一种频率和功率可调的固态微波功率源

赵发定，黄 钟

（四川师范大学物理与电子工程学院，成都 610066）

无线能量传输WPT（wireless power transfer）是通过微波波束在两点间进行能量的无线传输[1-3]。无线能量传输能实现远距离非接触式供电，也能实现“一发多收”的电能传输，从而减少了线路使用，具有安全、可靠等特点，已在军事和民用等领域展开了广泛的研究[1，4]。微波功率源MPS（microwave power source）作为WPT 系统的关键部件，对WPT 系统输出功率/效率具有决定性作用[5]。

现有大功率微波源主要由磁控管[6]、行波管和微波固态器件[7-9]等构成。磁控管直流-微波转换效率高，输出功率一般可达上百瓦，但具有输出带宽窄、使用寿命有限和可靠性差等缺点，在无线能量传输/环境能量收集实验中灵活性较差。文献[6]中设计了一套基于磁控管的S 波段大功率窄带随机信号源，中心频率为2.46 GHz 时，平均输出功率达到1.4 kW，直流-微波转换效率超过70%，但输出信号带宽较窄，且需专门的电源供电，工作电压可达上千伏。微波固态器件构成的MPS 具有使用寿命长、可靠性高和易于集成等优势。文献[7]中设计了一款2.45 GHz 微波大功率信号源，由锁相环、数控衰减器、驱动放大器、低通滤波器和功率放大器等器件组成，可输出频率为2.45 GHz 的连续波，最大输出功率可达39.8 dBm，适用于频点固定的WPT系统。但随着无线能量传输系统的不断发展，宽功率动态范围和宽频率动态范围的无线能量传输系统受到越来越多研究机构和学者的关注[10-11]，为开展宽功率动态范围和宽频率动态范围的无线能量传输系统研究，设计一套频率和功率可调的固态微波功率源具有重要应用价值。

本文提出的输出信号频率和功率可调固态MPS 由AC-DC 模块、频综、可变增益放大器、驱动放大器、末级功率放大器、输出功率检测模块、控制模块和显示模块构成，与文献[7]相比，本文放大链路各器件均具有宽带特性，可获得较宽的输出信号频率。该MPS 利用单片机控制频综对频率进行调节，其输出频率可调范围为0.7～2.8 GHz，带内频率偏移量＜105 ppm。其输出功率调节采用反馈调节方式，功率检测单元实时检测输出功率，并与设置功率进行比较，当设置功率与测量功率不相等时，单片机调节可变增益放大器，使输出功率与设置功率一致，输出功率调节范围为20.0～39.5 dBm，输出功率误差小于等于0.5 dB。现有信号源输出功率通常小于1 W，难以为输入功率超过1 W 的整流电路提供输入信号[12]，本文设计的微波功率源可用于WPT系统，也可作为微波功率源给高功率宽带整流电路提供输入信号，测试整流电路的性能。

1 固态微波功率源原理及系统架构

无线能量传输系统由微波功率源、发射天线/阵列、接收天线/阵列、整流电路和负载电阻构成[1，5]，其系统结构如图1 所示，图中：ηDC-RF为微波功率源转换效率；ηtx为天线辐射效率；ηair为电磁波空间传输效率；ηrx为天线接收效率；ηRF-DC为整流效率。MPS将直流变成微波信号，并由发射天线辐射到空间，是无线能量传输系统的能量源，因此微波功率源在无线能量传输系统中具有举足轻重的作用。

图1 无线能量传输系统Fig.1 WPT system

本文设计的MPS 采用频综锁相环PLL（phase locked loop）产生微波信号，然后经可变增益放大器VGA（variable-gain amplifier）、驱动放大器DPA（driver power amplifier）、末级功率放大器PA（power amplifier）对微波信号进行放大，其中，单片机MCU（microcontroller unit）可控制PLL 和VGA，使输出信号频率和功率可调。其系统架构如图2（a）所示，由PLL、VGA、DPA、PA、输出功率检测模块、控制模块、键盘输入和LCD 显示模块构成，系统电源由AC-DC模块（220 VAC-15 VDC，输出功率75 W）提供。

图2 MPS 系统结构及链路预算Fig.2 Structure of MPS system and link budget

本文设计的可调微波功率源频综采用ADI 公司的ADF4356，具有体积小、易于调试和抗干扰性能好等优点，MPS 中MCU 选用ST 的STM32F107，ADF4356 有SPI 接口，可直接与STM32F107 单片机通信。ADF4356 输出频率范围为53～6 800 MHz，最大输出功率为5 dBm，功率与频率由MCU 控制。

