一种宽频带大动态AGC电路设计

毛云山，尉旭波

(电子科技大学 电子科学与工程学院,四川 成都 611731)

在现代无线通信技术中，软件无线电、GPS(全球定位系统)、移动电视、移动通信、助听器等，在绝大多数场景下接收机与辐射源的距离是不确定的。并且电波传播过程中由于各种建筑物的阻挡，形成多径效应，使得接收机天线感应到的有用信号强度随机变化。在这种情况下，为了保证A/D转换的动态范围及信号带宽，要求电路能提供一个具有足够大动态范围，高灵敏度和大带宽的放大功能。通常，为满足动态范围的要求，在接收机模拟前端需要设计自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)电路[1]。传统的AGC电路通常工作在小于100 MHz的中频部分，但是随着科学技术的发展，特别是在物联网的概念提出以后，A/D转换器可以处理的频率越来越高。为了简化射频前端电路，无需把外部信号变换到很低频率即可进行采样，因此需要使用工作在较高频率下的自动增益电路。但是目前针对该领域的研究还相对较少[2-6]。

由于受器件性能等因素影响，AGC电路较难同时满足带宽、动态范围和线性等技术指标。本文利用ADI公司开发的宽带VGA(Voltage-controlled Gain Amplifier)ADL5330和对数放大器AD8318设计了电路结构简单、体积小、使用频率范围广、使用频率高、动态范围大的设计性能优良的AGC电路。

1 技术指标及设计方案

文中项目技术指标要求如下：输入射频频率为2 GHz±100 MHz，输入射频功率为-90～-10 dBm，输出功率-20±1 dBm，输出三阶交调截点为45 dBm。针对以上指标，本设计的AGC电路基本结构如图1所示。外部信号经过预选滤波后，进入放大预处理单元，然后经过压控增益放大，进入耦合器，耦合器将信号一分为二[7]。主路信号输出给末级放大滤波；耦合信号通过窄带滤波器滤除近端杂波和噪底干扰后，对数放大器将信号功率值(dBm)转化为线性变化的模拟电压值(Vout)；此电压值反馈回压控增益放大器(VGA)，实现了对主放大电路的负反馈控制，可保证信号在接收动态范围内以恒定功率输出。末级放大单元的设置则是为了保证AGC电路的输出线性。

图1 宽频带大动态AGC电路基本结构Figure 1. Basic structure of wideband large dynamic AGC circuit

2 硬件电路设计与实现

2.1 滤波电路设计

前端预选滤波单元主要滤除带外干扰杂波信号。本设计为了简化电路，预选滤波器使用Minicircuit公司的LTCC封装高低通滤波器组合成带通滤波器。该滤波器带外抑制为40 dB，能够滤除绝大多数干扰信号，提高AGC电路的抗干扰能力。

对于AGC电路，关键部分就是反馈环路。提高反馈环路的检波精度及其抗干扰能力是提高AGC性能的关键[8]。接收机的信号基底噪声[1]的计算式为

Ft=k[Ta+Te]+10logB

(1)

式中，Ta为接收天线电阻的等效噪声温度，Te为接收机的等效噪声温度；B为系统分析带宽。

由式(1)可得，当Ta、T0均为290 K时，基底噪声[9]的计算方法如式(2)所示。

Ft=-174+NF+10logB

(2)

随着5G时代的到来，无线通信朝着宽带通信快速发展，对接收机各部分电路的宽带要求越来越高。对于AGC电路，直接反馈宽带信号会抬高躁底，影响功率检测。所以，在不改变接收系统中频带宽的前提下，对反馈回路中的信号先进行一次滤波处理，消除基底噪声及信号的近端杂波干扰，然后进行功率检测反馈，这样可以提高检波准确度，进而提高AGC输出准确度。因此，设计耦合之后的滤波单元采用声表滤波器，将耦合检测带宽缩窄来解决宽带接收的大动态、抗干扰等问题。滤波器的中心频率2 GHz，3 dB带宽5 MHz，插入损耗<3 dB，带外抑制>40 dB。

末级滤波单元主要针滤除信号的谐波，文中的设计采用LTCC低通滤波，对主信号的谐波抑制大于40 dB。

2.2 压控增益放大电路设计

针对此项目的指标要求，输入输出频率较高为2 GHz。本设计采用Analog Devices公司(ADI)的ADL5330[8]。其频率范围10～3 000 MHz，最大增益达到22 dB，具有56 dB的增益调节范围，增益调节步进0.5 dB。在满增益条件下，它的输出三阶交调能够达到31 dBm，是一款性能优良的可变增益中频放大器，其典型电路如图2所示[10]。

图2 ADL5330典型电路图Figure 2. Diagram of ADL5330 typical circuit

本设计指标要求动态范围80 dB，单级只能有约56 dB(-34～22 dB)的动态范围，所以采用两级ADL5330级联，中间加一差分滤波器滤除谐杂波，提高输入信号纯度。

2.3 AGC环路设计

本设计的核心部分是AGC反馈回路，包括电阻耦合器、窄带声表滤波器和对数放大器[11-13]。AGC环路工作的关键就是将输出RF的样本反馈回检波器。为了降低成本，本设计采用电阻耦合作为反馈方式。

