介电测井仪宽频带发射机系统开发设计

李俊一

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

0 引 言

石油工业中二次开采和三次开采中低电阻率油层和高电阻率水层并不罕见。利用电阻率方法区别油水层常常失效，而水的相对介电常数(80左右)和油的相对介电常数(2～4)相差很大；所以介电常数的测量较之其它手段能更加简单的区分油、气、水层。近年来，对井眼附近地层介电常数的测量越来越受到重视。地层介电常数的测量需要使用介电测井仪，介电测井仪利用发射和接收路径电磁波的相对幅度、相位的差值，反演得到地层的介电常数和电阻率值。

早期应用于介电测井仪的发射机[1]工作频率为点频1 000 MHz，工作频带窄，频率单一，无法利用宽带电磁波色散效应获得更丰富的地层信息。为了更好的利用电磁波色散效应，需要增大发射机的工作带宽。目前国外斯伦贝谢公司已研制出宽频带介电测井仪[2]，工作频率从20 MHz到1 000 MHz，国内尚无此产品。

1 宽频带发射机系统设计方案

1.1 系统主要组成

本文设计开发的宽频带发射机系统主要由MCU主控单元、宽频带频率源[3]、宽频带功放驱动和宽频带功率放大器构成。其中MCU主控单元选择单片机来实现，宽频带频率源可以选择合适的锁相环(PLL)芯片制成，宽频带功放驱动由于其输出功率较低，可以选择合适的低功率驱动芯片制成。但是发射机需要大功率输出信号，那么作为发射机的功率放大器如何兼顾大功率输出和宽频带输出，这是宽频带发射机系统设计的重点和难点，也是本文论述分析的重点所在。功率放大器采用的半导体材料类型主要有双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、横向双扩散MOS晶体管(LDMOS)、砷化镓金属半导体场效应管(GaAs MOSFET)以及氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)等。本文设计的宽频带发射机功率放大器在选用氮化镓(GaN)和横向双扩散MOS(LDMOS)工艺管芯的基础上，利用宽带阻抗匹配技术及平衡式功率放大器结构研制而成。

宽频带发射机系统[4]框图设计方案如图1所示。在MCU主控单元的通信和控制下，宽频带频率源在同步时钟驱动下，分时产生频率为20 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz的正弦信号。该正弦信号经过宽频带功放驱动进行适当放大后，进入末级功率放大器的输入级，经功率放大器放大后，最大输出功率不低于10 W(40 dBm)，接至天线调谐端，完成信号的发射过程。

图1 宽频带发射机系统框图

2 宽频带发射机系统电路设计

宽频带发射机系统电路包括MCU主控单元电路、宽频带频率源电路、宽频带功放驱动电路和宽频带功率放大器电路四部分构成，与图1相符。

2.1 MCU主控单元电路

MCU主控单元主要作用是通过SPI通信方式，将发射信号的幅度字和频率字写入频率源，并分别控制功放驱动和功率放大器是否使能，是否进入关断休眠模式。

MCU主控单元选用可靠性高的dspic30f6010a单片机，结合适当的外围电路来实现。

2.2 宽频带频率源电路

宽频带频率源主要作用是按照主控单元的指令，分时输出频率为20 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz的正弦信号，要求具有输出信号频带宽，杂散少、窄带相位噪声低等特点。锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)可以满足上述要求，原理框图如图2所示。

图2 锁相环原理框图

锁相环[5]是一个能够跟踪输入信号相位的闭环相位跟踪系统，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器四个基本部分组成的负反馈环路，通过比较输入信号和振荡器输出分频后的信号之间的相位差，产生误差控制信号来调整振荡器的频率，以达到分频后与输入信号同频同相，最终实现输出信号的频率固定。此处锁相环选用ADI公司产品ADF4351，其相位噪声特性如图3所示。

图3 锁相环ADF4351窄带相位噪声测试图

图3横轴为偏移输出频率的偏移量，纵轴为该偏移量对应的信号大小，即相位噪声值。由图中可以看出，偏移输出信号1 kHz处的信号大小为-95 dBc/Hz以下，性能优越，满足应用要求。选用该款集成电路，结合外围滤波电路，可实现宽带信号的分时输出，负载为50 Ω条件下，最大输出功率约为-6 dBm(0.25 mW)。

