大功率射频功放的功率控制

【摘 要】 本文提供了一种针对大功率宽频段射频功放进行精确功率控制的方法。首先分析了大功率射频功放当前的功率输出性能，、影响控制精度的主要挑战；然后提出一种基于矢量电压检测技术，以增量式PID控制策略为核心的控制方案；并且给出了涵盖失配保护和温度自适应等细节的一整套实现方法和实践过程中研究得到的经验和成果，如PID控制器的实现方法，定向耦合器的结构参数；并且突出描述了控制方案实现中应注意的细节，如积分灵敏度的扩展和积分饱和的消除、突发功率包络““蘑菇头””的处理等。

【关键词】功率控制 PID 定向耦合器 矢量电压检测 回波补偿 MOSFET

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2015.03.000 中图分类号：TN722.7 文献标识码：B 文章编号：1006-1010（2015）03-

引用格式：童业平. 大功率射频功放的功率控制[J]. 移动通信， 2015，39（3/4）：

Power Control of High-Power RF Amplifier

TONG Ye-ping

（China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute， Guangzhou 510310， China）

[Abstract] An accurate power control method of high-power broadband RF power amplifier is proposed in this paper. The power output and its influencing factor of high-power broadband RF power amplifier are analyzed. A vector voltage detection technique is presented which uses incremental PID control as core control scheme. A set of implementation methods including mismatch protection and temperature adaption， as well as experience and results in practice process are presented， such as the implementation of PID controller and the structure parameter of directional coupler. Especially， the cautions of the control scheme are focused， such as enlarging integral sensitivity， eliminating integral saturation and handling the “mushroom head” of burst power envelope.

[Keyword] power control PID directional coupler vector voltage detection echo compensation MOSFET

1 1 引言

功率控制技术是移动通信中一项重要的关键技术，并且随着网络空间的不断深入发展，无论是在民用的3G、4G网络，还是在其他专用移动网络，其应用越来越广泛，性能要求也越来越苛刻严苛。民网中，业界对功率控制技术的研究主要集中在eNode B与UE之间空口的信令交互，根据网络对平滑信道衰落、克服““远近效应”，”、抑制小区间干扰的要求进行的开、闭环功率自动调节。功率调整输出的执行者是UE，而UE是典型的小功率设备，并且其工作频段的相对频程很窄，在带内具有很好的频率响应特性。因此，只要能从下行信道中获得eNode B为其指定的功率等级，使用简单的查表法，其Burst的功率幅频特性就完全可以满足系统要求。

本文要研究的是，在某些专用网络中，有类似于民网UE设备的移动台（MS），它需要向基站（CS）发出高达几十瓦，甚至几百瓦的大功率，工作频段覆盖整个V段和U段中的低频段，相对频程达到几倍，甚至十几倍。而在实际应用中还发现，使矛盾更加突出的是，那些只能靠手工打造的V/U段中馈天线，段内S参数极不平坦，并且一致性很差，几乎没有任何两2幅天线拥有完全一致的S11和S21曲线。在实际应用中，用这样的天线作为负载，使得用标准负载校正调试过的功放，通过长达几米或几十米不等的馈线接入天线后，功率的幅频特性非常糟糕，纹波通常达±1.5dB。 。

本文针对上述网络应用场景的特殊性，提出一套经过实际验证的功率控制解决方案。以50W功放为例，其输出纹波可以达到 ≤±0.2dB的水平，并且具有较好的负载适应性和温度适应性。

2 2 方案概述

控制对象为功率放大器PA，V/U段大功率放大器通常是以大功率MOSFET管为核心的放大电路，MOSFET管放大器的增益随栅极电压 V_g的增加而增大。另一方面，MOSFET管放大器的增益随温度的增加而增大或减小，并且温度超出额定范围则应该采取必要的保护措施。

在放大器前馈通路上放置一个数字控制衰减器HMC472，可以在0.5～31.5dB的范围内以0.5dB分辨率进行调节。

在功放管热源位置放置温度传感器，温度传感器输出与温度成线性比例关系的温度检测电压 V_t。

由于馈送到天线ANT的发射功率不仅取决于PA的放大系数，还与PA到ANT的匹配阻抗Z有关。实际馈送到天线的功率为天线口入射功率和反射功率的向量和。本方案设计了一个微带定向耦合器，基于定向耦合器并采用矢量电压测量法获得与天线端口入射功率和反射功率成正比的入射功率检测电压 V_in和反射功率检测电压 V_ref，同时利用无线系统工作频段内跳频工作的特点，估算出天线端口的S11和S21参数。

空口物理层通过SPI口设置Burst的功率字，本方案以增量式PID控制器为核心，根据给定的功率字和当前Burst的 V_in、 V_ref和 V_t，控制输出数控衰减器的分档值P和MOSFET管的栅极偏置电压 V_g。.

