CN105490655B - 一种固态功率放大器的功率控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率控制电路，尤其是一种固态功率放大器的功率控制电路及方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种固态功率放大器的功率控制电路及方法。电路采用一个自动电平控制环路、一个限幅器来实现。该电路实现了固态功率放大器在输入功率变化和温度变化条件下，保证输出功率恒定不变，同时实现了自动电平控制环路锁定过程中射频放大链路的输入过激励保护的功能。自动电平控制环路，用于当输入信号功率值幅度变化时，将自动电平控制环路输出功率值稳定在自动电平控制环路输出功率设定值；当所述自动电平控制环路输出功率值P2经过限幅器以及射频放大链路后，形成的输出功率稳定在输出功率设定值上。

Description

一种固态功率放大器的功率控制电路及方法

技术领域

本发明涉及功率控制电路领域，尤其是一种固态功率放大器的功率控制电路及方法。

背景技术

在通信、导航等发射系统中，要求固态功率放大器在温度变化和输入功率变化的条件下保证输出功率保持不变。固态功率放大器输出功率和过激励由输入功率直接决定，固需要对输入功率进行控制。

固态功率放大器在使用过程中，引起输入功率变化因素主要来自三个方面。一是固态功率放大器的前级模块输出功率随温度或时间的变化；二是误输入或当功放前端模块有ALC电路时，在环路稳定之前的过冲；三是固态功放自身的温度特性造成，在低温时，放大链路增益大幅增加，造成输出功率的变化。

现有固态功率放大器功率控制的方法主要是采用自动电平控制环路。传统的自动电平控制环路在射频放大链路后端处进行功率取样，此结构虽然可以补偿射频放大器的温度特性，但检波电压极易受到干扰，电磁兼容性能差；传统的自动电平控制环路中电调衰减器的控制电压由差分放大电路产生，由于放大倍数有限，造成门限值不敏感，调试困难；同时，ALC电路在锁定过程中，会有短时间的过冲信号输出，并进入射频放大链路的输入端，容易导致射频放大链路中功率放大器过激励烧毁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种固态功率放大器的功率控制电路及方法。电路采用一个自动电平控制环路、一个限幅器来实现。该电路实现了固态功率放大器随输入功率变化和温度变化条件下，保证输出功率恒定不变，同时实现了自动电平控制环路锁定过程中射频放大链路的输入过激励保护的功能。

本发明采用的技术方案如下：

一种固态功率放大器的功率控制电路包括：

自动电平控制环路，用于当输入信号功率值P_in幅度变化时，将自动电平控制环路输出功率值P₂稳定在自动电平控制环路输出功率设定值当所述自动电平控制环路输出功率值P₂经过限幅器以及射频放大链路后，形成的输出功率P_out稳定在输出功率设定值上；

限幅器，用于当自动电平控制环路稳定过程中，自动电平控制环路输出功率P₂大于自动电平控制环路输出功率设定值时，防止射频放大链路处于过激励输入状态；所述限幅器的限幅功率值满足

所述自动电平控制环路包括电调衰减器、3dB电桥、检波电路、差动积分器以及温补门限电路；所述输入功率值P_in通过电调衰减器进行衰减后，进入3dB电桥的第一端口；3db电桥将衰减信号分为两个幅度相等的功率值P₂及P₃信号；其中自动电平控制环路输出功率值P₂的信号输出至限幅器，然后通过射频放大链路，形成固态功率放大器的输出功率P_out信号；另外一路P₃信号通过检波电路后，形成检波信号V₊；温补门限电路对电源进行分压产生温补门限信号V_-；所述分压信号V₊与温补门限信号V_-分别通过差动积分器产生控制信号V_T后，通过控制信号V_T的大小控制电调衰减器的输出信号，使得当输入信号功率值P_in幅度变化时，将输出功率P_out稳定在

