基于STM 32的GaAs放大器控制系統設計

2018-04-24 07:54:44堯長青華偉何委林魏義鎮

現代計算機 2018年7期

堯長青，華偉，何委林，魏義鎮

（1.四川大學電子信息學院，成都610065；2.中國人民解放軍78111部隊，成都610084）

0 引言

微波輻照在酯化、氧化、取代、加成、縮合、聚合等化學反應[1]，在諸如肺癌A549細胞的凋亡[2]，L-02人肝細胞和IAR20鼠肝細胞的增殖[3]等細胞生長有明顯影響。常用的磁控管和固態功率微波裝置中，磁控管微波功率源存在功率變化非線性和不易實現功率在線調整、測試等問題，以壓控振蕩器（Voltage Controlled Os?cillator，VCO）、多級放大器等器件構建的固態微波源可提供穩定的頻率，功率在線調整。其中，噪聲低、增益高的砷化鎵場效應晶體管（Gallium Arsenide Field Ef?fect Transistor，GaAs FET）常用于設計低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關等[4]。然而，砷化鎵半導體器件要求在供電時，須先有VGS再有VDS，斷電時，須先斷開VDS再斷開VGS，否則GaAs功率放大器將被燒毀[5]。本文參照文獻[6]的電路設計，給出了一種按指定順序提供電壓的控制電路確保GaAs FET放大器的安全，并控制放大器在連續波、脈沖波狀態下工作的電路設計方案。根據推動功率放大器GaAs晶體管的需求，采用STM32F系列芯片對放大器的工作狀態進行控制。測試結果表明，采用電路和算法相結合的控制方法，可以有效檢測上電故障，達到保障上電和控制放大器工作狀態的作用。

1 電路結構

本文設計的GaAs放大器控制系統主要由硬件和軟件兩部分構成，硬件電路主要是控制電路和采用Cortex-M3內核的STM32微控制器[7]，軟件部分主要負責控制放大器工作狀態、打開或關閉控制電路?？傮w結構框圖如圖1所示，-5V電源直接給放大器供電，但是+12V電源通過控制電路給放大器供電；控制電路為一常斷開關，在接收到STM32的+3.3V控制電壓后閉合，+12V電壓給放大器供電，放大器開始工作。STM32必須滿足兩個條件才給出控制電壓：一是給放大器供電的-5V電壓必須存在，二是接到可以給出控制電壓的命令，二者缺一不可。

圖1 GaAs放大器控制系統結構框圖

2 硬件設計

MOSFET（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管）是一種常用的電壓控制晶體管，適合做開關[8]。不同型號的GaAs功率放大器需要的電流從零點幾A到數A不等，考慮到通用型和富余度，本文選用能承受電流、功率適合的IXTP26P20PMOSFET管，其ID為-26A，適用于裝置中驅動微波射頻功率放大器；三極管選用實驗室常用、性能穩定的MMBT2222A。

設計的上電順序控制電路如圖2所示，其輸出端子X1向放大器提供+12V電源，X2接直流電源+12V，X3為STM32的控制電壓輸出端，可以提供+3.3V電壓，X4為+5V電壓，X5接-5V電壓。其工作原理為當X3處電壓為0V（低電平）或者X5處電壓為-5V時，VT2不導通，Q1不工作，X1處電壓為0V；當X3處電壓為+3.3V且X5處為-5V時，VT1、VT2導通，Q1開始工作，X1處輸出電壓從低電平提高為+12V。STM32通過提供+3.3V電壓控制GaAs FET+12V電壓的上電和斷電。當需要連續波時，X3處持續加載+3.3V且X5處持續加載-5V；當需要脈沖時，X5處持續加載-5V，X3處由STM32給出脈沖信號，通過控制信號的時間長短來確定脈沖信號的周期和占空比。圖3給出了設計電路的PCB圖。

圖2 控制電路原理圖

電路仿真波形和RIGOLDS2202示波器顯示的實測5Hz、占空比50%控制波形的比較，如圖4所示，當端口X3、X4均為高電平時，X1輸出高電平；當X3為高電平、X4為低電平或者X3為低電平、X4為高電平時，X1輸出低電平，電路的性能滿足上電和斷電順序要求。