3 3 增量式PID控制

如前文所述，妄图仅仅通过查找表调整前置数控衰减器而使得大功率MOSFET管在宽频带范围内平稳输出适应不同路损的多档功率，是一件极其困难的事情。而根据MOSFET管放大器的增益G随栅极电压 V_g的增加而增大的特性，可以对MOSFET放大电路增加一个单闭环控制器。本方案选择了经典控制策略中的增量式数字PID控制策略。需要注意的是，由于MOSFET管的调整范围有限，仅仅作为细调环节，粗调仍然保留前置的数控衰减器。

将公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）代入公式（6），得到增量式数字PID传递函数，然后将公式（6）代入公式（7）得到PID运算的输出U（n）。其中n为采样计数器，取值为0、1、2、3……；在第n次采样时，首先将c（n-1）赋值给c（n-2），然后将c（n）赋值给c（n-1），最后将最新的采样结果赋值给c（n）；于是c（n-2）、c（n-1）、c（n）为连续3次对输出的采样保持结果； r为控制目标，即给定值；c（n-2）、c（n-1）、c（n）分别与r求差，得到连续三3次采样与给定值之间的余差e（n-2）、e（n-1）和e（n）；将余差代入公式（6）， K_P、 K_I、 K_D分别为比例系数、积分系数和微分系数，可以根据系统的实际情况设置为常量；e（n-2）与 K_D的乘积即二阶跟踪增益，e（n-1）与 K_I的乘积即一阶跟踪增益，e（n）与 K_P的乘积即零阶跟踪增益；分别达到加速度跟随、速度跟随和位置跟随的目的；三项增益的和代入公式（7），即累加到上一次的控制器输出 U（n-1）上，得到本次的控制器输出 U（n）。经典的PID控制器通过调整 K_P、、 K_I、 K_D三这3个系数使得控制输出 U（n）跟随给定r并达到期望的动态性能和稳态性能。

采样周期T和采样值c的精度与ADC的性能有关，例如采样精度为12BIT12bit，速率为10Msps的ADC芯片，采样周期即为1*10-71×〖10〗^（-7）秒s。给定值r即基带单元通过SPI口送给功放的功率档值（功率字）。 K_P、 K_I、 K_D的选取与实际的控制对象，即MOSFET管的传递函数有关，关于其整定方法可以参考经典控制理论，本方案使用工程整定法进行控制参数整定。控制器的输出为 ?U（n），通过DAC电路将 ?U（n）转换为MOSFET管的栅极电压Vg，软后然后通过适当的驱动电路（如电压跟随电路）接入到放大器的栅极。，即可达到控制功率输出值的目的。

由于控制器的积分项是消除输出余差的关键，因此对积分项的处理要格外谨慎，注意扩展积分灵敏度和防止积分饱和。而微分系数则可以尽量小一些，因为每一个突发都很短，在每一个突发周期内，给定通常不会改变，所以并不要求其二阶跟随的速度很高。

4 4 矢量电压检测

控制器的精确控制必然基于传感器的精确检测。宽频段范围内大量程、高灵敏度的功率检测是一件和控制策略设计同样棘手的事情，而通常移动设备对于结构体积的关注使得矛盾更加突出。为了具有对差异性负载的适应性，本方案选择矢量电压检测技术对输出功率进行检测，不仅能测得馈送到负载的正向功率，也能测得端口的反馈功率，从而根据反馈功率实现对正向功率的补偿。

矢量电压检测的核心元件是定向耦合器。定向耦合器是一个无耗互易四口网络，在所有端口都匹配的情况下，散射S矩阵如公式（式8）：.

当所有元件是无源的和互易的，、所有端口匹配，S矩阵可简化为公式（9.）：

定向耦合器根据端口2和3之间的相位移 进行分类， 称为同相耦合器， 称为正交耦合器， 称为反相耦合器。定义定向耦合器的其他重要参量：

理想时，各个口的驻波比为1，插损为3dB，耦合度为3dB，隔离度与方向度均为无穷大。值得注意的是，理想定向耦合器并不是我们要追求的目标，理想耦合器的耦合输出口（P3）对正向的电磁能量进行取样，耦合口（P4）对反向的电磁能量不敏感。我们需要的定向耦合器性能是：：耦合口P3对正向功率的取样是线性的，即耦合系数在工作频段仁瞧教沟模ǎflatness））；耦合口P4对反射功率敏感，同时又有足够大的方向度，以保证失配检测有足够的灵敏度；带内插损越小越好。如果频段较宽时，全频段内的线性度无法满足测量要求，可以软件进行分段线性处理。定向耦合器如图2所示：

本方案自行设计了一款在整个V段内可以满足测量要求的定向耦合器，其结构如图 2所示。在介质为FR-4的PCB板上铺出厚度为1oz，长度为40mm40毫米，宽度2.95毫米的铜质传输线；两侧间隔0.8mil铺出等长而宽度为1.6mm6毫米的铜质传输线；介质厚度为1.6mm6毫米，底层整板铺地，并如图所示引出耦合端和隔离端即可。

