矢量网络分析仪中自动电平控制系统设计

中国电子科技集团公司第四十一研究所 王 星



矢量网络分析仪中自动电平控制系统设计

中国电子科技集团公司第四十一研究所 王 星

【摘要】现代电子测量仪器对于源功率的指标要求越来越高，本文介绍了自动电平控制（ALC）技术的原理，并设计了应用于矢量网络分析仪的自动电平控制系统，在100kHz-8.5GHz的宽频带范围内平坦度为±2dB，稳幅范围为-15dBm - +10dBm。

【关键词】ALC环路；检波；衰减器；积分求和

引言

电子信息技术的飞速发展，市场对于矢量网络分析仪的功能和性能指标提出了更高的要求，其中功率输出的范围、平坦度越来越引起人们的重视，而自动电平控制（ALC）技术广泛应用于功率控制中。本文的ALC电路用于矢量网络分析仪的功率稳幅控制，在100kHz-8.5GHz的频带范围内信号平坦度为±2dB，稳幅范围为-15dBm - +10dBm。

1　ALC工作原理

ALC系统原理框图如图1所示：

图1　ALC系统原理

RF射频信号输入到压控衰减器，经过放大器放大后，由功分电路分为两路，一路作为射频输出，另一路进入检波电路，检出的电压经过对数放大后进行积分求和，最后通过对压控衰减器的控制形成反馈环路，达到控制信号稳定输出的目的。

当输入信号变化时，经过功分后进入检波的信号也发生变化，检波输出的信号与DAC预置信号不再相等，通过积分求和电路产生的控制电压就会相应变化，从而调节衰减器保证输出功率的稳定。

2　关键电路的设计

整个稳幅环路主要由线性衰减器，功率放大器，检波电路等几部分组成。

2.1衰减器的设计

本文选择了Hittite公司的HMC346LP3E，该压控衰减器内部自带参考衰减器，通过外围运放可实现一路0--3V的控制电压的精确控制，工作带宽为DC-14GHz，动态范围可以达到30dB。

设计的原理图如图2所示：

图2　衰减器设计

V1，V2为两路互补的控制电压，I为驱动电流输入端。衰减器通过调节V2使I端往衰减器看的阻抗保持在500Ω，从而调节衰减器的阻抗保持在50Ω，保证整个带宽内的阻抗匹配特性。由于两路控制电压均要求为负电压，所以设计中在运放输出端及负向输入端加入门槛电压约为0.6V的二极管，运放正极输入电压约为-0.56V，当运放输出由负电压增大到0V时，二极管导通，电路通过负反馈减小输出端电压，保证V2一直是负偏置。

2.2RF放大电路设计

射频放大电路的目的是为射频信号提供足够的增益，本文中ALC环路的输入信号功率在0dBm左右，为满足在100kHz-8.5GHz的宽带内实现-15dBm - +10dBm的功率调节，考虑到射频通路上衰减器、通路电容等的插损，特别是要保证高频有足够的功率输出，至少需要两级放大器。

前级放大器选用了RFMD公司的NBB-310放大器，该器件可以在DC-12GHz的带宽内实现大于10dB的增益，同时偏置电路简单，带宽内增益平坦度较好。后一级放大器本文选择了Hittite公司的HMC788，它可以在DC-10GHz的频率范围内实现不低于12dB的增益，同时1dB压缩点达到+20dBm，保证整个环路输出时没有压缩，两级放大器中间为匹配网络，整个设计如图3所示。

RF信号经过C32耦合输入，C32、C36为隔直电容，由于工作频段比较宽，为保证整个频段有较好的响应，在放大器的偏置供电端选用了高频电感和低频电感相串联，其中L24、L29为直流电阻比较大的电感，L25-L28选择BLM18系列的铁氧体磁珠来抑制高频信号在偏置供电电路上的传输，两级放大器的接地很重要，在设计中要保证放大器周围有大面积的接地。

图3　ALC环路中的放大电路设计

图4　检波二极管的等效电路

2.3功分与检波电路设计

本文采用电阻功分方式将射频功率信号按比例分一部分到检波电路，这种功分方式简单实用，经过功分器后，信号插损在3dB左右。

检波器的功能是将不同频率信号的功率转换为直流电压，是整个ALC工作环路的核心部分。本文的检波器采用低势垒肖特基二极管设计，等效电路［1］如图4所示。其中，Rs为半导体体电阻，Lp、Cp分别为封装带来的寄生电感和电容，Rj和Cj是与偏置有关的结电阻和结电容。

二极管的检波电流与电压的关系［2］为：

本文选用了Aeroflex公司的MSS20，046-0805-2检波二极管，工作频率最高达到20GHz，整个设计如图5所示：

图5　功分检波电路设计

检波后的滤波接地十分重要，要尽量大面积接地，同时二极管后的滤波要尽可能接近检波二极管，这样才可以减小干扰。

3　实验结果

整板采用6层板设计，板厚1.6mm，顶层和底层采用Rogers的 RO4003C板材，实验结果如下：表1为ALC稳幅后的功率平坦度，可以看到平坦度在±3dB以内，图6为5GHz时功率扫描时的曲线，稳幅范围在-15dBm - +10dBm。

表1　功率平坦度测试记录

图6　功率扫描范围测量

4　结束语

本文提出了一种基于ALC的功率稳幅方案，可在100kHz-8.5GHz宽频带范围内实现功率的准确控制，对关键电路进行了分析和设计，实验结果表明设计性能良好，达到指标要求。目前该设计已用于某款矢量网络分析仪中。

参考文献

［1］［美］Matthew M.Radmanesh，顾继慧，李鸣 译.射频与微波电子学［M］.电子工业出版社，2012，1.

［2］康华光.电子技术基础（模拟部分）［M］.高等教育出版社，1999，6.

Design of ALC for Vector Network Analyzer

Wang Xing

（The 41st Research Institute of CETC，Shandong Qingdao 266555）

Keywords：ALC；Detector；Attenuator；Integrating and summation circuit

Abstract：Many electronic test instruments call for more requirements of the output power of the frequency synthesizer；this paper introduced the theory of automatic level control technology（ALC），and a design of ALC for Vector Network Analyzer；In the operation frequency band from 100kHz to 8.5GHz，this ALC can realizes the specification of±1dB power flatness and its output power is-15dBm to +10dBm.