一种具备前端馈电及电流监测的功放模块

白昀初

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

在射频和微波系统中，放大电路是最基本和广泛存在的微波电路之一，功率放大器被广泛应用于电子对抗、卫星通信、移动通信、导航、雷达系统以及各种电子装备中，具有相当重要的地位。在电路应用中，除了对功放提出基本的增益等要求外，往往受到使用条件限制或附加其他要求，也要根据总体需求变更调整电路，在设计时均需考虑在内。

本文设计的功放模块的要求为：使用频段为10 ～90 MHz，具备向前端馈电的功能，以及对射频前端及功放自身的电流监测功能，在带宽内10 MHz 为步进的频点具备50 dB 以上的增益，具备高于30 dB 的谐波抑制。同时也给出使用条件，经过有源前端后功放模块的最大输入功率为-60 dBm。输入接口为有源前端馈电及功放模块提供共两路的供电输入、一路射频输入，输出接口为两路检测电流输出和射频输出。

综合设计要求，功放模块的设计从功能上可分为有源前端馈电及放大电路，并在电路中对两部分电路分割以确保互不干扰。

1 原理与设计

1.1 有源前端馈电电路设计

在雷达天线阵面中，往往需要天线后的接收机系统具有尽可能低的噪声系数。受空间限制，天线与接收组件间会通过一段较长的射频线缆连接，集成较为复杂。在应用中可在天线后先设计一个包含低噪声放大器的有源前端，再通过线缆将信号传输至后端再放大，这就使得总体的噪声系数减小了线缆损耗。为节省空间及减少线缆数量，将线缆作为信号传输，也作为有源前端的馈电输入，是一种降低天线阵面噪声系数的解决方案。

根据系统对电流监测功能的要求，本文所设计的电流检测电路是基于株洲宏达的XCA4001 型高精度电流检测芯片实现的。该芯片包括一个电流检测放大器和一个高速比较器，电流检测放大器能够准确通过采样电阻（Rsense）两端的电压来检测电流，通过增益为100 V/V 的放大器在OUT 端输出检测电流，原理图如图1 所示。XCA4001 可采用5 V 单电源供电。系统供电为12 V，有源前端同样需要12 V，而所选取的电流检测芯片供电电压为5 V，需要进行一次稳压。稳压选用北京半导体五厂的一款CW78M05MZ 型LDO，在输入电压最大达40 V 时，输出电压为5 V，保证在向XCA4001供电的同时使其不会因供电端的异常而损坏。

图1 电流检测芯片原理图

因受输入输出接口数量限制，模块中无法使用控制芯片，仅能输出检测电流以供后端数字部分进行电路控制与保护设计。设计思路为：功放模块的两路供电均由外部电源模块提供，该电源模块由计算机控制，在数字部分设置比较器，能够快速地检测电流超出电流阈值的情况，并允许系统采取纠正措施以防止潜在组件或系统的损坏一旦出现过流状况，自动切断电流，以达到保护功放的目的。

为防止向有源前端流入的电信号向后流入射频部分，需在向前供电端与进入后端放大的滤波器间使用隔直电容。不同容值的电容，其自谐振频率不同。在自谐振频率处，电容的容抗最小；低于自谐振频率，电容工作在容性状态；高于自谐振频率，电容工作在感性状态。理论上电容越大越好，可是实际中随电容的增加，会产生电感和漏电（电阻），从而影响幅频特性。因此，电容以频段够用为原则。隔直电容应选择电容自谐振频率略大于信号频率边界值90 MHz，本文选择容值为1 000 pF 的电容作为隔直电容。

电感具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，在电流监测芯片电路与放大电路间串联合适的电感，防止电流监测电路可能产生的信号对后端放大电路的影响。与电容的使用情况类似，工作频率低于谐振频率时，电感值基本保持稳定；工作频率超过谐振频率时，电感值将会先增大，一定频率后，又迅速减小。应选择谐振频率点高于工作频率的电感，这里最终选用0.1 μH 的电感。

1.2 放大电路设计

射频链路要求具备40 dB 以上的增益，因为此模块并非接收链路的第一级放大，因此并未对噪声系数指标加以限制。可使用表面贴装的两级放大器级联的方式，并在链路中增加三级π 型电阻衰减网络（π 衰），计算所需的衰减量后就近选择实际存在的标称阻值，用以调整增益及饱和输出功率。本文选用MAR-8ASM 型放大器芯片搭建放大电路和有源前端馈电电路中使用CW78M05MZ 型LDO 和XCA4001 型高精度电流检测芯片。放大器芯片原理如图2 所示。