它有如下特点：

（1）在30～512MHz范围内，插损不超过0.1dB；

（2）在30～512MHz范围内，实测时方向度为25～35dB，且基本线性；

（3）易制作，在EDA中进行PCB板布线时精确成型；

（4）体积较小，可以用于大功率移动射频功放；

（5）可生产性强，一致性好，无需像线圈绕制的耦合器那样需要人工调试，PCB板制成后，元器件完成自动贴装，定向耦合器的性能就基本满足指标要求。

5 5 回波补偿及失配保护

基于上述矢量电压检测方法，如果定向耦合器的参数为已知，即其在工作频段内的性能为确定值。则定向耦合器输出的反向功率检测电压为 V_ref，正向功率检测电压为 V_in。电压值与功率值之间的函数关系由定向耦合器的数学模型确定。

公式中，Γ为入射节点处的电压反射系数；Z为入射节点看入的归一化阻抗。

预先对定向耦合器进行开短路校正和分段线性处理，得到定向耦合器在工作环境中的线性传递函数。

因此，PID控制器的采样值c由公式（18）确定。：

参数 P_ref和 P_in根据工程实际确定，从而使得控制器具有对反向功率的补偿能力，当负载在工作频段内的S11曲线不一致时，控制器能根据S11曲线的变化动态调整输出，在示波器上观测可以看到，在任意频点，同一档功率时输出功率包络的幅度都是一致的。

另外，公式16的Γ可以作为负载匹配性能的依据，当Γ在工作频段内的幅频特性曲线超出容许范围时，可以下调输出功率或直接关闭输出功率，达到失配告警和功放保护的目的。

需要注意，为了避免虚警，特性曲线的获取应该采用统计数据，因为功放在全频段内跳频工作，一段时间内随机统计的结果与使用网络仪自低向高扫描所得结果是基本一致的。

以上方法已经假定定向耦合器进行简单的开短路校正后即具有传递函数一致性，如果某些特定场合必须使用手工制作的差异性很大的定向耦合器，则可能要通过训练控制器参数的方法获得专家系统经验，或者其他更为复杂的算法，用于适应传感器的性能。

6 6 温度自适应

本方案中，在MOSFET管的管身一侧粘贴有一个微小的温度传感器，温度传感器输出的电压信号Vt由控制器的ADC电路进行采集。

MOSFET管是典型的温度敏感元件，大功率设备所应用的特殊场合，要求的温度适应范围通常很宽。工作频段内，MOSFET管的增益G相对温度的特性曲线可以从厂家提供的手册中查得，有时也因为实际应用时匹配电路自身具有温度特性，因此会与MOSFET管一并考虑，通过实测的方法得到其曲线模型。控制器通过查找表记录该曲线，据此修正前置衰减器的值和优化控制器的控制参数，追求更加完美的功率输出动态响应性能。

由于MOSFET管本身是热源，在高温环境下工作，由于散热条件的限制，有可能聚集大量热能，危及自身安全。因此，当温度急速上升时，可能需要考虑关闭功放并告警，当温度缓慢上升时，则可以考虑降低发射功率从而缓和聚热，使得功放可以根据自身的承受能力来满足应用的需要。

7 7 ““蘑菇头””的消除

在跳频工作的应用系统中，基带单元以Burst为周期启停发射电路，由于每次启动时的阶跃冲击会对放大电路带来不利影响，降低了放大电路的寿命。因此通常在开启发射时，使发射激励在时域内缓慢上升至目标值；关闭发射时，缓慢降低发射激励的功率。对于功放而言，当输入功率较小时，输出功率也比较小。于是，控制电路根据给定值迅速进行跟踪，控制输出一个较大的超调量，从而导致Burst的两端出现一个形似““蘑菇头””的功率包络，尤其是前端较为明显。对电路和电磁环境都会造成不利影响。

因此，控制器应自动识别输出值与给定值的余差。当余差小于一定范围时，才能启动控制器的微调功能；否则说明功率在缓升缓降过程中，控制器应保持静默，避免功率包络““蘑菇头””的形成。

8 8 总结结束语

本文介绍了一种针对大功率宽频段功放的精确功率控制方案，并且详细阐述了其实现方法及注意细节。在30～512MHz的50W功放中使用本方案，其输出纹波可以达到 ≤±0.2dB的水平，如表 1所示。当移动台全频段跳频，、大功率发射时，在同一功率档级，功放输出到天线的功率包络形状规整而稳恒，不因频率的变化而大幅度变化，也不因馈线的长度和负载换接而大幅度变化。天线与功放断开时，无需手动关闭功率，功放自动转为小功率间歇输出；天线接入时，能自动恢复正常发射。并且发射功率从小到大，可以密集分档，连续变化，为大功率移动设备在网络中根据路损实时调整发射功率提供了必要的技术基础。

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