一種頻率和功率可調的固態微波功率源

趙發定，黃 鐘

（四川師范大學物理與電子工程學院，成都 610066）

無線能量傳輸WPT（wireless power transfer）是通過微波波束在兩點間進行能量的無線傳輸[1-3]。無線能量傳輸能實現遠距離非接觸式供電，也能實現“一發多收”的電能傳輸，從而減少了線路使用，具有安全、可靠等特點，已在軍事和民用等領域展開了廣泛的研究[1，4]。微波功率源MPS（microwave power source）作為WPT 系統的關鍵部件，對WPT 系統輸出功率/效率具有決定性作用[5]。

現有大功率微波源主要由磁控管[6]、行波管和微波固態器件[7-9]等構成。磁控管直流-微波轉換效率高，輸出功率一般可達上百瓦，但具有輸出帶寬窄、使用壽命有限和可靠性差等缺點，在無線能量傳輸/環境能量收集實驗中靈活性較差。文獻[6]中設計了一套基于磁控管的S 波段大功率窄帶隨機信號源，中心頻率為2.46 GHz 時，平均輸出功率達到1.4 kW，直流-微波轉換效率超過70%，但輸出信號帶寬較窄，且需專門的電源供電，工作電壓可達上千伏。微波固態器件構成的MPS 具有使用壽命長、可靠性高和易于集成等優勢。文獻[7]中設計了一款2.45 GHz 微波大功率信號源，由鎖相環、數控衰減器、驅動放大器、低通濾波器和功率放大器等器件組成，可輸出頻率為2.45 GHz 的連續波，最大輸出功率可達39.8 dBm，適用于頻點固定的WPT系統。但隨著無線能量傳輸系統的不斷發展，寬功率動態范圍和寬頻率動態范圍的無線能量傳輸系統受到越來越多研究機構和學者的關注[10-11]，為開展寬功率動態范圍和寬頻率動態范圍的無線能量傳輸系統研究，設計一套頻率和功率可調的固態微波功率源具有重要應用價值。

本文提出的輸出信號頻率和功率可調固態MPS 由AC-DC 模塊、頻綜、可變增益放大器、驅動放大器、末級功率放大器、輸出功率檢測模塊、控制模塊和顯示模塊構成，與文獻[7]相比，本文放大鏈路各器件均具有寬帶特性，可獲得較寬的輸出信號頻率。該MPS 利用單片機控制頻綜對頻率進行調節，其輸出頻率可調范圍為0.7～2.8 GHz，帶內頻率偏移量＜105 ppm。其輸出功率調節采用反饋調節方式，功率檢測單元實時檢測輸出功率，并與設置功率進行比較，當設置功率與測量功率不相等時，單片機調節可變增益放大器，使輸出功率與設置功率一致，輸出功率調節范圍為20.0～39.5 dBm，輸出功率誤差小于等于0.5 dB?，F有信號源輸出功率通常小于1 W，難以為輸入功率超過1 W 的整流電路提供輸入信號[12]，本文設計的微波功率源可用于WPT系統，也可作為微波功率源給高功率寬帶整流電路提供輸入信號，測試整流電路的性能。

1 固態微波功率源原理及系統架構

無線能量傳輸系統由微波功率源、發射天線/陣列、接收天線/陣列、整流電路和負載電阻構成[1，5]，其系統結構如圖1 所示，圖中：ηDC-RF為微波功率源轉換效率；ηtx為天線輻射效率；ηair為電磁波空間傳輸效率；ηrx為天線接收效率；ηRF-DC為整流效率。MPS將直流變成微波信號，并由發射天線輻射到空間，是無線能量傳輸系統的能量源，因此微波功率源在無線能量傳輸系統中具有舉足輕重的作用。

圖1 無線能量傳輸系統Fig.1 WPT system

本文設計的MPS 采用頻綜鎖相環PLL（phase locked loop）產生微波信號，然后經可變增益放大器VGA（variable-gain amplifier）、驅動放大器DPA（driver power amplifier）、末級功率放大器PA（power amplifier）對微波信號進行放大，其中，單片機MCU（microcontroller unit）可控制PLL 和VGA，使輸出信號頻率和功率可調。其系統架構如圖2（a）所示，由PLL、VGA、DPA、PA、輸出功率檢測模塊、控制模塊、鍵盤輸入和LCD 顯示模塊構成，系統電源由AC-DC模塊（220 VAC-15 VDC，輸出功率75 W）提供。

