功率放大器主控制電路設計

楊志方，李詠梅 （武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢430205）

1 系統功能要求

射頻功率放大器系統是各種無線發射機的重要組成部分［1］。在發射機的前級電路中，調制震蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大、緩沖、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去［2］。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。筆者詳細介紹了一種射頻功率放大器主控制電路的設計方案，其系統框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器的主控系統框圖

該系統要完成如下任務：

（1）完成系統的各種報警，這些報警主要是通過相關傳感器來檢測功放的輸出功率、溫度、電流等模擬量，然后將這些模擬量送入單片機，經過A／D轉換后，再與各報警門限值進行比較，并判斷是否需要報警。最后單片機對各采樣信號進行處理并將功放的當前狀態以電平的形式上報給基站系統。這種設計的優點是很多功能可以通過軟件來完成，設計起來很靈活，在保證功放性能的情況下成本相對較低。

（2）對于放大器的電流和溫度報警要考慮誤動作的可能。因此，要求連續采樣10次，并去掉其中的最大值與最小值，然后取平均得到最終的電流或溫度值，再與門限值進行比較，最終實現準確的告警功能。

（3）采用RS485通信方式與收發信機（Transreceiver，TRX）系統通信，將上述采集到的報警信息上報給系統，并且系統可以通過相應指令關斷或開啟功放，以此實現系統對功率放大器狀態的遠程實時監控。

2 系統硬件設計

根據放大器的功能要求，設計了以ADUC7020單片機為CPU的控制系統，負責管理該放大器的所有工作。下面依次探討各模塊的工作原理。

2.1 功率檢測

功放輸出功率通過30dB耦合度的微帶線耦合器輸出到功率檢波電路的射頻輸入端［3］，通過對數檢波器將耦合過來的射頻功率轉換為模擬電壓輸出。然后作為一個運算放大器的輸入，經由運算放大器調整到需要的斜率，濾波后送入MCU中進行處理。在檢波電路設計過程中的關鍵點是：

（1）檢波器電路能夠檢測的功率范圍應大于要求的檢波功率范圍。檢波精度的設計：在功放的額定輸出為44.75dBm （注：30dBm＝10lg（1W））時，規范要求檢測精度為±0.5dB。輸出經過30dB的耦合后進入π衰電路。由于LT5534在常溫時輸入功率在－50～－10dBm內其檢測精度能保證在±0.5dB以內，檢波器LT5534的輸入為－10dBm，保證了額定輸出功率的精度為±0.5dB以內。

（2）檢波器的高低溫特性應滿足輸出功率要求。通過檢波器的選型來保證其高低溫特性滿足要求。LT5534在900M時輸出隨溫度漂移的典型值為0.008dB／℃，因此常溫到高溫 （25～80℃）時漂移為：（80－25）＊0.008＝0.44dB，從常溫到低溫 （25～－10℃）時漂移為：（25－ （－10））＊0.008＝0.28dB，在±0.5dB以內，滿足要求。

2.2 溫度檢測

功放的溫度檢測是由放置在需要監測的關鍵節點處的溫度傳感器DS600將溫度值轉換為模擬電壓的形式輸出，經運算放大器濾波后送入MCU進行處理。溫度檢測電路設計的關鍵點：

（1）系統要求功放工作的環境溫度范圍是0～60℃。當環境溫度為60℃時，在正常散熱條件下，功放輸出為額定功率，腔體內部的溫度會比環境溫度高20～30℃［4］。考慮到功放輸出最大功率時腔體溫度比輸出額定功率時高，因此溫度檢測范圍為－10～80℃。

（2）對溫度斜率的處理可在傳感器的輸出電壓后加一個2倍壓電路，溫度斜率K＝6.45＊2＝12.9mV／℃。

2.3 電流檢測

電流檢測的目的是檢測末級功放管消耗的電流，通過電流取樣電阻將電流轉換為取樣電壓，再將取樣電壓經過電流傳感器輸出最終的電流檢測電壓，將其處理后送給MCU進行處理，與設定的電流報警閾值相比較。同時需根據末級功放管不損壞的情況下能承受的最大電流設定電流報警門限。電流檢測電路設計的關鍵點：

