振頻率點(diǎn)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(shè)計(jì)

射頻鏈路要求具備40 dB 以上的增益，因?yàn)榇四K并非接收鏈路的第一級放大，因此并未對噪聲系數(shù)指標(biāo)加以限制?？墒褂帽砻尜N裝的兩級放大器級聯(lián)的方式，并在鏈路中增加三級π 型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)（π 衰），計(jì)算所需的衰減量后就近選擇實(shí)際存在的標(biāo)稱阻值，用以調(diào)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(jù)芯片使用頻段及作用結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(lián)電容Cbypass作用為旁路濾波，可選用1 μF。

1.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

結(jié)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(wěn)壓芯片；N2 和N7 為電流監(jiān)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(jìn)行鏈路預(yù)算：最大輸入功率為-60 dBm 時(shí)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(yù)計(jì)在54 dB，放大器在100 MHz 時(shí)擁有31.5 dB 的最大增益，在10 ～90 MHz 增益指標(biāo)會(huì)有一定下降。實(shí)際應(yīng)用中器件的指標(biāo)會(huì)存在一定浮動(dòng)，器件的插入損耗也是預(yù)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(huì)影響實(shí)際指標(biāo)，這也是射頻電路設(shè)計(jì)中留有余量的必要性。

2 模塊實(shí)測結(jié)果及問題排查

根據(jù)原理圖在盡可能小的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)布板設(shè)計(jì)，在兩部分電路間增加減重槽，在減小重量的同時(shí)隔離電路，加工后進(jìn)行裝配，得到功放模塊。

2.1 自激的產(chǎn)生及消除

模塊的設(shè)計(jì)過程是在設(shè)計(jì)、調(diào)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(jìn)行單獨(dú)加電測試，并未有異?，F(xiàn)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(shí)頻譜儀上出現(xiàn)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(nèi)放大電路形成反饋回路產(chǎn)生自激，如圖4 所示。

圖4 電路自激信號

經(jīng)排查電路原理，設(shè)計(jì)階段中，有源前端饋電選用的串聯(lián)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(lián)電感元件，可以實(shí)現(xiàn)更好的濾波效果。此外，品質(zhì)因數(shù)也會(huì)對濾波效果產(chǎn)生影響，品質(zhì)因數(shù)越大，濾波效果越好，大電感的品質(zhì)因數(shù)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(cè)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(nèi)，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(nèi)，模塊性能良好。

圖5 二次諧波測試結(jié)果

2.2 模塊測試記錄

在要求的10 ～90 MHz 帶寬內(nèi)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對增益指標(biāo)進(jìn)行測試，達(dá)到“增益＞50 dB”的設(shè)計(jì)要求，功放模塊實(shí)物及增益測試結(jié)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(shí)用萬用表測量檢測放大電路監(jiān)測電流輸出端的電壓，如圖7所示，用公式計(jì)算流經(jīng)放大電路的電流。

圖7 放大電路監(jiān)測電壓輸出

采樣電阻Rsense為0.05 Ω，通過該換算公式計(jì)算，得到流經(jīng)放大電路的電流為0.076 A，后端數(shù)字模塊可根據(jù)實(shí)際工作電流設(shè)置過流閾值，在高于過流閾值的情況下立刻切斷電源，實(shí)現(xiàn)對有源前端饋電及放大電路的保護(hù)。

3 結(jié) 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(shù)的方案，在節(jié)省空間的同時(shí)減少線纜數(shù)量。功率放大器是電路中比較容易損壞的器件，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，如何對電路的電壓或電流進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義。本文面向?qū)嶋H工程需要，搭建了一種具備前端饋電及電流監(jiān)測的放大電路，介紹了該方案的電路原理與具體設(shè)計(jì)，以及外圍電路諸如阻容感的選取，并通過頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、萬用表等儀器測試驗(yàn)證了電路的可行性。電路結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)，且增益可通過鏈路中的π 衰調(diào)節(jié)，可擴(kuò)展應(yīng)用于DC 至1 000 MHz 的寬帶內(nèi)。