圖2 MPS 系統結構及鏈路預算Fig.2 Structure of MPS system and link budget

本文設計的可調微波功率源頻綜采用ADI 公司的ADF4356，具有體積小、易于調試和抗干擾性能好等優點，MPS 中MCU 選用ST 的STM32F107，ADF4356 有SPI 接口，可直接與STM32F107 單片機通信。ADF4356 輸出頻率范圍為53～6 800 MHz，最大輸出功率為5 dBm，功率與頻率由MCU 控制。

VGA 采用MACOM 公司的MAAM-011100，具有體積小、使用簡單和操作頻率范圍寬等優點，MAAM-011100 增益控制電壓范圍為-2～0 V，增益變化范圍為30 dB，飽和輸出功率為18 dBm，線性增益為9 dB，其控制電壓由MCU、DAC 和OPA 產生，MCU 輸出8 bits 控制信號為0x00-0xFF，經DAC（MAX 5100）轉換后輸出電壓為0～3.3 V（DAC工作電壓為3.3 V），然后通過OPA（ADA4666-2）將0～3.3 V 電壓轉換為-2～0 V。

末級PA 為MACOM 公司的GaN 功率放大器MAAP-010168，具有輸入電壓低（漏極電壓VD=10 V，柵極電壓VG=-0.7 V）、操作頻率范圍寬以及輸入輸出內置50 Ω 匹配等優點，MAAP-010168驅動放大器功率增益為20 dB，工作頻率范圍為0.5～3.0 GHz。由于MAAP-010168 功率放大器需要20 dBm 的前級驅動功率，而PLL+VGA 的最大輸出功率為14 dBm，不足以驅動MAAP-010168，使其輸出功率大于39 dBm，因此需增加驅動放大器。驅動放大器采用ADI 的HMC465LP5，其增益為15 dB，頻率范圍為DC-6 GHz，飽和輸出功率為24 dBm（≤MAAP-010168 的最大輸入功率），漏極電壓VD=8 V，第一級放大器柵極電壓VG1=-1.6 V，第二級放大器柵極電壓VG2=1.5 V。

為檢測末級PA 輸出功率，本設計采用雙定向耦合器耦合輸出功率，耦合器采用Mini-Circuit 公司的BDCH-35-272，其操作頻率范圍為0.7～2.7 GHz，插入損耗為0.2 dB，耦合度為35 dB，功率容量為150 W。耦合器耦合端輸出功率經檢波器轉換為直流電壓信號，檢波器采用ADI 公司的HMC713LP3E檢波器，工作頻率范圍為DC-6 GHz，輸入功率范圍為-60～10 dBm，檢波器輸出電壓與輸出功率滿足線性關系，檢波器輸出電壓與輸入功率可表示為v=kPcop+b，v 為輸出電壓，Pcop為耦合功率，k 為檢波器輸出電壓隨輸入功率變化率，由于放大器、耦合器的增益和損耗不是恒定值，因此k 需分頻段進行校正，輸出電壓v 經MCU 的ADC 轉換獲得，然后經MCU 計算獲得微波功率源輸出功率。LCD 用于顯示輸入信號頻率、功率和微波功率源實測輸出功率。4×4 矩陣鍵盤用于設置MPS 輸出信號頻率和功率。MPS 器件型號及參數如表1 所示。

表1 MPS 器件型號及參數Tab.1 Types and parameters of MPS components

2 微波功率源各模塊電路設計

2.1 頻綜電路設計

PLL 內部集成壓控振蕩器VCO（voltage controlled oscillator），具有頻率穩定性高、調節方便等優點，在射頻微波領域被廣泛應用。其中環路帶寬和相位裕度是影響PLL 性能的兩個關鍵參數，環路帶寬與環路濾波器密切相關。環路濾波器是一種低通濾波器，用于濾除來自PLL 中鑒相器輸出電壓信號的高頻成分和噪聲分量，得到一個穩定的控制電壓去控制壓控振蕩器的輸出頻率。環路濾波器的環路帶寬與參考頻率、相位頻率檢測器PFD（phase frequency detector）相位噪聲呈正比關系，與VCO 的相位噪聲、鎖定時間和分辨率呈反比關系。環路濾波器采用ADI 提供的ADIsimPLL 仿真軟件進行仿真設計，本文設計的PLL 電路需滿足如下技術指標：輸出信號頻率范圍為0.7～3.0 GHz；頻率間隔為40 kHz；相位噪聲小于-90 dBc/Hz@10 kHz 和-135 dBc/Hz@1 MHz；參考頻率源為122.88 MHz。經仿真獲得環路濾波器結構及各參數如圖3（a）所示。圖中，CPout為ADF 4356 電荷泵輸出；VTUNE為VCO 控制輸入。