温度T℃时，固态功率放大器的输出功率P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃),其中G₀为射频放大链路和限幅器在25℃时的总增益，M为射频放大链路增益随温度的变化系数，单位为dB/℃；当时，自动电平控制环路处于开环状态，P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃)；当时，自动电平环路处于闭环状态， 其中为25℃时自动电平控制环路的输出功率设定值，为工作温度范围内固态功率放大器的输出功率额定值。

进一步的，所述检波电路包括第一电容C1以及检波器U2；所述3db电桥第三端口通过第一电容C1与检波器U2输入端口连接；检波器输出端口与差动积分器输入端口连接。

进一步的，所述温补门限电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1以及电源V_SS；所述第一电阻R1的一端与电源V_SS相连，另一端与第二电阻R2一端、第三电阻R3一端连接；第三电阻R3另一端通过二极管D1接地；第二电阻R2另一端接地。电源通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1分压形成温补门限信号V_-。

其中V_BR为二极管D1在25℃时反向击穿电压V_BR，V_BR的温度的变化系数为N，N的单位是V/℃；检波器在线性检波区的检波系数为K，K的单位是V/dB；要补偿温度T℃时射频放大链路的增益随温度变化量M*(T-25℃)，需调整得到R1、R2、R3的值，使等式成立，M为射频放大链路增益随温度的变化系数。

进一步的，所述差动积分器包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器U1；所述检波器输出端口通过第四电阻R4与第五电阻R5一端、第六电阻R6一端共点连接；第五电阻R5另一端接地；第六电阻R6另一端接入运算放大器正极输入端；第二电容C2另一端与运算放大器U1接地端同时接地；第四电阻R4、第五电阻R5公共端产生分压信号V₊；温补门限信号V_-通过第七电阻R7接入运算放大器U1负极输入端；所述第二电容跨接在预算放大器正极输入端与接地端之间；第三电容跨接在负极输入端与运算放大器输出端之间；其中要求第七电阻R7与第六电阻R6阻值相等，第二电容C2和第三电容C3容值相等。

当时，V₊<V_-，V_T＝0，自动电平控制环路处于开环状态，电调衰减器的衰减量为最小值；当V_T≥0自动电平环路处于闭环状态，闭环锁定后V₊＝V_-，电调衰减器控制电压将不再变化，衰减量恒定，固态功率放大器的输出功率P_out在输入功率和温度变化条件小都将稳定在额定值

一种固态功率放大器的功率控制电方法包括：

步骤1：当输入信号功率值Pin幅度变化时，通过自动电平控制环路将自动电平控制环路输出功率值P₂稳定在自动电平控制环路输出功率设定值当所述自动电平控制环路输出功率值P2经过限幅器以及射频放大链路后，形成的输出功率Pout稳定在输出功率设定值上；当自动电平控制环路稳定过程中，自动电平控制环路输出电平P₂大于自动电平控制环路输出功率设定值时，通过限幅器防止射频放大链路处于过激励状态；所述限幅器的限幅功率设定值满足所述自动电平控制环路包括电调衰减器、3dB电桥、检波电路、差动积分器以及温补门限电路；

步骤2：输入功率值P_in通过电调衰减器进行衰减后，进入3dB电桥的第一端口；3db电桥将衰减信号分为两个幅度相等的功率值P₂及P₃信号；其中自动电平控制环路输出功率值P₂的信号输出至限幅器，然后通过射频放大链路，形成固态功率放大器的输出功率P_out信号；另外一路P3信号通过检波电路后，形成分压信号V+；温补门限电路对电源进行分压产生温补门限信号V_-；所述分压信号V₊与温补门限信号V_-分别通过差动积分器产生控制信号V_T后，通过控制信号V_T的大小控制电调衰减器的输出信号，使得当输入信号功率值P_in幅度变化时，将输出功率P_out稳定在

