介電測井儀寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

李俊一

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

石油工業(yè)中二次開采和三次開采中低電阻率油層和高電阻率水層并不罕見。利用電阻率方法區(qū)別油水層常常失效，而水的相對(duì)介電常數(shù)(80左右)和油的相對(duì)介電常數(shù)(2～4)相差很大；所以介電常數(shù)的測量較之其它手段能更加簡單的區(qū)分油、氣、水層。近年來，對(duì)井眼附近地層介電常數(shù)的測量越來越受到重視。地層介電常數(shù)的測量需要使用介電測井儀，介電測井儀利用發(fā)射和接收路徑電磁波的相對(duì)幅度、相位的差值，反演得到地層的介電常數(shù)和電阻率值。

早期應(yīng)用于介電測井儀的發(fā)射機(jī)[1]工作頻率為點(diǎn)頻1 000 MHz，工作頻帶窄，頻率單一，無法利用寬帶電磁波色散效應(yīng)獲得更豐富的地層信息。為了更好的利用電磁波色散效應(yīng)，需要增大發(fā)射機(jī)的工作帶寬。目前國外斯倫貝謝公司已研制出寬頻帶介電測井儀[2]，工作頻率從20 MHz到1 000 MHz，國內(nèi)尚無此產(chǎn)品。

1 寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)主要組成

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)主要由MCU主控單元、寬頻帶頻率源[3]、寬頻帶功放驅(qū)動(dòng)和寬頻帶功率放大器構(gòu)成。其中MCU主控單元選擇單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，寬頻帶頻率源可以選擇合適的鎖相環(huán)(PLL)芯片制成，寬頻帶功放驅(qū)動(dòng)由于其輸出功率較低，可以選擇合適的低功率驅(qū)動(dòng)芯片制成。但是發(fā)射機(jī)需要大功率輸出信號(hào)，那么作為發(fā)射機(jī)的功率放大器如何兼顧大功率輸出和寬頻帶輸出，這是寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是本文論述分析的重點(diǎn)所在。功率放大器采用的半導(dǎo)體材料類型主要有雙極結(jié)型晶體管(BJT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、橫向雙擴(kuò)散MOS晶體管(LDMOS)、砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(GaAs MOSFET)以及氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)等。本文設(shè)計(jì)的寬頻帶發(fā)射機(jī)功率放大器在選用氮化鎵(GaN)和橫向雙擴(kuò)散MOS(LDMOS)工藝管芯的基礎(chǔ)上，利用寬帶阻抗匹配技術(shù)及平衡式功率放大器結(jié)構(gòu)研制而成。

寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)[4]框圖設(shè)計(jì)方案如圖1所示。在MCU主控單元的通信和控制下，寬頻帶頻率源在同步時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，分時(shí)產(chǎn)生頻率為20 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz的正弦信號(hào)。該正弦信號(hào)經(jīng)過寬頻帶功放驅(qū)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)放大后，進(jìn)入末級(jí)功率放大器的輸入級(jí)，經(jīng)功率放大器放大后，最大輸出功率不低于10 W(40 dBm)，接至天線調(diào)諧端，完成信號(hào)的發(fā)射過程。

圖1 寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框圖

2 寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)電路包括MCU主控單元電路、寬頻帶頻率源電路、寬頻帶功放驅(qū)動(dòng)電路和寬頻帶功率放大器電路四部分構(gòu)成，與圖1相符。

2.1 MCU主控單元電路

MCU主控單元主要作用是通過SPI通信方式，將發(fā)射信號(hào)的幅度字和頻率字寫入頻率源，并分別控制功放驅(qū)動(dòng)和功率放大器是否使能，是否進(jìn)入關(guān)斷休眠模式。

MCU主控單元選用可靠性高的dspic30f6010a單片機(jī)，結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪韺?shí)現(xiàn)。

2.2 寬頻帶頻率源電路

寬頻帶頻率源主要作用是按照主控單元的指令，分時(shí)輸出頻率為20 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz的正弦信號(hào)，要求具有輸出信號(hào)頻帶寬，雜散少、窄帶相位噪聲低等特點(diǎn)。鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，PLL)可以滿足上述要求，原理框圖如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)原理框圖

