微波信号发生器中自动电平控制系统设计_微波信号发生器中自动电平控制系统设计盛振旗_樊晓腾中国电子科技集团公司第四十一研究所

微波信号发生器中自动电平控制系统设计

2007/12/13 11:43:00

摘要：针对微波信号发生器中自动电平控制系统的高准确度和大动态范围要求，本文设计了一种高性能前馈式自动电平控制系统，该系统由定向耦合器、检波器、对数放大器、环路积分器、指数放大器和线性调制器等单元组成。文中重点讨论了这些关键单元的特性及其对微波信号发生器性能的影响，并给出了相应的解决方法，最后给出了系统达到的主要技术指标。实际使用结果表明，设计的自动电平控制系统很好地满足了设计要求。 0 引言 自动电平控制（automatic level control，ALC）系统是现代微波信号发生器中使用的两类负反馈系统之一（另一类是频率/相位负反馈系统），是实现信号发生器的功率准确度、功率平坦度、功率分辨率以及幅度调制指标的关键。可以说，ALC系统的性能直接决定了信号发生器功率特性指标的高低。本文给出了一种高性能的前馈式ALC系统的实现方法。 1 电平控制系统的类型 由于信号发生器的类型不同和设计体系结构不同，其电平控制系统有相当大的差别。 1.1 简单电平控制系统简单的电平控制系统如图1所示。它通过可变增益模块满足了输出信号电平连续可变的要求，后面加入步进衰减器可以扩展信号输出功率范围。这个非常简单的方案只能用于点频信号或者其他使用载波功率恒定的调制格式（比如频率调制）的信号。由于没有反馈校准环节，它的功率稳定性比较差，难以实现高性能幅度调制。

1.2 基本ALC系统基本ALC系统在图1所示方案基础上引入了电平负反馈环路，如图2所示。

射频驱动信号先通过一个线性调制器再到输出放大器。二极管检波器、误差放大器和线性调制器构成功率负反馈环路。二极管检波器的输出与输出放大器的输出信号的电平成比例，它与参考电平的误差信号经过误差放大器后控制线性调制器修正输出信号的电平。ALC的伺服作用保证线性调制器的驱动电压和输出放大器的增益变化时不会影响射频输出端的功率电平。这种类型的ALC系统对调制性能有3个主要限制：第一，调幅动态范围（深度）受限于电平检波器和相关电路，通常它远远低于线性调制器的功率可变范围；第二，调幅带宽受限于ALC系统的迟滞特性；第三，由于ALC系统的伺服作用，脉冲调制器必须放在ALC环路外面，无法保证脉冲调制时的功率电平准确度。 1.3 前馈式ALC系统前馈式ALC系统如图3所示。电平控制信号首先加到线性衰减器上，同时延迟电路使电平控制信号和受控射频电平的检波信号的变化同步到达采样保持积分器前的求和电路，其微小差值再通过积分负反馈电路进一步修正射频功率电平。当调幅深度超出ALC系统控制的功率范围或者调制信号速率超出ALC带宽时，由前馈信号控制线性调制器随之变化，从而解决了ALC系统对调幅性能的限制。另外，积分器的取样保持开关与脉冲调制信号同步动作，实现了载波脉冲断续情况下稳幅的连续性，从而保证了脉冲调制状态下载波的电平准确度。

2 系统设计 实际设计的前馈式ALC系统框图如图4所示。定向耦合器、检波器、对数放大器、积分与保持电路、调制驱动器和线性衰减器一起构成了常规的ALC负反馈环路。检波范围比较器用于在参考电平信号超出ALC系统控制的功率范围时断开ALC环路。

2.1 检波器检波器采用低势垒肖特基二极管设计，利用二极管的整流作用把射频交流信号转换成直流信号。根据理论分析，检波二极管的电流与端电压u存在如下关系：

式中：I_s为二极管反向饱和电流；U_T=kT/q，其中K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量。为更好地分析二极管整流作用，把上式展开成幂级数形式：

在展开的多项式中，只有第二项及其他的偶数项才具有整流作用。对于小信号，第二项起主导作用，其他项可以忽略。这时，二极管工作在平方律检波区，输出电流i与输入信号电压u的平方成正比。当u大到第四项和更高项已经无法忽略时，二极管响应不再位于平方律区，而是按准平方律整流，这时可以称作过渡区。在这个区域以上，进入线性检波区，输出电流i与输入电压u成正比。对于典型封装的二极管，平方律检波区从噪声电平一直到大约—20dBm。过渡区的范围大约为—20～0dBm，而线性区大约在0dBm以上。图5给出了典型的检波曲线，从接近—70dnm的噪声电平开始一直延伸到+20dBm。图5中清楚地显示了检波电压从平方律检波区到线性检波区的缓慢变化。

信号发生器输出功率范围一般不会超过—30～+30dBm，定向耦合器的耦合度一般是16Db，在设计的ALC系统中检波器实际检测功率范围是—46～+14dBm。 2.2 对数放大器参考电平与功率（单位为dBm）成正比关系，其单位为V/dB。检波器输出电压在参考电平进行比较之前，必须经过对数转换。由于对数变换后的二极管检波特性仍然呈曲线形式（见图5），这里设计了双斜率对数放大电路，使反馈电压与输入功率呈归一化的线性关系。图6给出了对数放大电路的示意图。

图6中，I₁，很小，I₂》I₁。检波输入电压V_i，产生的输入电流用I表示，经过对数放大电路得到输出电压V₀。根据二极管等式，可以得到V₀与I的关系如下：

当检波器工作于平方律区时，I《I₂，I₁《I₂，I₁《I₂，式（3）中第二项接近零，V₀与I呈一倍对数放大关系，可以通过调整I₁的大小改变对数放大器的工作点，从而保证小功率的准确度；当检波器工作于线性区时，I》I₂，I》I₁，I》I₃，式（3）中第二项和第一项大约相等，V₀与I呈两倍对数放大关系，可以通过调整I₂的大小改变对数放大器的工作点，从而保证大功率的准确度。这样处理后功率线性误差可以达到0.1dB以内。当T＝300K时，U_T≈26mV，经过计算可知对数放大器输出信号的灵敏度大约为6mV/dB。图7给出了设计系统中实测的对数放大电路输出电压（经过11倍放大）与射频输出功率的之间的对应曲线。从图7中可以看到，输出电压和射频输出功率呈现很好的线性关系。

2.3 积分与保持电路积分与保持电路在正常情况下处于积分状态。当射频输出信号降低到检波器无法精确测量的水平时，检波范围比较器控制开关信号断开环路积分器的输入，使积分器处于保持状态，线性调制器的控制信息保持不变，当射频功率增加到检波器可以测试的水平时，环路再次闭合。这种技术产生的线性调幅可以超过80dB范围，载波功率精确，无漂移。另外，开关信号还受脉冲调制信号的控制，在脉冲关的状态使积分器处于保持状态，这样在脉冲调制时仍然可以保证载波信号的功率准确度，允许同时进行脉冲调制和幅度调制。图8给出了积分保持电路的示意图。

2.4 调制器及其驱动调制器一般基于PIN二极管设计，采用串联结构或者并联结构，如图9所示。在微波频段，调制器通常采用不等间距并联结构设计。

PIN二极管在微波频率上相当于一个随着控制电流线性变化的可变电阻。采用并联结构时，调制器的功率传输函数如下： A＝K1n（I+I₀）-C （4）式中：A表示衰减量；I表示控制电流；K、I₀、C为常数。由于参考电平信号以对数形式设置，为了保证前馈控制的准确性，需要对调制器驱动电流（电压）进行指数变换。设计电路如图10所示。