圖3 控制電路PCB圖

圖4 電路仿真波形和實測波形圖

在放大電路加電順序正確的前提下，輸入2.45GHz、19.80dBm的連續波，經過GaAs功率放大器，再經30dB衰減器接入DSA1030A頻譜分析儀測試其輸出功率為2.53dBm，如圖5所示。放大器輸出的信號實際功率32.53dBm，工作正常。

利用如圖6左邊框圖的電路，測試當GaAs放大器脈沖工作特性。STM32輸出重復頻率為10KHz占空比為20%的控制信號，連續波輸入的2.45GHz信號，在經過放大器后，下變頻到10 MHz的波形，在RIGOL DS2202示波器上得到的測試波形，如圖6所示，說明設計的控制電路可以提供脈沖放大作用。

圖5 連續RF信號經過GaAs功率放大器前后的頻譜

圖6 脈沖調制的RF信號的波形

3 軟件設計

STM32控制上電與斷電電路的工作流程如下：當設備總電源開關打開時，-5V電壓加載到GaAs放大器的柵極（Gate）。當控制程序參數初始化設置完畢，檢測-5V電壓存在，延時0.5s后提供+3.3V控制電壓，上電控制電路MOSFET導通，向GaAs放大器提供+12V電壓。當總電源開關關閉時，STM32芯片及其輸出的控制電壓立即中斷，放大器的漏極+12V電壓（Drain）斷開；放大器的柵極并聯了一個大電容，總電源斷電后，電容提供-5V電壓，直至電能耗盡；當需要人為中斷工作時，由STM32中斷控制電壓，放大器的+12V電壓首先中斷，放大器停止工作。STM32通過+3.3V電壓控制了放大器+12V電壓的開和關，實現了放大器上電、斷電順序的控制。

當需要連續波時，控制電路持續為放大器供電；當需要脈沖時，STM32通過控制PWM輸出脈沖寬度和占空比，控制+12V電壓的通斷，從而實現控制GaAs放大器脈沖放大的作用。

放大器可工作于連續放大、脈沖放大、先連續波再脈沖波輸出、先脈沖波再連續波輸出等模式。連續放大模式如圖7所示，首先選擇連續波模式，設置連續放大工作時長Tc，延時0.5秒后，STM32立即給出+3.3V控制電壓，放大器開始工作。當計數器時間與設置的工作時間Tc相等時，STM32 PWM波輸出低電平，放大器停止工作。

脈沖放大模式的控制流程如圖8所示，首先選擇脈沖放大模式，設置脈沖工作時長Tp，設置脈沖放大的周期 Tt（Tt＜Tp）、占空比 a（0＜a＜1），在一個周期 Tt內，STM32先給出Tt*a時間的+3.3V控制電壓，再給出Tt*（1-a）時間的0V電壓，累計工作時長Tp。

先連續放大后脈沖放大模式工作流程如圖9所示，首先設置總工作時長Tz，再設置連續波工作時長Tc（0＜Tc＜Tz），爾后設置脈沖波的工作時長 Tp、周期 Tt（2Tt＜（Tz-Tc））、占空比 a（a＜1），STM32 分別輸出 Tc時間的控制電壓，再給出Tp時間的脈沖控制電壓。先脈沖波后連續波模式工作流程如圖10所示，工作流程與圖9類似，參數設置完后，STM32先給出Tp時長的脈沖控制電壓，再給出Tc時長的持續控制電壓。

4 結語

本文設計的由電路和STM32組成的控制系統，與文獻[6]相比增加了軟件檢測功能，通過GaAs射頻功率放大器上電、斷電順序的控制和上電時間的控制，實現了脈沖、連續放大功能。放大器可工作于連續放大、脈沖放大、先連續放大后脈沖放大、先脈沖放大后連續放大等四種模式，能檢測-5V的Vgs是否存在，確保放大器安全工作。通過實測表明系統監測能力強、穩定性高，方便與其他電路集成，具有較好的普適性。