鎖相環(huán)[5]是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)相位跟蹤系統(tǒng)，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器四個(gè)基本部分組成的負(fù)反饋環(huán)路，通過比較輸入信號(hào)和振蕩器輸出分頻后的信號(hào)之間的相位差，產(chǎn)生誤差控制信號(hào)來調(diào)整振蕩器的頻率，以達(dá)到分頻后與輸入信號(hào)同頻同相，最終實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻率固定。此處鎖相環(huán)選用ADI公司產(chǎn)品ADF4351，其相位噪聲特性如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)ADF4351窄帶相位噪聲測試圖

圖3橫軸為偏移輸出頻率的偏移量，縱軸為該偏移量對(duì)應(yīng)的信號(hào)大小，即相位噪聲值。由圖中可以看出，偏移輸出信號(hào)1 kHz處的信號(hào)大小為-95 dBc/Hz以下，性能優(yōu)越，滿足應(yīng)用要求。選用該款集成電路，結(jié)合外圍濾波電路，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的分時(shí)輸出，負(fù)載為50 Ω條件下，最大輸出功率約為-6 dBm(0.25 mW)。

2.3 寬頻帶功放驅(qū)動(dòng)電路

由于前級(jí)頻率源電路輸出功率較低，帶載能力較差，所以需要驅(qū)動(dòng)電路將頻率源電路的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，使其功率適合后級(jí)功放輸入。此處選擇MiniCircuits公司的寬帶驅(qū)動(dòng)放大器，帶寬為DC到1 000 MHz，增益為21 dB，1 dB功率壓縮點(diǎn)(P1 dB,下同)為18 dBm。頻率源輸出信號(hào)-6 dBm，經(jīng)放大后，信號(hào)功率為15 dBm，未超過1 dB功率壓縮點(diǎn)的功率，滿足寬頻帶應(yīng)用要求。

2.4 寬頻帶功率放大器電路

單只功放管結(jié)構(gòu)的功率放大器網(wǎng)絡(luò)模型[6]如圖4所示。

圖4 功率放大器網(wǎng)絡(luò)模型

其中Z0=50 Ω阻抗，Zs表示從輸入匹配網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的源阻抗，Zin表示功放管的輸入阻抗，Zout表示功放管的輸出阻抗，ZL表示從輸出匹配網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的負(fù)載阻抗，Pin表示功放管的輸入功率，PL表示負(fù)載獲得的功率，Гs、Гin、Гout、ГL為各自所示方向看進(jìn)去的反射系數(shù)。

發(fā)射機(jī)輸出大功率信號(hào)為10 W，即40 dBm。寬帶功放驅(qū)動(dòng)的輸出功率約為15 dBm，那么要求功率放大器的整體增益G=25 dB?？梢圆捎脙杉?jí)放大的結(jié)構(gòu)，分為功放前級(jí)(G=15 dB，P1 dB=30 dBm)和功放末級(jí)(G=10 dB，P1 dB=40 dBm)。

寬頻帶功率放大器需要兼顧寬頻帶和大功率兩個(gè)方面，是寬帶發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)和局限性

寬帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于寬頻帶功率放大器的設(shè)計(jì)。其局限性也主要是寬頻帶功率放大器在高溫環(huán)境下應(yīng)用的局限性。

3.1 寬頻帶功率放大器電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)寬頻帶功率放大器電路，主要考慮的難點(diǎn)有：1)穩(wěn)定性[7]；2)輸入輸出駐波比及阻抗匹配；3)線性度。下面分別進(jìn)行討論。

3.1.1 穩(wěn)定性分析及實(shí)現(xiàn)方案

功率放大器的設(shè)計(jì)，首先需要滿足在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。結(jié)合圖4，在某一頻率處，對(duì)所有信號(hào)源和負(fù)載阻抗，式(1)～式(4)均成立，則稱功率放大器在該頻率處無條件穩(wěn)定，也稱為絕對(duì)穩(wěn)定。

|Γs|<1

(1)

|ΓL|<1

(2)

(3)

(4)

由式(1)和式(2)可以解得絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件，如式(5)～式(7)所示。