（1）電流檢測范圍的確定，可根據以下幾個方面來確定：① 靜態電流。靜態電流是指功放處于就緒狀態，功放的柵極和漏極供電電壓正常，在輸入端沒有加信號的情況下功放消耗的電流：IS＝60W／48V＝1.25A，其中60W為功放處于就緒狀態時系統允許消耗的最大功率。48V為系統提供的電源最大電壓。②輸出額定功率 （40W）時的電流IE＝200W／48V＝4.2A，其中200W為功放輸出40W功率時系統允許消耗的最大功率。③輸出最大功率 （79W）時電流IM＝250W／25＝10A，其中250W為功放過沖時消耗的最大功率。25V為系統提供的電源最小電壓值。

另外考慮到報警門限電流應大于功放輸出最大功率時的電流［5］，也就是電流的檢測范圍是1～10A。

（2）報警門限的確定。過電流報警的目的主要是防止末級功放管由于輸入功率過大超出了功放管所能承受的最大功率而導致功放管燒毀［6］。因此設定過流報警的電流門限值為10A。

3 系統軟件設計方案

系統軟件設計采用模塊化程序設計方法，使模塊間的調用層次清晰，有利于調試、修改和維護。主程序負責管理整個程序，包括初始化、調用子模塊及協調他們之間的關系等。系統的功能模塊包括：系統初始化模塊、Flash讀寫模塊、A／D轉換模塊、中斷服務模塊、取數和調試功能模塊。

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖2所示，其主要工作是進行模塊的初始化。系統硬件初始化主要實現的功能有單片機端口初始化和功能寄存器初始化，初始化的單片機內部硬件模塊有：串口發送和接收器、定時器0、AD轉換模塊等。

數據初始值的初始化主要包括：輸出功率取樣點的值初始化，各種狀態標志的初始化，柵壓數據的初始化等。

Flash操作模塊主要是對Flash中存放的數據進行讀取，然后根據數據的有效性判斷系統進入何種模式 （運行模式或取數調試模式）。

3.2 主循環工作流程圖

圖3為主循環的工作流程圖。主要工作是清看門狗，A／D采集處理并對功放的工作狀態進行判斷，進入相應的服務模式［7］。

A／D數據采集模塊所做的工作為：在所有采樣通道都完成1個循環 （對于每個通道采樣8次然后進行平均，為1次“AD過程”得到的采樣值；連續10次“AD過程”為一個循環）的AD采樣后，將采樣到的各種數據進行一次數字濾波［8－9］。

圖2 主流程圖

圖3 主循環流程圖

3.3 中斷服務程序流程圖

圖4為中斷服務程序流程圖。主要工作是響應TRX系統發出的同步信號，并進行RS485通信處理。它所需完成的功能如下：① 及時響應同步信號；② 進行RS485通信服務；③進行定時服務。

根據系統設計要求，功率放大器在接收到TRX以差分形式給出的同步信號后，最小30μs以后會收到TRX的3個字節的信息。最小60μs以后要求功率放大器對（N－2）時刻的查詢進行回應（假設當前為N時刻）。如果在30μs以內沒有收到任何指令，則主動上報功率放大器的狀態信息。“RS485通信服務模塊”具有以下作用：①依據同步要求，進行RS485指令的接收；②如果接收到客戶RS485信息，需進行信息檢驗和指令解析，從而進行相應的回復；③如果接收到內部RS485信息，需進行指令解析，從而進行相應的操作和回復。

圖4 中斷服務程序流程圖

為了增加系統的抗干擾性，使用了看門狗，使程序在跑飛時能復位［10］。

4 結 語

筆者采用ADUC7020單片機設計了一個通用的功率放大器主控制電路，該控制電路成功的完成了對功率、電壓、電流和溫度等模擬量的采集，并通過RS485通信反饋給TRX系統，實現了對功率放大器的實時監控，極大的節省了人力資源，也為功放故障的排查提供了方便。過去大多采用可調電阻為各功放管提供偏置電壓，而筆者采用單片機為各功放管提供偏置柵壓，使得產品實現自動化生產，節約大量人力成本，并減少了人為錯誤造成的故障，對于更復雜的功放項目具有借鑒意義。

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