2.3 宽频带功放驱动电路

由于前级频率源电路输出功率较低，带载能力较差，所以需要驱动电路将频率源电路的输出信号进行适当放大，使其功率适合后级功放输入。此处选择MiniCircuits公司的宽带驱动放大器，带宽为DC到1 000 MHz，增益为21 dB，1 dB功率压缩点(P1 dB,下同)为18 dBm。频率源输出信号-6 dBm，经放大后，信号功率为15 dBm，未超过1 dB功率压缩点的功率，满足宽频带应用要求。

2.4 宽频带功率放大器电路

单只功放管结构的功率放大器网络模型[6]如图4所示。

图4 功率放大器网络模型

其中Z0=50 Ω阻抗，Zs表示从输入匹配网络看进去的源阻抗，Zin表示功放管的输入阻抗，Zout表示功放管的输出阻抗，ZL表示从输出匹配网络看进去的负载阻抗，Pin表示功放管的输入功率，PL表示负载获得的功率，Гs、Гin、Гout、ГL为各自所示方向看进去的反射系数。

发射机输出大功率信号为10 W，即40 dBm。宽带功放驱动的输出功率约为15 dBm，那么要求功率放大器的整体增益G=25 dB。可以采用两级放大的结构，分为功放前级(G=15 dB，P1 dB=30 dBm)和功放末级(G=10 dB，P1 dB=40 dBm)。

宽频带功率放大器需要兼顾宽频带和大功率两个方面，是宽带发射机设计的重点和难点。

3 系统设计难点和局限性

宽带发射机系统设计的重点和难点在于宽频带功率放大器的设计。其局限性也主要是宽频带功率放大器在高温环境下应用的局限性。

3.1 宽频带功率放大器电路设计难点

设计宽频带功率放大器电路，主要考虑的难点有：1)稳定性[7]；2)输入输出驻波比及阻抗匹配；3)线性度。下面分别进行讨论。

3.1.1 稳定性分析及实现方案

功率放大器的设计，首先需要满足在工作频段内的稳定性。结合图4，在某一频率处，对所有信号源和负载阻抗，式(1)～式(4)均成立，则称功率放大器在该频率处无条件稳定，也称为绝对稳定。

|Γs|<1

(1)

|ΓL|<1

(2)

(3)

(4)

由式(1)和式(2)可以解得绝对稳定的充要条件，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。

设计宽带功率放大器应该采用一定的措施，使得功放管在整个频带内处于无条件稳定状态。常采用的无条件稳定实现方案有：1)引入负反馈，适当减小功率放大器的增益；2)在网络输入输出端口引入有耗网络，比如串联小的电阻(约为4 Ω左右)。

3.1.2 输入输出驻波比及阻抗匹配分析及实现方案

设计功率放大器，一般需要通过输入输出阻抗匹配网络[8]将功放管原始的输入输出阻抗值匹配至要求的阻抗值(常用50 Ω)。为了表征匹配的程度，引入输入输出驻波比，如式(8)所示：

(8)

其中Г为反射系数：

(9)

Z0为50 Ω系统阻抗，Z为功放管输入端或者输出端的实际阻抗，通常为复数形式。如果输入输出匹配较差，阻抗Z严重偏离50 Ω，那么根据式(8)式(9)可知，会造成反射系数和驻波比增大，严重失配时，甚至损坏功放管。由于此处功率放大器工作频段较宽，那么就需要宽带匹配网络的设计。对于功放的输出模型，在某一特定频率范围内阻抗匹配能达到的最优反射系数如式(10)所示。

(10)

若要在ω1～ω2频率范围内匹配良好，需使工作频带外|Γ|=1，工作频带内|Γ|趋于0，可改写式(10)为式(11)：

(11)

假设在频率范围ω1～ω2内|Γ|为常数，则可得式(12)：

(12)

式(12)可以改写为式(13)：

|Γ|≥e-π/(ω1ω2)RC=e-πQ2/Q1

(13)

由式(12)可知，对于功放的输出来说，RC乘积越小，越容易实现输出端宽带匹配；同样对于功放的输入来说，RC乘积越大，越容易实现输入端宽带匹配。由式(13)可知，负载阻抗Q1越低，越容易实现输出端宽带匹配。由以上分析可知，可采用的宽带匹配实现方案为利用多级LC网络，降低Q值实现宽带匹配。