(5)

1-|S11|2>|S12×S21|

(6)

1-|S22|2>|S12×S21|

(7)

式中，Δ=S11×S22-S12×S21。

設(shè)計(jì)寬帶功率放大器應(yīng)該采用一定的措施，使得功放管在整個(gè)頻帶內(nèi)處于無條件穩(wěn)定狀態(tài)。常采用的無條件穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)方案有：1)引入負(fù)反饋，適當(dāng)減小功率放大器的增益；2)在網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口引入有耗網(wǎng)絡(luò)，比如串聯(lián)小的電阻(約為4 Ω左右)。

3.1.2 輸入輸出駐波比及阻抗匹配分析及實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)計(jì)功率放大器，一般需要通過輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[8]將功放管原始的輸入輸出阻抗值匹配至要求的阻抗值(常用50 Ω)。為了表征匹配的程度，引入輸入輸出駐波比，如式(8)所示：

(8)

其中Г為反射系數(shù)：

(9)

Z0為50 Ω系統(tǒng)阻抗，Z為功放管輸入端或者輸出端的實(shí)際阻抗，通常為復(fù)數(shù)形式。如果輸入輸出匹配較差，阻抗Z嚴(yán)重偏離50 Ω，那么根據(jù)式(8)式(9)可知，會(huì)造成反射系數(shù)和駐波比增大，嚴(yán)重失配時(shí)，甚至損壞功放管。由于此處功率放大器工作頻段較寬，那么就需要寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。對(duì)于功放的輸出模型，在某一特定頻率范圍內(nèi)阻抗匹配能達(dá)到的最優(yōu)反射系數(shù)如式(10)所示。

(10)

若要在ω1～ω2頻率范圍內(nèi)匹配良好，需使工作頻帶外|Γ|=1，工作頻帶內(nèi)|Γ|趨于0，可改寫式(10)為式(11)：

(11)

假設(shè)在頻率范圍ω1～ω2內(nèi)|Γ|為常數(shù)，則可得式(12)：

(12)

式(12)可以改寫為式(13)：

|Γ|≥e-π/(ω1ω2)RC=e-πQ2/Q1

(13)

由式(12)可知，對(duì)于功放的輸出來說，RC乘積越小，越容易實(shí)現(xiàn)輸出端寬帶匹配；同樣對(duì)于功放的輸入來說，RC乘積越大，越容易實(shí)現(xiàn)輸入端寬帶匹配。由式(13)可知，負(fù)載阻抗Q1越低，越容易實(shí)現(xiàn)輸出端寬帶匹配。由以上分析可知，可采用的寬帶匹配實(shí)現(xiàn)方案為利用多級(jí)LC網(wǎng)絡(luò)，降低Q值實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。

3.1.3 線性度改善分析及實(shí)現(xiàn)方案

功率放大器一般以三階互調(diào)分量來表征其線性度優(yōu)劣。三階互調(diào)分量定義如式(14)所示。

IMD3=Pf1-P2f2-f1

(14)

式中，f1和f2為兩個(gè)信號(hào)的頻率，f1接近f2；Pf1為頻率f1的信號(hào)的功率，P2f2-f1為經(jīng)過功放后產(chǎn)生的交調(diào)信號(hào)功率。IMD3越低，則功率放大器線性度越好?？梢圆捎玫木€性度改善方案為利用平衡式結(jié)構(gòu)[9]功率放大器結(jié)構(gòu)。平衡式結(jié)構(gòu)功率放大器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 平衡式結(jié)構(gòu)功率放大器

平衡式結(jié)構(gòu)功率放大器由兩個(gè)3 dB正交耦合器分別接在兩個(gè)完全相同的功放管的輸入端和輸出端組成。圖中省略了功放管的輸入輸出匹配電路，匹配電路位于耦合器和功放管之間。要保證最終輸出功率相同，那么該種結(jié)構(gòu)功率放大器每只功放管承受功率為采用單只功放管結(jié)構(gòu)時(shí)功放管承受功率的一半，三階交調(diào)系數(shù)改善了6 dB。