VGA 采用MACOM 公司的MAAM-011100，具有体积小、使用简单和操作频率范围宽等优点，MAAM-011100 增益控制电压范围为-2～0 V，增益变化范围为30 dB，饱和输出功率为18 dBm，线性增益为9 dB，其控制电压由MCU、DAC 和OPA 产生，MCU 输出8 bits 控制信号为0x00-0xFF，经DAC（MAX 5100）转换后输出电压为0～3.3 V（DAC工作电压为3.3 V），然后通过OPA（ADA4666-2）将0～3.3 V 电压转换为-2～0 V。

末级PA 为MACOM 公司的GaN 功率放大器MAAP-010168，具有输入电压低（漏极电压VD=10 V，栅极电压VG=-0.7 V）、操作频率范围宽以及输入输出内置50 Ω 匹配等优点，MAAP-010168驱动放大器功率增益为20 dB，工作频率范围为0.5～3.0 GHz。由于MAAP-010168 功率放大器需要20 dBm 的前级驱动功率，而PLL+VGA 的最大输出功率为14 dBm，不足以驱动MAAP-010168，使其输出功率大于39 dBm，因此需增加驱动放大器。驱动放大器采用ADI 的HMC465LP5，其增益为15 dB，频率范围为DC-6 GHz，饱和输出功率为24 dBm（≤MAAP-010168 的最大输入功率），漏极电压VD=8 V，第一级放大器栅极电压VG1=-1.6 V，第二级放大器栅极电压VG2=1.5 V。

为检测末级PA 输出功率，本设计采用双定向耦合器耦合输出功率，耦合器采用Mini-Circuit 公司的BDCH-35-272，其操作频率范围为0.7～2.7 GHz，插入损耗为0.2 dB，耦合度为35 dB，功率容量为150 W。耦合器耦合端输出功率经检波器转换为直流电压信号，检波器采用ADI 公司的HMC713LP3E检波器，工作频率范围为DC-6 GHz，输入功率范围为-60～10 dBm，检波器输出电压与输出功率满足线性关系，检波器输出电压与输入功率可表示为v=kPcop+b，v 为输出电压，Pcop为耦合功率，k 为检波器输出电压随输入功率变化率，由于放大器、耦合器的增益和损耗不是恒定值，因此k 需分频段进行校正，输出电压v 经MCU 的ADC 转换获得，然后经MCU 计算获得微波功率源输出功率。LCD 用于显示输入信号频率、功率和微波功率源实测输出功率。4×4 矩阵键盘用于设置MPS 输出信号频率和功率。MPS 器件型号及参数如表1 所示。

表1 MPS 器件型号及参数Tab.1 Types and parameters of MPS components

2 微波功率源各模块电路设计

2.1 频综电路设计

PLL 内部集成压控振荡器VCO（voltage controlled oscillator），具有频率稳定性高、调节方便等优点，在射频微波领域被广泛应用。其中环路带宽和相位裕度是影响PLL 性能的两个关键参数，环路带宽与环路滤波器密切相关。环路滤波器是一种低通滤波器，用于滤除来自PLL 中鉴相器输出电压信号的高频成分和噪声分量，得到一个稳定的控制电压去控制压控振荡器的输出频率。环路滤波器的环路带宽与参考频率、相位频率检测器PFD（phase frequency detector）相位噪声呈正比关系，与VCO 的相位噪声、锁定时间和分辨率呈反比关系。环路滤波器采用ADI 提供的ADIsimPLL 仿真软件进行仿真设计，本文设计的PLL 电路需满足如下技术指标：输出信号频率范围为0.7～3.0 GHz；频率间隔为40 kHz；相位噪声小于-90 dBc/Hz@10 kHz 和-135 dBc/Hz@1 MHz；参考频率源为122.88 MHz。经仿真获得环路滤波器结构及各参数如图3（a）所示。图中，CPout为ADF 4356 电荷泵输出；VTUNE为VCO 控制输入。

