矢量信号发生器中ALC环路的设计
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摘要：矢量信号发生器作为一种通用测试仪器，在现代电子技术研发及测试中有着广泛的应用，alc环路作为信号源的输出模块更是必不可少，它对信号源输出信号功率的稳定、分辨率及可变范围起着决定性的作用。文章介绍了一种可用于PXI模块化的信号源的输出自动电平控制方案，它有可控性好，功率电平可稳定范围宽，分辨率高，集成度高，占用体积小等优点。
关键词：矢量信号发生器；ALC环路；PXI；检波器；Analog VVA
中图分类号：TM461文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0142-03
ALC（Auto Level Control，自动电平控制）的作用是当输入信号电平在较大范围内变化时，输出电平保持恒定不变，即当输入信号功率很不稳定或者有较大变化时，经过ALC环路稳幅后，输出信号的功率值都会稳定在一个相对恒定的幅度值上。为保证整机输出功率的稳定，在输出通道上ALC环路的设计至关重要。传统的ALC环路多采用分立元件组成，设计复杂、电路庞大、设计成本高、各种补偿繁琐，而本文设计的ALC稳幅环路结构简单，性价比高，调试也简单，软件可控性好，特别适合于像PXI （PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展） 这种对体积要求严格的仪器应用，而其指标也能达到当前矢量信号源的要求。本文所设计的这款电路主要用于信号源后端输出，可满足带宽为DC~3000MHz射频信号稳幅输出要求，同时具有30dB动态范围、最大输出功率可满足+15dBm的功能。此外，在输入功率恒定不变的情况下，该方案还可以用FPGA/CPLD对ALC环路进行控制，来实现输出功率在预定范围内的精确（0.1dB步进）输出。
一、ALC环路的基本原理
ALC环路框图如图1所示。该环路由压控衰减器、RF放大电路、功分及检波电路、求和积分运放电路和参数预置等几部分组成，它们构成负反馈环路。
RF射频信号输入到压控衰减器，经RF射频放大电路放大，由功分电路将部分功率分配到检波器，然后检波器输出的检波电压再与参考预置电压进行求和积分运算，形成的控制电压去调节压控衰减器的衰减量，组成一个负反馈环路，使微波信号功率恒定输出。
当ALC环路处于稳定状态时，检波电压等于预置电压，加在压控衰减器上的控制电压保持不变，RF输出功率稳定；若因某种原因导致输入功率变大，则检波电压跟着变大，经求和积分运算电路后控制电压发生变化，使衰减器的衰减量加大，从而使输出功率变小，并最终与变化之前的预置功率相等；反之，若输入功率变小，ALC环路也会自动调节让衰减器的衰减量减小，从而使RF输出功率与预置功率保持一致。整个环路的稳定过程是一个动态的自我调节过程，只要输入功率的波动范围不超过ALC环路的可调节范围，它都可以使输出功率稳定在一个预定的值，故称其为自动电平控制。为保证整机输出功率稳定不变，ALC取样电路应尽可能的设置得靠近整机输出端，对本方案而言，由于后级可以采用数控衰减器来增加系统的输出功率可调节范围，所以是很适用的。
二、关键电路设计
（一）衰减器的设计
衰减器的控制方式有Analog和Digital两种，前者适合于控制信号连续变化使衰减量连续可调，可形成闭环控制系统，如ALC；后者多用于通过控制命令使衰减量固定变化，当前数控衰减器的step可以低至0.25dB，而衰减范围也很大，控制方式也很灵活，多用于ALC环路的后级扩展功率变化范围。
压控衰减器（Voltage Variable Attenuator）我们选择Hittite公司的HMC346型，它是单片微波集成芯片，有几种不同的封装，可以根据具体需要进行选择，占用面积都非常小，在此选择HMC346MS8G，它在DC~8GHz的频段内可实现32dB的动态衰减范围，并且具有衰减随控制电压近乎线性变化，很低的相移，优异的输入输出驻波，很低的插入损耗（1.5dB Typical）等特点，所以满足该方案的要求。
HMC346MS8G的功能框图如图2所示，它是8脚的SMT封装，两路控制电压满足互补关系，V1增加时V2减少，I的主要功能是为VVA提供驱动电流，为简化为单线控制并保持输入输出50Ω的特性阻抗，笔者在此结合Hittite的应用文档，设计了实用的衰减电路，具体电路如图3所示。它在V2与I之间接入了自动补偿运放，确保只用V1就可以控制衰减器工作，由于控制电压都是0~-3V，所以用二极管D1起保护作用。
（二）RF放大电路的设计
RF放大电路的作用是为ALC环路的射频通道提供足够大的增益，在考虑各级的插损后应和压控衰减器的衰减范围匹配，从而使输出功率可以在预定的范围内可调。为了使整个方案结构简单并且满足DC~3000MHz的宽带要求，我们选择用单片微波集成功放（MMIC AMPLIFIER）来搭建放大电路，由于它的偏置电路简单，可以节省很大的空间，而且在整个频带内增益平坦，噪声系数也很低，所以也可以很好的保证信号的纯度。