温度T℃时，固态功率放大器的输出功率P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃),其中G₀为射频放大链路和限幅器在25℃时的总增益，M为射频放大链路增益随温度的变化系数，单位为dB/℃；当时，自动电平控制环路处于开环状态，P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃)；当时，自动电平环路处于闭环状态， 其中为25℃时自动电平控制环路的输出功率设定值，为工作温度范围内固态功率放大器的输出功率额定值。

进一步的，所述检波电路包括第一电容C1以及检波器U2；所述3db电桥第三端口通过第一电容C1与检波器U2输入端口连接；检波器输出端口与差动积分器输入端口连接。

进一步的，所述温补门限电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1以及电源V_SS；所述第一电阻R1的一端与电源V_SS相连，另一端与第二电阻R2一端、第三电阻R3一端连接；第三电阻R3另一端通过二极管D1接地；第二电阻R2另一端接地。电源通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1分压形成温补门限信号V_-；

其中V_BR为二极管D1在25℃时反向击穿电压V_BR，V_BR的温度的变化系数为N，N的单位是V/℃；检波器在线性检波区的检波系数为K，K的单位是V/dB；要补偿温度T℃时射频放大链路的增益随温度变化量M*(T-25℃)，需调整得到R1、R2、R3的值，使等式成立，M为射频放大链路增益随温度的变化系数。

进一步的，所述差动积分器包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容C2、第三电容C3以及运算放大器U1；所述检波器输出端口通过第四电阻R4与第五电阻R5一端、第六电阻R6一端共点连接；第五电阻R5另一端接地；第六电阻R6另一端接入运算放大器正极输入端；第二电容C2另一端与运算放大器U1接地端同时接地；第四电阻R4、第五电阻R5公共端产生分压信号V₊；温补门限信号V_-通过第七电阻R7接入运算放大器U1负极输入端；所述第二电容跨接在预算放大器正极输入端与接地端之间；第三电容跨接在负极输入端与运算放大器输出端之间；其中要求第七电阻R7与第六电阻R6阻值相等，第二电容C2和第三电容C3容值相等。

当时，V₊<V_-，V_T＝0，自动电平控制环路处于开环状态，电调衰减器的衰减量为最小值；当V_T≥0自动电平环路处于闭环状态，闭环锁定后V₊＝V_-，电调衰减器控制电压将不再变化，衰减量恒定，固态功率放大器的输出功率P_out在输入功率和温度变化条件小都将稳定在额定值

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

传统的自动电平控制环路中，电调衰减器的控制电压V_T主要通过V₊和V_-的差分放大来产生，由于放大倍数有限，检波电压V₊需要高出门限电压V_-一定量值时产生的V_T电压才能使系统闭环锁定，门限电压V_-调试困难；本方案中采用差动积分电路代替差分放大电路，有效解决此问题，门限电平灵敏度大大提高，环路锁定时V₊几乎等于V_-，门限值调试简单。

自动电平控制环路在锁定过程中，输出功率电平P₂可能大大超过锁定后的设定值容易造成射频放大链路的短时过激励。本方案中在自动电平控制环路后在增加限幅器，防止射频放大链路的输入过激励。

限幅器限幅功率的选择范围为限幅器限幅功率的下限值是了保证限幅器的限幅值与实际工作点有一定差值，以防止限幅器引入过大的非线性；限幅器限幅功率的上限值是射频放大器的输入过激励最大值。限幅器限幅功率过小会引起系统线性度的极大恶化，过大将不能起到过激励保护的功能。

传统的固态功率放大器的自动电平控制环路的功率取样通常在射频放大链路之后，虽能补偿射频链路的温度特性，但环路大，电磁兼容差。本方案的功率耦合在射频放大链路前，结构紧凑，整个环路可以单独进行电磁屏蔽且远离射频大功率部分，抗干扰能力大大增强。

经测试，此电路适用于带宽小于10％的连续波固态功率放大器的功率控制。可以实现当输入功率动态变化8dB以上，且温度变化-35℃～+70℃的条件下，保证固态功率放大器的输出功率变化小于0.5dB，三阶交调恶化小于2dBc，固态功率放大器的抗过激励输入功率可达20dBm以上。

