基于STM 32的GaAs放大器控制系统设计

尧长青，华伟，何委林，魏义镇

（1.四川大学电子信息学院，成都610065；2.中国人民解放军78111部队，成都610084）

0 引言

微波辐照在酯化、氧化、取代、加成、缩合、聚合等化学反应[1]，在诸如肺癌A549细胞的凋亡[2]，L-02人肝细胞和IAR20鼠肝细胞的增殖[3]等细胞生长有明显影响。常用的磁控管和固态功率微波装置中，磁控管微波功率源存在功率变化非线性和不易实现功率在线调整、测试等问题，以压控振荡器（Voltage Controlled Os⁃cillator，VCO）、多级放大器等器件构建的固态微波源可提供稳定的频率，功率在线调整。其中，噪声低、增益高的砷化镓场效应晶体管（Gallium Arsenide Field Ef⁃fect Transistor，GaAs FET）常用于设计低噪声放大器、功率放大器、射频开关等[4]。然而，砷化镓半导体器件要求在供电时，须先有VGS再有VDS，断电时，须先断开VDS再断开VGS，否则GaAs功率放大器将被烧毁[5]。本文参照文献[6]的电路设计，给出了一种按指定顺序提供电压的控制电路确保GaAs FET放大器的安全，并控制放大器在连续波、脉冲波状态下工作的电路设计方案。根据推动功率放大器GaAs晶体管的需求，采用STM32F系列芯片对放大器的工作状态进行控制。测试结果表明，采用电路和算法相结合的控制方法，可以有效检测上电故障，达到保障上电和控制放大器工作状态的作用。

1 电路结构

本文设计的GaAs放大器控制系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件电路主要是控制电路和采用Cortex-M3内核的STM32微控制器[7]，软件部分主要负责控制放大器工作状态、打开或关闭控制电路。总体结构框图如图1所示，-5V电源直接给放大器供电，但是+12V电源通过控制电路给放大器供电；控制电路为一常断开关，在接收到STM32的+3.3V控制电压后闭合，+12V电压给放大器供电，放大器开始工作。STM32必须满足两个条件才给出控制电压：一是给放大器供电的-5V电压必须存在，二是接到可以给出控制电压的命令，二者缺一不可。

图1 GaAs放大器控制系统结构框图

2 硬件设计

MOSFET（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的电压控制晶体管，适合做开关[8]。不同型号的GaAs功率放大器需要的电流从零点几A到数A不等，考虑到通用型和富余度，本文选用能承受电流、功率适合的IXTP26P20PMOSFET管，其ID为-26A，适用于装置中驱动微波射频功率放大器；三极管选用实验室常用、性能稳定的MMBT2222A。

设计的上电顺序控制电路如图2所示，其输出端子X1向放大器提供+12V电源，X2接直流电源+12V，X3为STM32的控制电压输出端，可以提供+3.3V电压，X4为+5V电压，X5接-5V电压。其工作原理为当X3处电压为0V（低电平）或者X5处电压为-5V时，VT2不导通，Q1不工作，X1处电压为0V；当X3处电压为+3.3V且X5处为-5V时，VT1、VT2导通，Q1开始工作，X1处输出电压从低电平提高为+12V。STM32通过提供+3.3V电压控制GaAs FET+12V电压的上电和断电。当需要连续波时，X3处持续加载+3.3V且X5处持续加载-5V；当需要脉冲时，X5处持续加载-5V，X3处由STM32给出脉冲信号，通过控制信号的时间长短来确定脉冲信号的周期和占空比。图3给出了设计电路的PCB图。

图2 控制电路原理图

电路仿真波形和RIGOLDS2202示波器显示的实测5Hz、占空比50%控制波形的比较，如图4所示，当端口X3、X4均为高电平时，X1输出高电平；当X3为高电平、X4为低电平或者X3为低电平、X4为高电平时，X1输出低电平，电路的性能满足上电和断电顺序要求。

图3 控制电路PCB图

图4 电路仿真波形和实测波形图

在放大电路加电顺序正确的前提下，输入2.45GHz、19.80dBm的连续波，经过GaAs功率放大器，再经30dB衰减器接入DSA1030A频谱分析仪测试其输出功率为2.53dBm，如图5所示。放大器输出的信号实际功率32.53dBm，工作正常。

利用如图6左边框图的电路，测试当GaAs放大器脉冲工作特性。STM32输出重复频率为10KHz占空比为20%的控制信号，连续波输入的2.45GHz信号，在经过放大器后，下变频到10 MHz的波形，在RIGOL DS2202示波器上得到的测试波形，如图6所示，说明设计的控制电路可以提供脉冲放大作用。