圖3 PLL 環路濾波器和VGA 增益控制電路Fig.3 Loop filter of PLL and gain control circuit of VGA

ADF4356 的輸出頻率計算公式為

式中：fPFD為鑒相頻率；REFOUT為VCO 輸出頻率，經1/2/4/8/16/32/64 分頻電路分頻后的信號為PLL 輸出；INT 是二進制16 位計數器的預設分頻比，4/5預分頻器取值范圍為23～65 535；FRAC 取值為0 至MOD-1；MOD是預設的小數模數。

2.2 VGA 增益控制電路設計

由表1 可知，MAAM-011100 的增益控制電壓為-2～0 V。傳統DAC 模塊輸出電壓為正，為滿足VGA 控制電壓需求，本文采用OPA 將正電壓轉換為負電壓以控制VGA 增益。因此在ADC 輸出采用了一個OPA，將ADC 的正電壓轉換為負電壓，VGA增益控制電路如圖3（b）所示。MAX5100 的供電電壓為3.3 V，當MCU 輸出8 bits 控制信號為0xFF時，輸出電壓為3.3 V，MCU 輸出信號為0x00 時，輸出電壓為0。經計算獲得OPA 的電阻滿足R1/R2=1.65（R1=3.3 kΩ，R2=2 kΩ）。

2.3 驅動放大器偏置電路設計

射頻RF（radio frequency）和微波放大器在特定偏置條件下可提供最佳性能[12-13]，偏置點所確定的靜態電流會影響線性度和效率等關鍵性能指標。雖然某些放大器是自偏置，但許多器件需外部偏置并使用多個電源，這些電源的時序需加以適當控制以使器件安全工作。驅動放大器采用HMC456LP5，其上電和斷電必須滿足時序，上電時序如下：

（1）器件接電到地；

（2）將VGG1設置為-2 V；

（3）將VD設置為8 V；

（4）將VGG2設置為1.5 V；

（5）提高VGG1以實現160 mA 典型靜態電流；

（6）施加射頻信號。

斷電時序與上電時序相反。本文驅動放大器的時序控制電路采用ADI 公司的有源偏置控制器HMC980LP4E，該有源偏置控制器將低壓差穩壓器、電荷泵、電壓時序控制和保護電路集成在一起，與分立式偏置方案相比較，有源偏置控制器消除了多個IC 和外部器件，因而占用PCB 面積更小。HMC980LP4E 可自動調節外部放大器柵極電壓實現恒定偏置電流，能提供漏極偏置電壓為5.0～16.5 V，最大電流為1.6 A。

2.4 末級功率放大器上電時序電路設計

根據2.3 節所述可知，末級功率放大器MAAP-010168 上電也需滿足時序，步驟如下：

（1）將柵極偏置電壓VG設置為-0.7 V；

（2）將漏極偏置電壓VD設置為10 V；

（3）施加射頻信號。

斷電時序與上電時序相反。MAAP-010168 為低電壓高電流功率放大器，有源偏置控制器提供的偏置電流通常小于2 A，難以滿足設計要求，因此本文末級功率放大器偏置電路采用分立式偏置電路結構。漏極電源采用DC/DC 電源芯片LT3840，最大輸出電流可達20 A，其輸出電壓為10 V，輸出電流滿足MAAP-010168 工作要求。柵極電源采用LDO，為MAAP-010168 提供-0.7 V 的柵極電壓。為滿足上電/斷電時序，本文通過MCU 控制LT3840的使能引腳實現。上電后，功率源初始狀態的末級功率放大器柵極電壓VG=-0.7 V，LT3840 使能引腳為低電平，末級功率放大器漏極電壓VD=0，打開射頻開關后使能LT3840，末級功率放大器漏極電壓VD=10 V。

3 微波功率源散熱器熱仿真

寬帶固態微波功率放大器能量轉換效率低，末級功率放大器最大功率附加效率為30%。為保證固態微波功率源穩定可靠工作，選擇合理的散熱和冷卻方法，設計有效的散熱系統十分必要[10]。經ANSYS 仿真優化獲得散熱器尺寸為225 mm×114 mm×20 mm，散熱器肋片高為18 mm，肋片厚度為1 mm，肋間距為2 mm，模型如圖4（a）所示。散熱器材料為鋁，功率放大器與散熱器接觸面經過導熱硅脂接觸，通過仿真獲得散熱器表面溫度分布如圖4（b）所示，最高溫度為60 ℃。

圖4 MPS 散熱器結構及熱仿真結果Fig.4 Structure of heat sink in MPS and its thermal simulation result