图3 PLL 环路滤波器和VGA 增益控制电路Fig.3 Loop filter of PLL and gain control circuit of VGA

ADF4356 的输出频率计算公式为

式中：fPFD为鉴相频率；REFOUT为VCO 输出频率，经1/2/4/8/16/32/64 分频电路分频后的信号为PLL 输出；INT 是二进制16 位计数器的预设分频比，4/5预分频器取值范围为23～65 535；FRAC 取值为0 至MOD-1；MOD是预设的小数模数。

2.2 VGA 增益控制电路设计

由表1 可知，MAAM-011100 的增益控制电压为-2～0 V。传统DAC 模块输出电压为正，为满足VGA 控制电压需求，本文采用OPA 将正电压转换为负电压以控制VGA 增益。因此在ADC 输出采用了一个OPA，将ADC 的正电压转换为负电压，VGA增益控制电路如图3（b）所示。MAX5100 的供电电压为3.3 V，当MCU 输出8 bits 控制信号为0xFF时，输出电压为3.3 V，MCU 输出信号为0x00 时，输出电压为0。经计算获得OPA 的电阻满足R1/R2=1.65（R1=3.3 kΩ，R2=2 kΩ）。

2.3 驱动放大器偏置电路设计

射频RF（radio frequency）和微波放大器在特定偏置条件下可提供最佳性能[12-13]，偏置点所确定的静态电流会影响线性度和效率等关键性能指标。虽然某些放大器是自偏置，但许多器件需外部偏置并使用多个电源，这些电源的时序需加以适当控制以使器件安全工作。驱动放大器采用HMC456LP5，其上电和断电必须满足时序，上电时序如下：

（1）器件接电到地；

（2）将VGG1设置为-2 V；

（3）将VD设置为8 V；

（4）将VGG2设置为1.5 V；

（5）提高VGG1以实现160 mA 典型静态电流；

（6）施加射频信号。

断电时序与上电时序相反。本文驱动放大器的时序控制电路采用ADI 公司的有源偏置控制器HMC980LP4E，该有源偏置控制器将低压差稳压器、电荷泵、电压时序控制和保护电路集成在一起，与分立式偏置方案相比较，有源偏置控制器消除了多个IC 和外部器件，因而占用PCB 面积更小。HMC980LP4E 可自动调节外部放大器栅极电压实现恒定偏置电流，能提供漏极偏置电压为5.0～16.5 V，最大电流为1.6 A。

2.4 末级功率放大器上电时序电路设计

根据2.3 节所述可知，末级功率放大器MAAP-010168 上电也需满足时序，步骤如下：

（1）将栅极偏置电压VG设置为-0.7 V；

（2）将漏极偏置电压VD设置为10 V；

（3）施加射频信号。

断电时序与上电时序相反。MAAP-010168 为低电压高电流功率放大器，有源偏置控制器提供的偏置电流通常小于2 A，难以满足设计要求，因此本文末级功率放大器偏置电路采用分立式偏置电路结构。漏极电源采用DC/DC 电源芯片LT3840，最大输出电流可达20 A，其输出电压为10 V，输出电流满足MAAP-010168 工作要求。栅极电源采用LDO，为MAAP-010168 提供-0.7 V 的栅极电压。为满足上电/断电时序，本文通过MCU 控制LT3840的使能引脚实现。上电后，功率源初始状态的末级功率放大器栅极电压VG=-0.7 V，LT3840 使能引脚为低电平，末级功率放大器漏极电压VD=0，打开射频开关后使能LT3840，末级功率放大器漏极电压VD=10 V。

3 微波功率源散热器热仿真

宽带固态微波功率放大器能量转换效率低，末级功率放大器最大功率附加效率为30%。为保证固态微波功率源稳定可靠工作，选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统十分必要[10]。经ANSYS 仿真优化获得散热器尺寸为225 mm×114 mm×20 mm，散热器肋片高为18 mm，肋片厚度为1 mm，肋间距为2 mm，模型如图4（a）所示。散热器材料为铝，功率放大器与散热器接触面经过导热硅脂接触，通过仿真获得散热器表面温度分布如图4（b）所示，最高温度为60 ℃。

图4 MPS 散热器结构及热仿真结果Fig.4 Structure of heat sink in MPS and its thermal simulation result

4 微波功率源程序设计

微波功率源程序流程如图5 所示，其具体步骤如下。

图5 微波功率源程序流程Fig.5 Flow chart of program for MPS

（1）程序初始化。初始化LCD、4×4 矩阵键盘、PLL 输出频率、VGA 控制信号（初始状态的VGA 配置电压为-2 V）、PA 上电时序控制。

（2）频率配置。输入频率范围为700～2 800 MHz，输入频率后，按“#”号键，完成频率配置，如果输入频率范围不在[700，2800]，LCD 显示“error”，频率设置报错后，需重新输入满足要求的频率值。