图5 连续RF信号经过GaAs功率放大器前后的频谱

图6 脉冲调制的RF信号的波形

3 软件设计

STM32控制上电与断电电路的工作流程如下：当设备总电源开关打开时，-5V电压加载到GaAs放大器的栅极（Gate）。当控制程序参数初始化设置完毕，检测-5V电压存在，延时0.5s后提供+3.3V控制电压，上电控制电路MOSFET导通，向GaAs放大器提供+12V电压。当总电源开关关闭时，STM32芯片及其输出的控制电压立即中断，放大器的漏极+12V电压（Drain）断开；放大器的栅极并联了一个大电容，总电源断电后，电容提供-5V电压，直至电能耗尽；当需要人为中断工作时，由STM32中断控制电压，放大器的+12V电压首先中断，放大器停止工作。STM32通过+3.3V电压控制了放大器+12V电压的开和关，实现了放大器上电、断电顺序的控制。

当需要连续波时，控制电路持续为放大器供电；当需要脉冲时，STM32通过控制PWM输出脉冲宽度和占空比，控制+12V电压的通断，从而实现控制GaAs放大器脉冲放大的作用。

放大器可工作于连续放大、脉冲放大、先连续波再脉冲波输出、先脉冲波再连续波输出等模式。连续放大模式如图7所示，首先选择连续波模式，设置连续放大工作时长Tc，延时0.5秒后，STM32立即给出+3.3V控制电压，放大器开始工作。当计数器时间与设置的工作时间Tc相等时，STM32 PWM波输出低电平，放大器停止工作。

脉冲放大模式的控制流程如图8所示，首先选择脉冲放大模式，设置脉冲工作时长Tp，设置脉冲放大的周期 Tt（Tt＜Tp）、占空比 a（0＜a＜1），在一个周期 Tt内，STM32先给出Tt*a时间的+3.3V控制电压，再给出Tt*（1-a）时间的0V电压，累计工作时长Tp。

先连续放大后脉冲放大模式工作流程如图9所示，首先设置总工作时长Tz，再设置连续波工作时长Tc（0＜Tc＜Tz），尔后设置脉冲波的工作时长 Tp、周期 Tt（2Tt＜（Tz-Tc））、占空比 a（a＜1），STM32 分别输出 Tc时间的控制电压，再给出Tp时间的脉冲控制电压。先脉冲波后连续波模式工作流程如图10所示，工作流程与图9类似，参数设置完后，STM32先给出Tp时长的脉冲控制电压，再给出Tc时长的持续控制电压。

4 结语

本文设计的由电路和STM32组成的控制系统，与文献[6]相比增加了软件检测功能，通过GaAs射频功率放大器上电、断电顺序的控制和上电时间的控制，实现了脉冲、连续放大功能。放大器可工作于连续放大、脉冲放大、先连续放大后脉冲放大、先脉冲放大后连续放大等四种模式，能检测-5V的Vgs是否存在，确保放大器安全工作。通过实测表明系统监测能力强、稳定性高，方便与其他电路集成，具有较好的普适性。

图7 连续波模式工作流程图

图8 脉冲波模式工作流程图

图9 先连续波后脉冲波模式工作流程图

图10 先脉冲波后连续波模式工作流程图

参考文献：

[1]何应钦.微波促进有机合成与研究[J].广东化工,2011,38(3):232-233.

[2]刘晓冬,徐冶,王晓军,等.微波辐射非热效应对A549细胞损伤反应的研究[J].中外医疗,2013,32(6):21-23.

[3]裴剑,黄欣,陈树德,等.高功率脉冲微波细胞生物效应中脉冲个数与效应的关系研究[J].辐射防护,2012,32(1):1-7.

[4]张利飞.微波固态功率放大器的研制[D].杭州电子科技大学,2010.

[5]张旭明.卫星广播电视地球站固态高功率放大器性能分析[J].广播电视信息,2017(4):76-77.

[6]王建跃,耿亮,徐小帆.一种GaN功率放大器的电源时序控制和调制电路,CN 204761400U[P].2015.

[7]王晓龙，穆春阳，张盼盼，等.基于STM32的智能笔筒设计[J].电子科技，2015，28(8):43-46.

[8]郑洁,串禾.MOSFET开关的驱动[J].电力电子技术,1998(1):92-94.