基于STM 32的GaAs放大器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

堯長青，華偉，何委林，魏義鎮(zhèn)

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065；2.中國人民解放軍78111部隊(duì)，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(xué)反應(yīng)[1]，在諸如肺癌A549細(xì)胞的凋亡[2]，L-02人肝細(xì)胞和IAR20鼠肝細(xì)胞的增殖[3]等細(xì)胞生長有明顯影響。常用的磁控管和固態(tài)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(shí)現(xiàn)功率在線調(diào)整、測試等問題，以壓控振蕩器（Voltage Controlled Os?cillator，VCO）、多級(jí)放大器等器件構(gòu)建的固態(tài)微波源可提供穩(wěn)定的頻率，功率在線調(diào)整。其中，噪聲低、增益高的砷化鎵場效應(yīng)晶體管（Gallium Arsenide Field Ef?fect Transistor，GaAs FET）常用于設(shè)計(jì)低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關(guān)等[4]。然而，砷化鎵半導(dǎo)體器件要求在供電時(shí)，須先有VGS再有VDS，斷電時(shí)，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(xiàn)[6]的電路設(shè)計(jì)，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(xù)波、脈沖波狀態(tài)下工作的電路設(shè)計(jì)方案。根據(jù)推動(dòng)功率放大器GaAs晶體管的需求，采用STM32F系列芯片對(duì)放大器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。測試結(jié)果表明，采用電路和算法相結(jié)合的控制方法，可以有效檢測上電故障，達(dá)到保障上電和控制放大器工作狀態(tài)的作用。

1 電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的GaAs放大器控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件電路主要是控制電路和采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器[7]，軟件部分主要負(fù)責(zé)控制放大器工作狀態(tài)、打開或關(guān)閉控制電路?？傮w結(jié)構(gòu)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(guān)，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(gè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

MOSFET（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種常用的電壓控制晶體管，適合做開關(guān)[8]。不同型號(hào)的GaAs功率放大器需要的電流從零點(diǎn)幾A到數(shù)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(qū)動(dòng)微波射頻功率放大器；三極管選用實(shí)驗(yàn)室常用、性能穩(wěn)定的MMBT2222A。

設(shè)計(jì)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(dāng)X3處電壓為0V（低電平）或者X5處電壓為-5V時(shí)，VT2不導(dǎo)通，Q1不工作，X1處電壓為0V；當(dāng)X3處電壓為+3.3V且X5處為-5V時(shí)，VT1、VT2導(dǎo)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(dāng)需要連續(xù)波時(shí)，X3處持續(xù)加載+3.3V且X5處持續(xù)加載-5V；當(dāng)需要脈沖時(shí)，X5處持續(xù)加載-5V，X3處由STM32給出脈沖信號(hào)，通過控制信號(hào)的時(shí)間長短來確定脈沖信號(hào)的周期和占空比。圖3給出了設(shè)計(jì)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(shí)測5Hz、占空比50%控制波形的比較，如圖4所示，當(dāng)端口X3、X4均為高電平時(shí)，X1輸出高電平；當(dāng)X3為高電平、X4為低電平或者X3為低電平、X4為高電平時(shí)，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(shí)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(xù)波，經(jīng)過GaAs功率放大器，再經(jīng)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(hào)實(shí)際功率32.53dBm，工作正常。

利用如圖6左邊框圖的電路，測試當(dāng)GaAs放大器脈沖工作特性。STM32輸出重復(fù)頻率為10KHz占空比為20%的控制信號(hào)，連續(xù)波輸入的2.45GHz信號(hào)，在經(jīng)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(shè)計(jì)的控制電路可以提供脈沖放大作用。

圖5 連續(xù)RF信號(hào)經(jīng)過GaAs功率放大器前后的頻譜

圖6 脈沖調(diào)制的RF信號(hào)的波形

3 軟件設(shè)計(jì)

STM32控制上電與斷電電路的工作流程如下：當(dāng)設(shè)備總電源開關(guān)打開時(shí)，-5V電壓加載到GaAs放大器的柵極（Gate）。當(dāng)控制程序參數(shù)初始化設(shè)置完畢，檢測-5V電壓存在，延時(shí)0.5s后提供+3.3V控制電壓，上電控制電路MOSFET導(dǎo)通，向GaAs放大器提供+12V電壓。當(dāng)總電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)，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(lián)了一個(gè)大電容，總電源斷電后，電容提供-5V電壓，直至電能耗盡；當(dāng)需要人為中斷工作時(shí)，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(guān)，實(shí)現(xiàn)了放大器上電、斷電順序的控制。

當(dāng)需要連續(xù)波時(shí)，控制電路持續(xù)為放大器供電；當(dāng)需要脈沖時(shí)，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(shí)現(xiàn)控制GaAs放大器脈沖放大的作用。

放大器可工作于連續(xù)放大、脈沖放大、先連續(xù)波再脈沖波輸出、先脈沖波再連續(xù)波輸出等模式。連續(xù)放大模式如圖7所示，首先選擇連續(xù)波模式，設(shè)置連續(xù)放大工作時(shí)長Tc，延時(shí)0.5秒后，STM32立即給出+3.3V控制電壓，放大器開始工作。當(dāng)計(jì)數(shù)器時(shí)間與設(shè)置的工作時(shí)間Tc相等時(shí)，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(shè)置脈沖工作時(shí)長Tp，設(shè)置脈沖放大的周期 Tt（Tt＜Tp）、占空比 a（0＜a＜1），在一個(gè)周期 Tt內(nèi)，STM32先給出Tt*a時(shí)間的+3.3V控制電壓，再給出Tt*（1-a）時(shí)間的0V電壓，累計(jì)工作時(shí)長Tp。

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

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的由電路和STM32組成的控制系統(tǒng)，與文獻(xiàn)[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(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)了脈沖、連續(xù)放大功能。放大器可工作于連續(xù)放大、脈沖放大、先連續(xù)放大后脈沖放大、先脈沖放大后連續(xù)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(shí)測表明系統(tǒng)監(jiān)測能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高，方便與其他電路集成，具有較好的普適性。

圖7 連續(xù)波模式工作流程圖

圖8 脈沖波模式工作流程圖

圖9 先連續(xù)波后脈沖波模式工作流程圖

圖10 先脈沖波后連續(xù)波模式工作流程圖

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