（3）功率配置。输入功率范围为20.0～39.5 dBm，输入功率后，按“D”号键，完成功率配置，检波器检测末级PA 的输出功率，并与设置功率进行比较。当输出功率小于设置功率，降低VGA 控制电压，从而增加VGA 的输出功率，使末级PA 输出功率等于设置功率；当输出功率大于设置功率时，增加VGA 控制电压，从而降低VGA 的输出功率，使末级PA 输出功率等于设置功率。

5 微波功率源实验测试

5.1 版图设计

本文功率放大电路采用的基片为RO4350，其介电常数为3.55，损耗角正切因子为0.034，基片厚度为0.508 mm，铜皮厚度为0.07 mm。放大电路布线时，由于MAAP-010168 漏极电流最大值达到6 A，为确保PA 稳定可靠工作，需考虑PCB 走线的载流能力，根据经验可知铜皮厚度为0.07 mm、线宽度为2.5 mm 时，可承载6 A 电流。因此布线时，MAAP-010168 漏极电源线宽设计为2.5 mm。为使耗材的阻抗较小且缩短信号的传输路径，射频信号线需阻抗控制，射频信号线阻抗为50 Ω，通过ADS 的LineCalc 工具计算获得50 Ω 阻抗线宽为0.93 mm。设计的功率放大器电路PCB 如图6（a）所示，功率放大器实物如图6（b）所示。

图6 MPS 中放大电路PCB 及实物Fig.6 PCB of power amplifier circuit in MPS and photo of specimen

微波功率源中电源电路和控制电路采用的基片为FR4，其中电源电路为4 层PCB，控制电路为2 层PCB，各电路实物分别如图7（a）和（b）所示。

图7 MPS 中电源和控制电路实物Fig.7 Specimens of power source circuit and control circuit in MPS

5.2 测试结果

本文设计的MPS 各模块集成在一个28 cm×19 cm×10 cm 的机箱中，其输出采用SMA 接口，首先采用示波器测量了MPS 末级功放上电时序，上电时序测试结果如图8 所示。

图8 MAAP-010168 上电时序Fig.8 MAAP-010168 power-on sequence

由图8 可见，MPS 上电后，栅极偏置电压先达到-0.7 V 后，漏极偏置电压开始上升，并逐步达到10 V，满足MAAP-010168 的上电时序要求。

然后，对MPS 输出信号频率和功率进行测量，为防止MPS 信号过大对测量设备造成损坏，MPS 输出信号经过40 dB 衰减器衰减后分别采用功率计和频谱仪测量功率和频率，最大输出功率随频率的变化如图9 所示。在0.7～2.7 GHz 频率范围内，MPS 各频点最大输出功率为39.5 dBm，误差小于±0.5 dB。为计算MPS 系统效率，采用数字电源为MPS 工作供电，由数字电源电压与电流获得MPS 总功耗，从而计算获得MPS 的DC-RF 效率为20%。

图9 MPS 最大输出功率Fig.9 Maximum output power from MPS

测量设定频率与实际输出信号频率如表2 所示，由表2 可知，输出信号频率范围为0.7～2.7 GHz，最大频率偏移量小于102 ppm。与磁控管构成的MPS 相比，本文设计的MPS 虽然效率和输出功率远小于磁控管构成的MPS，但其工作电压、尺寸与带宽远大于磁控管构成的MPS[6]。

表2 频率测量结果Tab.2 Frequency measurement results

6 结语

本文设计了一套频率和功率可调节的微波功率源，采用反馈调节进行输出功率控制，具有程序复杂度低、操作简单和精度高等优点。通过对该固态微波功率源进行热仿真，确保设计的固态微波功率源工作稳定可靠。最后对本文设计的固态微波功率源进行了系统测试，测试结果表明，其可调频率范围为0.7～2.7 GHz，可调节功率范围为20.0～39.5 dBm，最大频偏小于105 ppm，输出功率误差不超过0.5 dBm。该微波功率源的设计在无线能量传输/环境能量收集实验研究中，具有一定的应用价值，且可为后续高功率微波功率源的研究与设计提供指导。