功率放大器主控制电路设计

杨志方，李咏梅 （武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉430205）

1 系统功能要求

射频功率放大器系统是各种无线发射机的重要组成部分［1］。在发射机的前级电路中，调制震荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大、缓冲、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去［2］。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。笔者详细介绍了一种射频功率放大器主控制电路的设计方案，其系统框图如图1所示。

图1 功率放大器的主控系统框图

该系统要完成如下任务：

（1）完成系统的各种报警，这些报警主要是通过相关传感器来检测功放的输出功率、温度、电流等模拟量，然后将这些模拟量送入单片机，经过A／D转换后，再与各报警门限值进行比较，并判断是否需要报警。最后单片机对各采样信号进行处理并将功放的当前状态以电平的形式上报给基站系统。这种设计的优点是很多功能可以通过软件来完成，设计起来很灵活，在保证功放性能的情况下成本相对较低。

（2）对于放大器的电流和温度报警要考虑误动作的可能。因此，要求连续采样10次，并去掉其中的最大值与最小值，然后取平均得到最终的电流或温度值，再与门限值进行比较，最终实现准确的告警功能。

（3）采用RS485通信方式与收发信机（Transreceiver，TRX）系统通信，将上述采集到的报警信息上报给系统，并且系统可以通过相应指令关断或开启功放，以此实现系统对功率放大器状态的远程实时监控。

2 系统硬件设计

根据放大器的功能要求，设计了以ADUC7020单片机为CPU的控制系统，负责管理该放大器的所有工作。下面依次探讨各模块的工作原理。

2.1 功率检测

功放输出功率通过30dB耦合度的微带线耦合器输出到功率检波电路的射频输入端［3］，通过对数检波器将耦合过来的射频功率转换为模拟电压输出。然后作为一个运算放大器的输入，经由运算放大器调整到需要的斜率，滤波后送入MCU中进行处理。在检波电路设计过程中的关键点是：

（1）检波器电路能够检测的功率范围应大于要求的检波功率范围。检波精度的设计：在功放的额定输出为44.75dBm （注：30dBm＝10lg（1W））时，规范要求检测精度为±0.5dB。输出经过30dB的耦合后进入π衰电路。由于LT5534在常温时输入功率在－50～－10dBm内其检测精度能保证在±0.5dB以内，检波器LT5534的输入为－10dBm，保证了额定输出功率的精度为±0.5dB以内。

（2）检波器的高低温特性应满足输出功率要求。通过检波器的选型来保证其高低温特性满足要求。LT5534在900M时输出随温度漂移的典型值为0.008dB／℃，因此常温到高温 （25～80℃）时漂移为：（80－25）＊0.008＝0.44dB，从常温到低温 （25～－10℃）时漂移为：（25－ （－10））＊0.008＝0.28dB，在±0.5dB以内，满足要求。

2.2 温度检测

功放的温度检测是由放置在需要监测的关键节点处的温度传感器DS600将温度值转换为模拟电压的形式输出，经运算放大器滤波后送入MCU进行处理。温度检测电路设计的关键点：

（1）系统要求功放工作的环境温度范围是0～60℃。当环境温度为60℃时，在正常散热条件下，功放输出为额定功率，腔体内部的温度会比环境温度高20～30℃［4］。考虑到功放输出最大功率时腔体温度比输出额定功率时高，因此温度检测范围为－10～80℃。

（2）对温度斜率的处理可在传感器的输出电压后加一个2倍压电路，温度斜率K＝6.45＊2＝12.9mV／℃。

2.3 电流检测

电流检测的目的是检测末级功放管消耗的电流，通过电流取样电阻将电流转换为取样电压，再将取样电压经过电流传感器输出最终的电流检测电压，将其处理后送给MCU进行处理，与设定的电流报警阈值相比较。同时需根据末级功放管不损坏的情况下能承受的最大电流设定电流报警门限。电流检测电路设计的关键点：

（1）电流检测范围的确定，可根据以下几个方面来确定：① 静态电流。静态电流是指功放处于就绪状态，功放的栅极和漏极供电电压正常，在输入端没有加信号的情况下功放消耗的电流：IS＝60W／48V＝1.25A，其中60W为功放处于就绪状态时系统允许消耗的最大功率。48V为系统提供的电源最大电压。②输出额定功率 （40W）时的电流IE＝200W／48V＝4.2A，其中200W为功放输出40W功率时系统允许消耗的最大功率。③输出最大功率 （79W）时电流IM＝250W／25＝10A，其中250W为功放过冲时消耗的最大功率。25V为系统提供的电源最小电压值。

