（怀化学院 湖南省怀化市 418000）
摘要：随着现代通信系统的发展，射频宽带放大器在通信系统中越来越重要。本文设计了一种增益可控射频放大器，它以固定增益放大器和程控衰减器为核心，采用多级放大电路确保足够的增益可变范围和带宽。末级放大器采用高电压补偿输出驱动50 的负载。实现了0dB~60dB的范围内增益可调，具有高增益，宽频带等特点。
关键词：射频放大器；增益可调；脉冲
1、系统方案
根据题意本系统主要由单片机控制模块、增益模块、电源模块组成。控制模块检测A/D按键，通过按键控制信号的放大衰减，并在显示模块上显示。电源模块把12v单电源经过转换再给各个模块供电。下面分别论证这几个模块的选择。
图1 系统设计框图
1.1、增益模块的论证与选择
方案一：采用固定增益与程控增益相结合
前级使用低噪声放大器，选择程控增益芯片，其驱动能力很勉强能满足要求，再加上驱动能力较强的功放芯片作最后一级。也仅仅只能勉强达到题目要求，难以提高。且程控芯片采用D/A模块可以实现，但是需要用高精度的D/A模块，价格较贵，电压控制时，可能会带入噪声，对于整体设计有影响。
方案二：固定增益放大和程控衰减相结合
采用低噪声固定增益芯片，用精准电阻网络芯片经行衰减，可以提高系统的稳定度，减少噪声的干扰，再采用单片机控制，可以满足题目的要求，HMC472采用高精度的电阻网络，控制引脚高低电平，减少了单片机的数字电路干扰。控制容易，同时也减少了软件上大量代码造成的不必要的误差。
综合以上两种方案，选择方案二。
2、系统理论分析与计算
2.1、射频放大器的设计
射频放大器采用多级集成运放级联实现。前四级放大采用两片程控衰减器HMC472和两片固定增益放大器ABA-56532相互级联组成。程控衰减器HMC472通过单片机控制获得负增益，其衰减可变范围为-0.5dB~-31.5dB，两片固定增益放大器ABA-56532，每级放大21dB。末级放大采用HMC478，放大21dB，在保证带宽要求的前提下微调增益，使增益尽量提高。最后总增益为55dB。
2.2、增益调整
系统中合理地控制每级增益，以及注意级与级之间的连接。系统固定增益放大，根据ABA-56532 Datasheet提供，其工作频率为DC~3.5GHz，21.5dB增益，9.8 dBm的输出功率。可达到题目发挥部分在 50MHz～160MHz 频率范围内增益波动不大于 2dB的要求。增益控制采用的是HMC472LP4/472LP4E增益可控芯片，该芯片有3G的带宽，通过控制V1~V6这6个引脚高低电平的控制来进行衰减，每个引脚的增益控制分别为-0.5dB
，-1dB，-2dB，-4dB，-8dB，-16dB。进行自由组合达到需要衰减的增益以满足设计需要。后级使用HMC478做功率放大，根据其Datasheet，最大能输出+19dBm，增益可达22dB。满足输出电压有效值 Vo≥2V要求。最后用专用带通滤波器设计软件自行设计了一个9阶的频率为40MHz-200MHz的带通滤波器，实现电压增益 AV≥52dB，输入信号频率 f≤20MHz 或输入信号频率 f≥270MHz 时，实测电压增益 AV 均不大于 20dB要求。
2.3、频带内增益起伏控制部分
频带内增益起伏控制主要在于器件的选型和级间的阻抗匹配，我们选用的芯片输入、输出阻抗均为50Ω。所选用的器件在带宽内增益起伏均小于2dB。
2.4、射频放大器稳定性分析
为了提高系统的稳定性，我们采取了如下措施：
（1）在排版过程中，将输入级、增益控制部分按顺序放置形成一条龙。输入插孔和输出插孔分别在印制板的两端引出，输入、输出均采用同轴电缆连接。各级分别装在屏蔽盒内，防止级间及前级与末级之间的电磁耦合。
（2）在设计过程中，使输出与输入相位反相。
（3）电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功放机采用隔离供电，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000uF电解电容，通过这种方法可避免低频自激。
（4）地线隔离，每一级接在一个点上。然后再将地线连起来接在电源的地上。
（5）数模隔离，模拟部分屏蔽，要放置数字部分的脉冲信号干扰模拟部分。
2.4、增益调整
系统采用固定增益模块和程控衰减模块相结合的模式。程控衰减模块由单片机直接控制实现了衰减，从而实现了增益可控。本系统的增益按下式计算：
即增益范围为： ，步进为4dB。
3、电路与程序设计
3.1、电路设计
电路结构框图如图3.1所示。小信号输入后由第一级固定增益低噪声模块ABA52563，增益为21.5dB，经过第一级程控衰减器（-0.5dB~-31.5dB）衰减经过第二级固定增益为21.5dB，再经过第二级程控衰减器（-0.5dB~-31.5dB）衰减后再接一个20dB的末级功率放大器，送到一个40MHz~200MHz的带通滤波器后输出。放大器总增益为63dB，总衰减为-63dB，通过单片机可以实现12~52dB可控要求和显示。
图3.1 系统总体框图
3.2、程序设计
3.2.1、程序功能描述与设计思路
程序初始化，默认为12dB，在LCD液晶屏幕上显示，通过两个按键分别控制步进4dB加和减，以满足题目要求。通过控制单片机引脚高低电平实现对HMC472芯片的控制，从而实现放大器衰减部分的增益加减。
3.2.2、程序流程图
图3.2 主程序流程图
程序控制部分通过单片机对HMC472引脚的控制，改变V1~V6脚的高低电平，实现-0.5dB~-31.5dB的增益衰减。使用按键对射频放大器的增益进行4dB步进控制。并在液晶屏上显示。
4、测试方案与测试结果
4.1、测试方案
先将各个增益模块用矢量网络分析仪测试放大器的通频带性能。然后将各增益模块调试到最优。再将各部分电路连接起来，将信号源输出阻抗设为50Ω，示波器选择50Ω输入阻抗，通过拨码开关给衰减器置高低位，来进行整机测试。并用矢量网络分析仪测试放大器的通频带性能。
4.2、测试结果及分析
4.2.1、测试结果（数据）
+12V单电源供电
Vi=20mV Av=40dB Vo=2.407V Ri=50Ω Ro=50Ω
输出电压有效值测量及放大倍数测量：输入加Vrms=20mV，f=100MHz正弦波，调节电压和增益测得不失真最大输出电压有效值为2.03V，达到题目输出电压有效值大于2V的要求，最大增益可达55dB。
4.2.2、测试分析与结论
根据上述测试数据可以得出以下结论：带宽在50~200MHz内增益可调，输入输出阻抗为50欧姆，输入为20mV或者5mV时输出有效值可达2V。
参考文献：
[1]谢军，盛庆华、毛礼建.射频宽带放大器的增益控制设计与研究[J].现代电子技术，2015.3.
[2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008
[3]王哲.射频宽带放大器的设计[J].天津科技，2017（2）.
论文作者:朱俊标,郑吉磊,许智罡
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/5
标签：增益论文; 放大器论文; 衰减器论文; 模块论文; 射频论文; 电压论文; 单片机论文; 《电力设备》2019年第2期论文;