本设计采用的对数放大器是AD8318，是一款1 MHz～8 GHz精密解调对数放大器，提供较大的检波范围(60 dB)，温度稳定性为±0.5 dB[14]。AD8318可以应用于8 GHz以下的中频电路系统，检波动态范围是70 dB (-65～5 dBm)，检波系数为-24 mV·dB-1，截距为19.6 dBm，电压输出范围为0.4～2 V。

此部分电路的具体做法是将RF信号的耦合分量反馈至AD8318。AD8318的Vout连接至ADL5330的Gain引脚，至此反馈环路完成。其工作原理为：预先设定点电压施加于检波器AD8318的Vset输入，检波器根据此电压与反馈的信号作比较，给出一个控制电压给ADL5330，令其放大或者衰减，直至使得检波器的输入信号电平与设定点电压之间达到适当平衡。通过调节Vset电压调节AGC电路输出稳定的功率值[15]。需要注意的是，ADL5330的电压Vout的范围为0 V至接近VPSx，需要使用电阻分压器按比例缩小AD8318的输出电压，以便与ADL5330的0 ～1.4 V增益控制范围接口相匹配。耦合器部分利用一个23 dB的耦合器，让所需的VGA最大输出功率与AD8318线性工作范围的上限(在1 900 MHz时约为-5 dBm)相匹配。

本设计要求输入功率为-90～-10 dBm，输出功率为-20±1 dBm。两级ADL5330的增益只有40 dB左右，无法实现从-90 dBm放大至-20 dBm，故必须外加放大器提高增益。由此分配AGC电路输出稳定功率为-35 dBm，实测此时Vset电压约为1.4 V，利用分压电阻调节Vset电压，灵活调节AGC电路输出。与此同时，在AGC前面加入一放大器，将输入信号功率提升至-75～+5 dBm，这样加上两级ADL5330的增益就能使得最小功率-90 dBm的小信号放大至-35 dBm。

电阻耦合器[2]的电路结构如图3所示。本次电路中设计的耦合量为20 dB，即Port3-Port1=-20 dB。利用微波电路仿真工具Microwave Office计算得到，当R1=220 Ω，R2=56 Ω时，耦合电路可以满足指标要求，得到的S参数仿真曲线如图4所示。从图中可以看出，该电路耦合量约为20 dB，插入损耗约为0.8 dB，加上声表滤波器的3 dB插损，耦合支路共有23 dB损耗，可以匹配AD8318的线性工作范围上限。

图3 电阻耦合器的电路结构图Figure 3. The circuit structure diagram of resistance coupler

图4 电阻耦合器的仿真曲线图Figure 4. The simulation curve of resistance coupler

2.4 其他电路设计

本设计采用线性稳压电源ADP125进行供电，输出放大器采用ADL5611[16]。此放大器增益平坦，频率范围合适，线性高。本设计采用ADI公司的对数放大器AD8318实现对数检波功能。

3 电路测试及分析

为验证此方案的实际性能，根据上述方案设计的AGC电路板如图5所示。

图5 AGC电路板Figure 5. The circuit board of AGC

本次测试实验采用信号源(依爱AV1464B)为AGC电路提供输入信号，频谱分析仪(Agilent N9010A)作为输出信号分析设备。

实验中，Vset电压调至AGC电路的基准输出功率P0为-35 dBm。利用信号源输出功率的变化及频谱仪显示AGC电路输出，测试AGC电路在2 GHz附近的动态范围，得到的测试结果如表1所示。

表1 动态范围性能测试结果

由测试结果看出，当输入信号从10 dBm逐渐减小到-90 dBm时，输出信号均能稳定在-20±1 dBm以内，该电路的动态范围约为100 dB(输入功率范围约为-90～10 dBm)，输出信号的功率误差在1 dB之内。功率再往上增大时，输入放大器会压缩饱和，此时谐波比较大。输入功率衰减到-95 dBm时，AGC已经不能够锁定了，从链路增益上来看已经超出了链路最大增益72 dB。在动态范围内，AGC电路的增益大小随输入功率呈线性变化趋势，输出信号功率保持不变。当输入信号功率超出动态范围时，AGC电路保持最大(最小)增益，输出信号功率随输入信号线性变化。

上述分析表明，本设计的AGC电路方案在频率为2 GHz时的动态范围仍有100 dB，并且利用窄带耦合能够有效地降低近端杂波和基底噪声对电路性能的影响，是一种宽带大动态AGC电路的解决方案。该电路方案可以根据频率范围及功率范围灵活更换滤波器及放大器，但是总体架构及核心器件仍可沿用，既可独立使用，也容易集成于接收系统中。

4 结束语

本文介绍了一种适用频率较高的宽频带大动态AGC电路。在AGC电路输入输出级加入滤波放大单元，保证了信号纯度，提高了AGC电路的抗干扰性能。文中采用两级VGA级联的方式扩大AGC电路的动态范围，通过采用对AGC电路耦合信号窄带滤波，解决了AGC电路对宽带信号功率检测不准的问题。本设计应用频段可达2 GHz，且该电路具有频带宽、动态范围大、灵活性强、抗干扰等优点，具有很好的应用前景。在下一步研究中，可以精简器件，往小型化、低功耗、可重构等方向延伸，进一步提高适用性，使其能够应用在无线通信系统、移动终端设备、雷达系统等多种场合中。