4 微波功率源程序設計

微波功率源程序流程如圖5 所示，其具體步驟如下。

圖5 微波功率源程序流程Fig.5 Flow chart of program for MPS

（1）程序初始化。初始化LCD、4×4 矩陣鍵盤、PLL 輸出頻率、VGA 控制信號（初始狀態的VGA 配置電壓為-2 V）、PA 上電時序控制。

（2）頻率配置。輸入頻率范圍為700～2 800 MHz，輸入頻率后，按“#”號鍵，完成頻率配置，如果輸入頻率范圍不在[700，2800]，LCD 顯示“error”，頻率設置報錯后，需重新輸入滿足要求的頻率值。

（3）功率配置。輸入功率范圍為20.0～39.5 dBm，輸入功率后，按“D”號鍵，完成功率配置，檢波器檢測末級PA 的輸出功率，并與設置功率進行比較。當輸出功率小于設置功率，降低VGA 控制電壓，從而增加VGA 的輸出功率，使末級PA 輸出功率等于設置功率；當輸出功率大于設置功率時，增加VGA 控制電壓，從而降低VGA 的輸出功率，使末級PA 輸出功率等于設置功率。

5 微波功率源實驗測試

5.1 版圖設計

本文功率放大電路采用的基片為RO4350，其介電常數為3.55，損耗角正切因子為0.034，基片厚度為0.508 mm，銅皮厚度為0.07 mm。放大電路布線時，由于MAAP-010168 漏極電流最大值達到6 A，為確保PA 穩定可靠工作，需考慮PCB 走線的載流能力，根據經驗可知銅皮厚度為0.07 mm、線寬度為2.5 mm 時，可承載6 A 電流。因此布線時，MAAP-010168 漏極電源線寬設計為2.5 mm。為使耗材的阻抗較小且縮短信號的傳輸路徑，射頻信號線需阻抗控制，射頻信號線阻抗為50 Ω，通過ADS 的LineCalc 工具計算獲得50 Ω 阻抗線寬為0.93 mm。設計的功率放大器電路PCB 如圖6（a）所示，功率放大器實物如圖6（b）所示。

圖6 MPS 中放大電路PCB 及實物Fig.6 PCB of power amplifier circuit in MPS and photo of specimen

微波功率源中電源電路和控制電路采用的基片為FR4，其中電源電路為4 層PCB，控制電路為2 層PCB，各電路實物分別如圖7（a）和（b）所示。

圖7 MPS 中電源和控制電路實物Fig.7 Specimens of power source circuit and control circuit in MPS

5.2 測試結果

本文設計的MPS 各模塊集成在一個28 cm×19 cm×10 cm 的機箱中，其輸出采用SMA 接口，首先采用示波器測量了MPS 末級功放上電時序，上電時序測試結果如圖8 所示。

圖8 MAAP-010168 上電時序Fig.8 MAAP-010168 power-on sequence

由圖8 可見，MPS 上電后，柵極偏置電壓先達到-0.7 V 后，漏極偏置電壓開始上升，并逐步達到10 V，滿足MAAP-010168 的上電時序要求。

然后，對MPS 輸出信號頻率和功率進行測量，為防止MPS 信號過大對測量設備造成損壞，MPS 輸出信號經過40 dB 衰減器衰減后分別采用功率計和頻譜儀測量功率和頻率，最大輸出功率隨頻率的變化如圖9 所示。在0.7～2.7 GHz 頻率范圍內，MPS 各頻點最大輸出功率為39.5 dBm，誤差小于±0.5 dB。為計算MPS 系統效率，采用數字電源為MPS 工作供電，由數字電源電壓與電流獲得MPS 總功耗，從而計算獲得MPS 的DC-RF 效率為20%。

圖9 MPS 最大輸出功率Fig.9 Maximum output power from MPS

測量設定頻率與實際輸出信號頻率如表2 所示，由表2 可知，輸出信號頻率范圍為0.7～2.7 GHz，最大頻率偏移量小于102 ppm。與磁控管構成的MPS 相比，本文設計的MPS 雖然效率和輸出功率遠小于磁控管構成的MPS，但其工作電壓、尺寸與帶寬遠大于磁控管構成的MPS[6]。

表2 頻率測量結果Tab.2 Frequency measurement results

6 結語

本文設計了一套頻率和功率可調節的微波功率源，采用反饋調節進行輸出功率控制，具有程序復雜度低、操作簡單和精度高等優點。通過對該固態微波功率源進行熱仿真，確保設計的固態微波功率源工作穩定可靠。最后對本文設計的固態微波功率源進行了系統測試，測試結果表明，其可調頻率范圍為0.7～2.7 GHz，可調節功率范圍為20.0～39.5 dBm，最大頻偏小于105 ppm，輸出功率誤差不超過0.5 dBm。該微波功率源的設計在無線能量傳輸/環境能量收集實驗研究中，具有一定的應用價值，且可為后續高功率微波功率源的研究與設計提供指導。