另外考虑到报警门限电流应大于功放输出最大功率时的电流［5］，也就是电流的检测范围是1～10A。

（2）报警门限的确定。过电流报警的目的主要是防止末级功放管由于输入功率过大超出了功放管所能承受的最大功率而导致功放管烧毁［6］。因此设定过流报警的电流门限值为10A。

3 系统软件设计方案

系统软件设计采用模块化程序设计方法，使模块间的调用层次清晰，有利于调试、修改和维护。主程序负责管理整个程序，包括初始化、调用子模块及协调他们之间的关系等。系统的功能模块包括：系统初始化模块、Flash读写模块、A／D转换模块、中断服务模块、取数和调试功能模块。

3.1 主程序流程图

主程序流程图如图2所示，其主要工作是进行模块的初始化。系统硬件初始化主要实现的功能有单片机端口初始化和功能寄存器初始化，初始化的单片机内部硬件模块有：串口发送和接收器、定时器0、AD转换模块等。

数据初始值的初始化主要包括：输出功率取样点的值初始化，各种状态标志的初始化，栅压数据的初始化等。

Flash操作模块主要是对Flash中存放的数据进行读取，然后根据数据的有效性判断系统进入何种模式 （运行模式或取数调试模式）。

3.2 主循环工作流程图

图3为主循环的工作流程图。主要工作是清看门狗，A／D采集处理并对功放的工作状态进行判断，进入相应的服务模式［7］。

A／D数据采集模块所做的工作为：在所有采样通道都完成1个循环 （对于每个通道采样8次然后进行平均，为1次“AD过程”得到的采样值；连续10次“AD过程”为一个循环）的AD采样后，将采样到的各种数据进行一次数字滤波［8－9］。

图2 主流程图

图3 主循环流程图

3.3 中断服务程序流程图

图4为中断服务程序流程图。主要工作是响应TRX系统发出的同步信号，并进行RS485通信处理。它所需完成的功能如下：① 及时响应同步信号；② 进行RS485通信服务；③进行定时服务。

根据系统设计要求，功率放大器在接收到TRX以差分形式给出的同步信号后，最小30μs以后会收到TRX的3个字节的信息。最小60μs以后要求功率放大器对（N－2）时刻的查询进行回应（假设当前为N时刻）。如果在30μs以内没有收到任何指令，则主动上报功率放大器的状态信息。“RS485通信服务模块”具有以下作用：①依据同步要求，进行RS485指令的接收；②如果接收到客户RS485信息，需进行信息检验和指令解析，从而进行相应的回复；③如果接收到内部RS485信息，需进行指令解析，从而进行相应的操作和回复。

图4 中断服务程序流程图

为了增加系统的抗干扰性，使用了看门狗，使程序在跑飞时能复位［10］。

4 结 语

笔者采用ADUC7020单片机设计了一个通用的功率放大器主控制电路，该控制电路成功的完成了对功率、电压、电流和温度等模拟量的采集，并通过RS485通信反馈给TRX系统，实现了对功率放大器的实时监控，极大的节省了人力资源，也为功放故障的排查提供了方便。过去大多采用可调电阻为各功放管提供偏置电压，而笔者采用单片机为各功放管提供偏置栅压，使得产品实现自动化生产，节约大量人力成本，并减少了人为错误造成的故障，对于更复杂的功放项目具有借鉴意义。

［1］Peter B.Kensington.High linearity RF Amplifier Design ［M］.London：Artech House Publishers，2000：501－502.

［2］Steve C.Cripps.RF Power Amplifiers for Wireless Communications ［M］.Second Edition.London：Artech House Publishers，1999：5－6.

［3］张玉霞，张洪立，肖军鹏，等 .前馈功放线性化技术 ［J］.遥测遥控，2005，26（1）：58－61.

［4］李浩模 .通信用线性功率放大器的进展 ［J］.半导体情报，2001，38 （1）：5－7.

［5］Jeong.Linearizing principles on principles on high power amplifier ［M］.Chonju：Chonbuk National University，2004：43－46.

［6］Joel Vuolevi，Timo Rahkonen.Distortion in RF power amplifiers ［M］.London：Artech House，2003：1－2.

［7］赵明洪，王敏锡，陈凯亚，等 .高效率线性功率放大器设计 ［J］.电子技术应用，2010（1）：95－98.

［8］高吉祥，王彦，朱卫华，等 .高频电子线路 ［M］.北京：电子工业出版社，2005：13－14.

［9］Cripps Steve C.Advanced techniques in RF power amplifier design ［M］.London：Artech House，2002：2－7.

［10］公茂法，马宝甫，孙晨晨 .单片机人机接口实例集 ［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1998：32－33.