隨著微波功率半導體器件技術的發展，微波固態功率放大器在中小功率應用領域憑借其自身優勢正在逐步替代行波管功率放大器。與行波管功率放大器相比，固態功率放大器在實現較高輸出功率的同時，還具有體積小、重量輕、可靠性高、研發成本低等特點[1]。因此，固態功率放大器在通信系統中應用越來越廣泛。

    固態功率放大器鏈路由小信號放大器、驅動級放大器以及末級高功率放大器等多級電路組成。每級放大電路的增益在一定溫度范圍內為固定值，當輸入信號功率增大超過一定值時，前級小信號放大器中的功率管會進入過驅動狀態，使得功率管的使用壽命大大降低，放大器的穩定性也會受到不利影響。同時，信號功率過大會導致功率放大器進入飽和工作狀態，引起傳輸信號產生非線性失真，降低傳輸信號性能。
    防止功率放大器進入過驅狀態的常用方法有兩種，一種是通過設計合適的放大器鏈路將過驅動功率分擔到多個放大器中。但是這種鏈路設計比較復雜，特別是工作條件發生變化時，放大器鏈路的設計會變得更加困難。另一種方法是在微波頻段使用限幅器。限幅器會增加微波電路設計的復雜度，并且其特性也會隨工作條件發生變化，對放大器電路產生不利影響。因此，這兩種方法都不能完全實現對放大器的過驅動保護[2]。
    為實現對放大器增益和功率的控制功能，并且降低甚至消除放大器工作條件變化對放大器特性的影響，本文設計出用于固態功放的自動電平控制ALC(Automatic Level Control)電路，根據輸出信號功率自動調整可變衰減器衰減量，防止小信號放大器中的功率管進入過驅動狀態，并且穩定小信號放大器輸出功率，保證傳輸到后級功率放大器的信號功率恒定[3]并確保傳輸信號的性能。放大器工作頻率為8.0 GHz～8.5 GHz，室溫條件下，當輸入信號功率在-5 dBm～+5 dBm之間變化時，在ALC電路的控制下放大器輸出功率穩定在13.2 dBm～13.7 dBm。
1 電路原理
    ALC電路系統主要包括可變衰減器、MMIC放大器、功率管放大電路、微波信號檢波電路以及反饋控制電路，基本原理框圖如圖1所示。

    式(4)表明，在ALC電路控制下輸出功率Pout(t)由參考電壓Vref和檢波電路特性決定。因此，只要檢波電路性能穩定以及參考電壓固定，輸出信號功率即可維持恒定。
2 電路設計
    根據圖1所示原理圖， ALC電路系統中的各電路設計指標如表1所示，輸出功率最終穩定在13.5 dBm。在設計指標基礎上，分別對各電路進行設計和測試。
2.1 可變衰減器電路
    可變衰減器電路原理圖如圖2所示。可變衰減器型號為HMC346G8，控制電壓范圍為0～-3.0 V，動態衰減范圍超過20 dB。可變衰減器芯片需要兩路電壓V1和V2進行控制，利用運放電路結合衰減器芯片內部電路可以產生控制電壓V2，V1需要外接控制電壓。

    可變衰減器衰減量與控制電壓關系測試結果如圖3所示。控制電壓范圍為-3 V～0 V，可變衰減器最大衰減量可達到20 dB。

2.2 放大器電路
    MMIC放大器型號為MAAM2800A1，放大器芯片供電電壓為+9 V，輸入輸出均已匹配到50 Ω，使用時直接與50 Ω微帶線相連即可。功率管型號為FSX017WF，功率管柵極偏置通過-5 V電源由18 kΩ和2 kΩ電阻分壓獲得，電壓值為-0.5 V；漏極偏置電壓通過+9 V電源和38 Ω串聯電阻提供，電壓值為7.6 V，小于數據手冊中給出的8 V，保證功率管能夠穩定工作。功率管柵極和漏極偏置電路均由四分之一波長高阻抗微帶線和扇形微帶線組成，其作用是防止直流信號對微波信號傳輸產生影響，同時避免微波信號泄露。

3.2 漏極偏壓變化對輸出功率的影響
    工作條件(如溫度、直流供電電壓等)變化會引起功率放大器增益出現變動。漏極偏壓變動時，功率放大器輸出功率變化的測試結果如表2所示。

穩定在13.2 dBm～13.7 dBm之間。
    本文設計出應用于X波段固態功率放大器的ALC電路，通過調節可變衰減器的衰減量對輸出功率進行控制，在室溫條件下，當輸入信號功率變動或直流偏置電壓變化時能夠維持輸出功率波動小于0.5 dB，起到了穩定輸出功率的作用，保證功率放大器能夠正常工作。文中提出的ALC電路不僅可以用于固態功率放大器中，也可用于任意需要對信號功率進行控制的微波系統中。在常溫測試的基礎上，后續工作將對ALC電路以及放大器的溫度特性進行測試研究。
參考文獻
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