射频放大链路的技术指标为：饱和输出功率为连续波51dBm，增益大于60dB；额定输出连续波50dBm，对应的额定输入功率为-5dBm，三阶交调指标为15dBc。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1、是本发明原理框图；

图2、自动电平控制环路原理图；

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、检波器：检波器电源端口Vcc、Vos接电源信号。检波器接地端GND接地。当检波器使能端使能时，输入信号通过检波器输入端口Vin从高频调幅波中检出原调制信号的，并通过检波器输出端口Vout输出原调制信号。

2、Pin为固态功率放大器输入功率；P1为电调衰减器输出功率；P2和P3为3dB电桥输出功率；P4为限幅器输出功率；Pout为固态功率放大器输出功率；Pin加上电调衰减器插入损耗等于P1；P1加上3dB电桥的插入损耗等于P2和P3；P2加上限幅器插入损耗等于P4；P4加上射频放大链路增益等于Pout；

为了验证本发明的正确性，设计了L波段输出功率50dBm的固态功率放大器。样件原理框图如图2所示。

一种固态功率放大器的功率控制电路包括一个自动电平控制环路1以及一个限幅器2。所述自动电平控制环路1包括电调衰减器11，3dB电桥12，检波电路13，差动积分器14；

温补门限电路15。所述检波电路13包括第一电容C1(除此之外还可以包括电阻R8、电容C4、C5)、检波器U2以及电源；

差动积分器14包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，第二电容C2、第三电容C3(除此之外，还可以包括C6、C7)、运算放大器U1以及电源；

所述温补门限电路15包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1以及电源。

固态功率放大器的输入信号Pin接入电调衰减器11的1端口，电调衰减器11的2端口接入3dB电桥12的1端口，3dB电桥12的2端口接入限幅器2，最后接入射频放大链路3的输入端，经过功率放大后输出Pout。

3dB电桥12的3端口通过第一电容C1(还可以加上第五电容C4和匹配电阻R8),接入检波器U2的Vin端；+5V电压通过滤波电容C5接入检波器U2的Vcc端；检波器U2输出端产生的检波信号通过的Vout端输出。

检波器U2的Vout端输出的检波信号通过第四电阻R4、第五电阻R5分压产生信号V₊；第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、二极管D1对电源端进行分压产生温补门限信号V_-。V₊和V_-信号分别通过电阻R6、R7，电容C2、C3接入运算放大器U2的+IN1和-IN1端。运算放大器U2的Vout1端产生的控制信号V_T接入电调衰减器11的控制端3端口。其中 其中V_BR为二极管D1在25℃时反向击穿电压V_BR，V_BR的温度的变化系数为N，N的单位是V/℃；检波器在线性检波区的检波系数为K，K的单位是V/dB；要补偿温度T℃时射频放大链路的增益随温度变化量M*(T-25℃)，需调整得到R1、R2、R3的值，使等式成立，M为射频放大链路增益随温度的变化系数。

所述运算放大器U2采用LM158；所述检波器U1采用LTC5531；所述二极管D1采用肖特基二极管CDC7631。

当温度T℃时，固态功率放大器的输出功率P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃),其中G₀为射频放大链路和限幅器在25℃时的总增益，M为射频放大链路增益随温度的变化系数，单位为dB/℃；当时，自动电平控制环路处于开环状态，P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃)；当时，自动电平环路处于闭环状态， 其中为25℃时自动电平控制环路的输出功率设定值，为工作温度范围内固态功率放大器的输出功率额定值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种固态功率放大器的功率控制电路，其特征在于包括：

自动电平控制环路，用于当输入信号功率值P_in幅度变化时，将自动电平控制环路输出功率值P₂稳定在自动电平控制环路输出功率设定值当所述自动电平控制环路输出功率值P₂经过限幅器以及射频放大链路后，形成的输出功率P_out稳定在输出功率设定值上；