图2 放大器芯片原理图

芯片手册未提及电感值及电容值的选取，这就需要根据芯片使用频段及作用结合工程经验进行选取。电路中电感起阻止交流电通过的隔离作用，Lbias选用10 μH 的电感。并联电容Cbypass作用为旁路滤波，可选用1 μF。

1.3 系统电路设计

结合有源前端馈电电路及放大电路，得到最终的电路原理图如图3 所示。

图3 功放模块电路原理图

图中：N1 和N6 为稳压芯片；N2 和N7 为电流监测芯片；N3 和N8 分别为输入端和输出端的滤波器芯片；N4 和N5 为功率放大器芯片。对模块增益进行链路预算：最大输入功率为-60 dBm 时两级放大器芯片均未饱和，模块输入端连接器插入损耗-0.5 dB，第一级滤波器插入损耗-1 dB，第一级π 衰-1 dB，第一级放大器增益31.5 dB，第二级π 衰-3 dB，第二级放大器增益31.5 dB，第三级π 衰-1 dB，第二级滤波器插入损耗-1 dB，模块输出端连接器插入损耗-0.5 dB，链路总增益预计在54 dB，放大器在100 MHz 时拥有31.5 dB 的最大增益，在10 ～90 MHz 增益指标会有一定下降。实际应用中器件的指标会存在一定浮动，器件的插入损耗也是预估值，外围电路的选取，微波板的板材和板厚，装配过程引入的误差都会影响实际指标，这也是射频电路设计中留有余量的必要性。

2 模块实测结果及问题排查

根据原理图在尽可能小的空间结构内布板设计，在两部分电路间增加减重槽，在减小重量的同时隔离电路，加工后进行装配，得到功放模块。

2.1 自激的产生及消除

模块的设计过程是在设计、调试过程中不断完善的。模块加工完成后，对模块的放大电路进行单独加电测试，并未有异常现象。再加上有源前端馈电电路后，在仅对模块加电且射频信号未输入时频谱仪上出现特定频率段信号的输出。问题定位到有源前端馈电部分的电流检测芯片周围，推测是外围电路元件选取不合理与芯片内放大电路形成反馈回路产生自激，如图4 所示。

图4 电路自激信号

经排查电路原理，设计阶段中，有源前端馈电选用的串联电感为18 nH，多适用于S 波段及以上的放大电路，在低频段往往选择具有更高电感值的串联电感元件，可以实现更好的滤波效果。此外，品质因数也会对滤波效果产生影响，品质因数越大，滤波效果越好，大电感的品质因数往往更大。将原先使用的18 nH 更换为0.1 μH 后，自激信号消除。如图5 所示，在20 MHz 信号右侧的40 MHz 波瓣为放大器的二次谐波，因模块所在的频带为9 倍频程，二次谐波基本都在带内，无法通过滤波器滤除，但也在高于30 dB 的谐波抑制的要求范围内，模块性能良好。

图5 二次谐波测试结果

2.2 模块测试记录

在要求的10 ～90 MHz 带宽内用矢量网络分析仪对增益指标进行测试，达到“增益＞50 dB”的设计要求，功放模块实物及增益测试结果如图6 所示。

图6 功放模块增益测试图

在模块正常工作时用万用表测量检测放大电路监测电流输出端的电压，如图7所示，用公式计算流经放大电路的电流。

图7 放大电路监测电压输出

采样电阻Rsense为0.05 Ω，通过该换算公式计算，得到流经放大电路的电流为0.076 A，后端数字模块可根据实际工作电流设置过流阈值，在高于过流阈值的情况下立刻切断电源，实现对有源前端馈电及放大电路的保护。

3 结 语

将线缆作为信号传输，也作为有源前端的馈电输入是一种降低天线阵面噪声系数的方案，在节省空间的同时减少线缆数量。功率放大器是电路中比较容易损坏的器件，在设计电路时，如何对电路的电压或电流进行监测具有重要意义。本文面向实际工程需要，搭建了一种具备前端馈电及电流监测的放大电路，介绍了该方案的电路原理与具体设计，以及外围电路诸如阻容感的选取，并通过频谱仪、矢量网络分析仪、万用表等仪器测试验证了电路的可行性。电路结构简单、通用性强，且增益可通过链路中的π 衰调节，可扩展应用于DC 至1 000 MHz 的宽带内。