3.1.3 线性度改善分析及实现方案

功率放大器一般以三阶互调分量来表征其线性度优劣。三阶互调分量定义如式(14)所示。

IMD3=Pf1-P2f2-f1

(14)

式中，f1和f2为两个信号的频率，f1接近f2；Pf1为频率f1的信号的功率，P2f2-f1为经过功放后产生的交调信号功率。IMD3越低，则功率放大器线性度越好。可以采用的线性度改善方案为利用平衡式结构[9]功率放大器结构。平衡式结构功率放大器结构如图5所示。

图5 平衡式结构功率放大器

平衡式结构功率放大器由两个3 dB正交耦合器分别接在两个完全相同的功放管的输入端和输出端组成。图中省略了功放管的输入输出匹配电路，匹配电路位于耦合器和功放管之间。要保证最终输出功率相同，那么该种结构功率放大器每只功放管承受功率为采用单只功放管结构时功放管承受功率的一半，三阶交调系数改善了6 dB。

功率放大器的前级采用单只功放管结构，选用MACOM公司的氮化镓功率放大器，结合固定电阻衰减网络及输入输出匹配网络，可满足功放前级增益G=15 dB，1 dB功率压缩点P1 dB=30 dBm的要求。功放后级采用平衡式功放结构，选用Ampleon公司的LDMOS工艺功率放大器，结合输入输出匹配网络，满足后级增益G=10 dB，1 dB功率压缩点P1 dB=40 dBm要求。

3.2 高温应用局限性

介电测井仪的宽频带大功率发射机主要存在的局限性为功率放大器在高温(测井)环境下的应用局限性。下面首先阐述高温环境下可能遇到的问题，然后针对局限性进行说明。

元器件的低电平抗干扰电压容限随着温度升高而减小，高电平抗干扰电压容限随温度升高而增大。在高温环境下需要考虑半导体器件的“最高工作壳温”参数。当仪器的工作环境温度长时间接近或高于元器件的最高工作壳温，会造成系统各个元器件大概率出现热失效。特别会影响到功率放大器的静态工作点电压，使功率放大器的输入输出阻抗值及工作状态均发生改变，甚至出现不可逆热击穿。

由于半导体芯片制作工艺的限制，如何在高温环境(≥150 ℃)中稳定工作，是本文所述宽频带大功率发射机的应用难点。经过实验室方案验证，可以通过多个发射机分时工作减小平均功耗、增加隔热保温瓶等措施，满足高温环境(≤175 ℃)的工程应用，但尚未从本质上解决该局限性，而且高频微波器件的高温应用，也是目前整个半导体行业的局限所在。

4 测试结果

将此宽频带发射机系统焊接组装完毕，按照测试方案框图连接，组成信号通路。测试方案框图如图6所示。

图6 宽带发射机测试框图

图6中用信号源提供32.768 MHz的信号作为宽频带频率源的参考信号，功率放大器的输出经过40 dB大功率固定衰减器的衰减后，接至频谱分析仪观测信号的频率及功率。测试环境如图7所示。

图7 宽带发射机测试环境

按照如下测试步骤进行测试：固定宽频带频率源的输出功率为-6 dBm，依次发射工作频率为20 MHz、100 MHz、500 MHz、1 000 MHz的电磁波信号，分别记录频谱分析仪上信号的频率与功率。测试照片如图8、图9、图10、图11所示。测试数据见表1。

图8 输出频率20 MHz测试照片

图9 输出频率100 MHz测试照片

图11 输出频率1 000 MHz测试照片

表1 宽频带发射机测试数据

5 结 论

根据以上分析及测试结果，可得出如下结论：

1)宽带大功率发射机满足频率带宽及大功率输出的要求，可利用宽带电磁波色散效应获得更丰富的地层信息，可以取代原有窄带单频点发射机。

2)由于宽带阻抗匹配是一种折中的方案，以降低部分Q值为代价来实现，而且发射机的功放驱动及功率放大器为多级级联结构，各个管子选取不一定是最合适的，造成增益平坦度不够好。这也是目前宽频带大功率发射机容易出现的问题。

3)采取更有效的措施，使仪器满足高温环境(≤175 ℃)下的工程应用，是本系统面临的挑战。