限幅器，用于当自动电平控制环路稳定过程中，自动电平控制环路输出功率值P₂大于自动电平控制环路输出功率设定值时，防止射频放大链路处于过激励输入状态；所述限幅器的限幅功率值满足

所述自动电平控制环路包括电调衰减器、3dB电桥、检波电路、差动积分器以及温补门限电路；所述输入信号功率值P_in通过电调衰减器进行衰减后，进入3dB电桥的第一端口；3db电桥将衰减信号分为两个幅度相等的功率值P₂及P₃信号；其中自动电平控制环路输出功率值P₂的信号输出至限幅器，然后通过射频放大链路，形成固态功率放大器的输出功率P_out信号；另外一路P₃信号通过检波电路后，形成分压信号V₊；温补门限电路对电源进行分压产生温补门限信号V_-；所述分压信号V₊与温补门限信号V_-分别通过差动积分器产生控制信号V_T后，通过控制信号V_T的大小控制电调衰减器的输出信号，使得当输入信号功率值P_in幅度变化时，将输出功率P_out稳定在

温度T℃时，固态功率放大器的输出功率P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃),其中G₀为射频放大链路和限幅器在25℃时的总增益，M为射频放大链路增益随温度的变化系数，单位为dB/℃；当时，自动电平控制环路处于开环状态，P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃)；当时，自动电平控制环路处于闭环状态， 其中为25℃时自动电平控制环路的输出功率设定值，为工作温度范围内固态功率放大器的输出功率设定值；

所述温补门限电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管以及电源；所述第一电阻的一端与电源相连，另一端与第二电阻一端、第三电阻一端连接；第三电阻另一端通过二极管接地；第二电阻另一端接地；电源通过第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管分压形成温补门限信号V_-；

其中V_BR为二极管在25℃时反向击穿电压V_BR，V_BR的温度的变化系数为N，N的单位是V/℃；检波器在线性检波区的检波系数为K，K的单位是V/dB；要补偿温度T℃时射频放大链路的增益随温度变化量M*(T-25℃)，需调整得到R₁、R₂、R₃的值，使等式成立；公式中R₁、R₂、R₃分别是第一电阻、第二电阻以及第三电阻对应的电阻值；所述检波电路包括第一电容以及检波器。

2.根据权利要求1所述的一种固态功率放大器的功率控制电路，其特征在于所述3db电桥第三端口通过第一电容与检波器输入端口连接；检波器输出端口与差动积分器输入端口连接；检波电路输出端输出信号Vout。

3.根据权利要求1所述的一种固态功率放大器的功率控制电路，其特征在于所述差动积分器包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容、第三电容以及运算放大器；所述检波器输出端口通过第四电阻与第五电阻一端、第六电阻一端共点连接；第五电阻另一端接地；第六电阻另一端接入运算放大器正极输入端；第二电容一端与运算放大器接地端同时接地；第四电阻、第五电阻公共端产生分压信号V₊，其中温补门限信号V_-通过第七电阻接入运算放大器负极输入端；所述第二电容跨接在运算放大器正极输入端与接地端之间；第三电容跨接在负极输入端与运算放大器输出端之间；其中要求第七电阻与第六电阻阻值相等，第二电容和第三电容容值相等；

当时，V₊＜V_-，V_T＝0，自动电平控制环路处于开环状态，电调衰减器的衰减量为最小值；当V_T大于0，自动电平控制环路处于闭环状态，闭环锁定后V₊＝V_-，电调衰减器控制电压将不再变化，衰减量恒定，固态功率放大器的输出功率P_out在输入功率和温度变化条件小都将稳定在输出功率设定值