功率放大器的前級(jí)采用單只功放管結(jié)構(gòu)，選用MACOM公司的氮化鎵功率放大器，結(jié)合固定電阻衰減網(wǎng)絡(luò)及輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，可滿足功放前級(jí)增益G=15 dB，1 dB功率壓縮點(diǎn)P1 dB=30 dBm的要求。功放后級(jí)采用平衡式功放結(jié)構(gòu)，選用Ampleon公司的LDMOS工藝功率放大器，結(jié)合輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，滿足后級(jí)增益G=10 dB，1 dB功率壓縮點(diǎn)P1 dB=40 dBm要求。

3.2 高溫應(yīng)用局限性

介電測井儀的寬頻帶大功率發(fā)射機(jī)主要存在的局限性為功率放大器在高溫(測井)環(huán)境下的應(yīng)用局限性。下面首先闡述高溫環(huán)境下可能遇到的問題，然后針對(duì)局限性進(jìn)行說明。

元器件的低電平抗干擾電壓容限隨著溫度升高而減小，高電平抗干擾電壓容限隨溫度升高而增大。在高溫環(huán)境下需要考慮半導(dǎo)體器件的“最高工作殼溫”參數(shù)。當(dāng)儀器的工作環(huán)境溫度長時(shí)間接近或高于元器件的最高工作殼溫，會(huì)造成系統(tǒng)各個(gè)元器件大概率出現(xiàn)熱失效。特別會(huì)影響到功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使功率放大器的輸入輸出阻抗值及工作狀態(tài)均發(fā)生改變，甚至出現(xiàn)不可逆熱擊穿。

由于半導(dǎo)體芯片制作工藝的限制，如何在高溫環(huán)境(≥150 ℃)中穩(wěn)定工作，是本文所述寬頻帶大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用難點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室方案驗(yàn)證，可以通過多個(gè)發(fā)射機(jī)分時(shí)工作減小平均功耗、增加隔熱保溫瓶等措施，滿足高溫環(huán)境(≤175 ℃)的工程應(yīng)用，但尚未從本質(zhì)上解決該局限性，而且高頻微波器件的高溫應(yīng)用，也是目前整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的局限所在。

4 測試結(jié)果

將此寬頻帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)焊接組裝完畢，按照測試方案框圖連接，組成信號(hào)通路。測試方案框圖如圖6所示。

圖6 寬帶發(fā)射機(jī)測試框圖

圖6中用信號(hào)源提供32.768 MHz的信號(hào)作為寬頻帶頻率源的參考信號(hào)，功率放大器的輸出經(jīng)過40 dB大功率固定衰減器的衰減后，接至頻譜分析儀觀測信號(hào)的頻率及功率。測試環(huán)境如圖7所示。

圖7 寬帶發(fā)射機(jī)測試環(huán)境

按照如下測試步驟進(jìn)行測試：固定寬頻帶頻率源的輸出功率為-6 dBm，依次發(fā)射工作頻率為20 MHz、100 MHz、500 MHz、1 000 MHz的電磁波信號(hào)，分別記錄頻譜分析儀上信號(hào)的頻率與功率。測試照片如圖8、圖9、圖10、圖11所示。測試數(shù)據(jù)見表1。

圖8 輸出頻率20 MHz測試照片

圖9 輸出頻率100 MHz測試照片

圖11 輸出頻率1 000 MHz測試照片

表1 寬頻帶發(fā)射機(jī)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析及測試結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1)寬帶大功率發(fā)射機(jī)滿足頻率帶寬及大功率輸出的要求，可利用寬帶電磁波色散效應(yīng)獲得更豐富的地層信息，可以取代原有窄帶單頻點(diǎn)發(fā)射機(jī)。

2)由于寬帶阻抗匹配是一種折中的方案，以降低部分Q值為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)，而且發(fā)射機(jī)的功放驅(qū)動(dòng)及功率放大器為多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，各個(gè)管子選取不一定是最合適的，造成增益平坦度不夠好。這也是目前寬頻帶大功率發(fā)射機(jī)容易出現(xiàn)的問題。

3)采取更有效的措施，使儀器滿足高溫環(huán)境(≤175 ℃)下的工程應(yīng)用，是本系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。