假设本方案的输入功率在0dBm，为了在输出端有最大+15dBm的输出功率，整个放大电路提供的增益应有15dB，再算上各级的插入损耗，我们拟定设计25dB以上的增益，为此，整个放大电路可以由两级放大组成，中间为匹配网络，其组成原理图如图4所示，功放芯片都选自Hittite公司，前级为HMC311ST89，它在DC~6GHz频带内有16dB的增益，P1dB Output Power为+15.5dBm，Output IP3为+31.5dBm，且供电电流仅需54mA；后级功放的1dB压缩点应大于+15dBm，为此选择HMC481MP86，它在DC~4GHz频带内有大于14dB的增益，P1dB Output Power为+20dBm，Output IP3为+33dBm。值得注意的是，为了实现宽带范围内的功率放大，在实际应用中应引入反馈进行频率补偿并且对偏置电路进行优化。
（三）功分和检波电路的设计
功分和检波电路的作用是把射频通路上的信号功率分配出一部分供检波器使用，然后检波器输出检波电压供后级处理。其工作原理图如图5所示，功分器用电阻搭建而成，因而不用占用太大的空间便可与检波器实现检波功能，检波器也是选用Hittite公司的，HMC610LP4在DC～3.9GHz的频段内有±1dB的检波精度，检波功率范围可以从-60dBm到+15dBm，在75dB的检波范围内具有很好的线性度，可以工作在差分和单端模式，其RMS（Root-Mean-Square）输出直流电压范围在0～+3V。本方案采用了单端输入模式，经调试功分器将输出功率衰减了20dB后送入检波器，从检波器出来的检波电压也与datasheet上的数据相吻合。
（四）控制电压的处理
控制电压处理电路的原理图如图6所示，由ALC环路的工作原理知，当功率稳定时，检波电压等于参考预置电压VREF，这个电路的作用就是使检波电压跟随预置电压，形成控制电压送给衰减器的V1端。第一级为差分放大，第二级为积分，第三级是为了满足HMC346的0～-3V的控制电压而做的求和放大。设计这个电路的关键是要使整个环路形成负反馈，否则，环路无法稳定，也不能输出任何预定功率值，所以认真考虑好各级的极性，确定出合适的元件值显得尤为重要。另外，选用精密的，低输入失调电压，低温漂的运放也会提高控制精度，降低系统噪声。
在这个电路中，VREF和V_BIAS可以通过FPGA/CPLD从两路DAC输入控制，由于VREF的值决定了最终输出功率的值，而检波电压也是可连续变化的，所以VREF的精度和步进就决定了输出功率可变化的最小步进，因此如果选用12位的DAC，假如参考电压为3V，则VREF的步进为：
又因为检波器的检波功率对检波电压的斜率（Logarithmic Slope）约为37mV/dB，所以输出功率在理论上的最小步进可以达到0.02dB。即使考虑上DAC的积分线性误差和系统其它误差，输出功率也可以有0.1dB的步进，这对于信号源来说指标已经足够了。
三、系统调试结果
最终的调试结果显示，整个ALC环路可以稳定工作，并且在输出功率不变的情况下，输入功率可以有30dB的变化范围，同理，如果输入功率保持不变，通过改变VREF参考电压，也可以使输出功率在-15dBm~+15dBm之间以0.1dB的步进变化，由于功放电路还没有采取合理的偏置保护及反馈补偿，所以在整个频段内输出功率的平坦度还不够，但总的来说已经达到了预期指标，并且整个ALC环路占用空间极小，满足现代仪器的体积小，功耗低，精度高，可控性好的要求。
四、结语
在现代通信系统中，均要进行幅度和相位的调整，一般情况下系统均要求调整相位时的幅度变化越小越好，调整幅度时的相位变化越小越好，另外再结合PXI对仪器小型化的要求，本方案应运而生，由此形成的PXI信号源模块可以将PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的其它必要扩展完美的结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台，由此构成的系统可以用于诸如通信基站系统、微波通信、军事航空、卫星通讯、军用无线电、雷达和测试电子系统等各种领域中。
参考文献
[1]HMC346MS8G Data Sheet[Z]．Hittite Corporation，2001.
[2]HMC610LP4 Data Sheet[Z]．Hittite Corporation，2007.
[3][EB/OL].
作者简介：吴君松（1985－），男，电子科技大学空天科学技术研究院硕士研究生，研究方向：微波与通信测试。
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