4.一种固态功率放大器的功率控制方法，其特征在于包括：

步骤1：当输入信号功率值P_in幅度变化时，通过自动电平控制环路将自动电平控制环路输出功率值P₂稳定在自动电平控制环路输出功率设定值当所述自动电平控制环路输出功率值P₂经过限幅器以及射频放大链路后，形成的输出功率P_out稳定在输出功率设定值上；当自动电平控制环路稳定过程中，自动电平控制环路输出功率P₂大于自动电平控制环路输出功率设定值时，通过限幅器防止射频放大链路处于过激励状态；所述限幅器的限幅功率设定值满足所述自动电平控制环路包括电调衰减器、3dB电桥、检波电路、差动积分器以及温补门限电路；

步骤2：输入信号功率值P_in通过电调衰减器进行衰减后，进入3dB电桥的第一端口；3db电桥将衰减信号分为两个幅度相等的功率值P₂及P₃信号；其中自动电平控制环路输出功率值P₂的信号输出至限幅器，然后通过射频放大链路，形成固态功率放大器的输出功率P_out信号；另外一路P₃信号通过检波电路后，形成分压信号V₊；温补门限电路对电源进行分压产生温补门限信号V_-；所述分压信号V₊与温补门限信号V_-分别通过差动积分器产生控制信号V_T后，通过控制信号V_T的大小控制电调衰减器的输出信号，使得当输入信号功率值P_in幅度变化时，将输出功率P_out稳定在

温度T℃时，固态功率放大器的输出功率P_out＝P₂+G₀+M*(T-25℃),其中G₀为射频放大链路和限幅器在25℃时的总增益，M为射频放大链路增益随温度的变化系数，单位为dB/℃；当时，自动电平控制环路处于开环状态，P_out＝P₂+C₀+M*(T-25℃)；当时，自动电平控制环路处于闭环状态， 其中为25℃时自动电平控制环路的输出功率设定值，为工作温度范围内固态功率放大器的输出功率设定值；

所述温补门限电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管以及电源；所述第一电阻的一端与电源相连，另一端与第二电阻一端、第三电阻一端连接；第三电阻另一端通过二极管接地；第二电阻另一端接地；电源通过第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管分压形成温补门限信号V_-；

其中V_BR为二极管在25℃时反向击穿电压V_BR，V_BR的温度的变化系数为N，N的单位是V/℃；检波器在线性检波区的检波系数为K，K的单位是V/dB；要补偿温度T℃时射频放大链路的增益随温度变化量M*(T-25℃)，需调整得到R₁、R₂、R₃的值，使等式成立；公式中R₁、R₂、R₃分别是第一电阻、第二电阻以及第三电阻对应的电阻值；所述检波电路包括第一电容以及检波器。

5.根据权利要求4所述的一种固态功率放大器的功率控制方法，其特征在于所述3db电桥第三端口通过第一电容与检波器输入端口连接；检波器输出端口与差动积分器输入端口连接。

6.根据权利要求4所述的一种固态功率放大器的功率控制方法，其特征在于所述差动积分器包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容、第三电容以及运算放大器；所述检波器输出端口通过第四电阻与第五电阻一端、第六电阻一端共点连接；第五电阻另一端接地；第六电阻另一端接入运算放大器正极输入端；第二电容一端与运算放大器接地端同时接地；第四电阻、第五电阻公共端产生分压信号V₊；温补门限信号V_-通过第七电阻接入运算放大器负极输入端；所述第二电容跨接在运算放大器正极输入端与接地端之间；第三电容跨接在负极输入端与运算放大器输出端之间；其中要求第七电阻与第六电阻阻值相等，第二电容和第三电容容值相等；

当时，V₊＜V_-，V_T＝0，自动电平控制环路处于开环状态，电调衰减器的衰减量为最小值；当V_T大于0，自动电平控制环路处于闭环状态，闭环锁定后V₊＝V_-，电调衰减器控制电压将不再变化，衰减量恒定，固态功率放大器的输出功率P_out在输入功率和温度变化条件小都将稳定在输出功率设定值