鄒 煒，衛(wèi) 明，趙柱平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第36 研究所，浙江嘉興 314033)

0 引 言

作為電子對(duì)抗系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，功率放大器處于整個(gè)系統(tǒng)的末端，承擔(dān)能量放大任務(wù)，具有舉足輕重的地位。功率放大器工作的穩(wěn)定性、可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的壓制效果。功率放大器是大功率設(shè)備，具有大功率設(shè)備所固有的特點(diǎn)，如工作時(shí)電流大、溫度高和負(fù)載敏感等，工作穩(wěn)定性和可靠性要受到許多因素，如溫度、頻率變化等的影響。功率放大器前后相連的設(shè)備及環(huán)境的任何異常都可能造成功放嚴(yán)重故障甚至損壞，從而使整個(gè)通信干擾系統(tǒng)無(wú)法起到壓制干擾作用［1］。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中影響功放可靠性的因素主要有以下幾個(gè)方面。

(1)功率過(guò)沖?，F(xiàn)有功放中的控制電路多為傳統(tǒng)的模擬式自動(dòng)電平控制(ALC)電路，如圖1 所示。該電路以預(yù)設(shè)的一個(gè)固定比較電壓值為基準(zhǔn)，通過(guò)將定向耦合器的輸出電平與該基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生一個(gè)反饋控制電壓作用于電調(diào)衰減器，逐漸趨近于基準(zhǔn)電壓，最終實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)幅輸出。由圖1 可以看出該控制電路存在著滯后效應(yīng)，控制電壓的變化總是滯后于功率的變化，從而導(dǎo)致干擾啟動(dòng)期內(nèi)輸出信號(hào)功率瞬間過(guò)沖(視電路設(shè)計(jì)情況，過(guò)沖時(shí)間在數(shù)十至數(shù)百μs，幅度可達(dá)滿功率的數(shù)倍)。該現(xiàn)象很容易將功率管擊穿，大大降低了系統(tǒng)的可靠性，并人為提高了濾波器和開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)難度和成本，甚至造成電源的故障。若在現(xiàn)有控制電路上進(jìn)行改進(jìn)消除過(guò)沖則又必然大大延遲功率建立時(shí)間，無(wú)法滿足現(xiàn)代通信對(duì)抗系統(tǒng)中高速跳頻應(yīng)用的需求。

圖1 傳統(tǒng)功放控制系統(tǒng)框圖

(2)溫度的影響。大功率射頻電路的特性(包括功率管、檢波管等組成部分)受溫度影響比較大。功率控制的重要參考量——檢波電壓在高低溫情況下往往可相差達(dá)1 ～2 dB，造成系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定，影響干擾效果和系統(tǒng)設(shè)備安全。

(3)頻率的影響。大功率射頻電路的特性與頻率也是息息相關(guān)的。由于通信干擾系統(tǒng)大多工作在寬帶情況下，對(duì)于不同頻率的輸入信號(hào)，功放特性相差很大。而圖1 所示的ALC 控制電路只能按照一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電平進(jìn)行控制，從而造成功放的寬帶情況下的輸出平坦度差，也影響了干擾效果甚至造成設(shè)備損壞。

(4)匹配問(wèn)題。功率放大器對(duì)于輸出端的匹配狀況也是非常敏感的。在駐波過(guò)大的情況下很容易造成功率管的損壞。實(shí)際工作中的電子干擾設(shè)備的環(huán)境條件往往是比較惡劣的，天線的移動(dòng)，線纜的松動(dòng)，甚至雨雪冰霜等氣候狀況都可能造成駐波變差。而傳統(tǒng)功放控制電路里對(duì)于駐波的檢測(cè)是有滯后性的，只能在已經(jīng)發(fā)生了大駐波的情況下報(bào)警，而此時(shí)，功率管往往已經(jīng)損壞了，因?yàn)榇篑v波的檢測(cè)時(shí)間已經(jīng)超出了功率管對(duì)大駐波的持續(xù)可承受時(shí)間。

綜上所述，對(duì)于功率放大器這樣的大功率射頻設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性受到很多內(nèi)外因素的制約，而在目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電子對(duì)抗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中還沒(méi)有全面考慮這些問(wèn)題，直接影響到了功放的可靠性，故障頻發(fā)，使部分人員談大功率設(shè)備而色變，直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

1 總體方案設(shè)計(jì)

雖然大功率設(shè)備本身的特點(diǎn)決定了它是一種易損設(shè)備，但是通過(guò)上述分析，可以明白功放容易損壞還與傳統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)有相當(dāng)關(guān)系。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的控制電路是被動(dòng)的，具有滯后性，并且不進(jìn)行信息交換的“盲控制”。無(wú)論是過(guò)沖損壞也好，還是駐波過(guò)大、溫度變化等造成的損壞也好，透過(guò)不同的損壞原因，看到了相同的本質(zhì):由于現(xiàn)有功放的控制系統(tǒng)是被動(dòng)起控，并且不參與系統(tǒng)的信息交互，因此無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境也無(wú)法預(yù)防相應(yīng)的故障發(fā)生。隨著技術(shù)的發(fā)展和電子戰(zhàn)設(shè)備的升級(jí)，這種獨(dú)立于系統(tǒng)和環(huán)境之外的“盲控制”已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)需求。

因此，在功放的基本射頻電路無(wú)法改變的情況下，需要改變其控制電路設(shè)計(jì)，變被動(dòng)為主動(dòng)，自主獲取設(shè)備可靠工作所需的各種信息參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)智能判斷，從而避免上述問(wèn)題。

由于高速數(shù)字器件在信息交互中具有的天生優(yōu)勢(shì)，可以采用以高速數(shù)字化器件為核心的電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式智能自適應(yīng)控制保護(hù)工作。新的控制電路必須具備以下要求:

a)高速無(wú)過(guò)沖ALC 控制;

b)對(duì)溫度等環(huán)境變化的自適應(yīng)性;

c)對(duì)于大駐波等各種故障的主動(dòng)預(yù)防性;

d)寬帶工作中對(duì)于不同頻率輸入信號(hào)的智能功率補(bǔ)償技術(shù)。

要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)上述要求，需要諸多傳感器和外圍器件的配合。如溫度傳感器、電流傳感器和高速AD/DA 器件等，信息量龐大?？刂齐娐繁仨毑粩啾O(jiān)控這些信息，從而及時(shí)的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，完成任務(wù)。但是考慮到，電子對(duì)抗系統(tǒng)中對(duì)于ALC 控制的時(shí)間要求正越來(lái)越嚴(yán)格，主處理器必須把主要精力用來(lái)做ALC 功率控制的相關(guān)工作，保持對(duì)功率檢波電壓變化的不間斷監(jiān)測(cè)，對(duì)于其他工作“分身乏術(shù)”，而且駐波等故障保護(hù)時(shí)間要求也極為嚴(yán)格，通過(guò)MCU 去檢測(cè)的時(shí)間已經(jīng)不能接受。傳統(tǒng)思路里那種以微控制器為核心，連接一堆外圍接口器件的控制電路設(shè)計(jì)方案，全部工作由MCU 主導(dǎo)的電路已不適用于對(duì)抗系統(tǒng)中功放控制電路使用。

為此，通過(guò)研究提出了新的解決方案，并應(yīng)用在了某型號(hào)工程的研制過(guò)程中。即以高速M(fèi)CU 和CPLD(或FPGA)為核心器件，通過(guò)獨(dú)特的信息總線連接各種外圍器件，功率控制與狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)并行處理，該電路設(shè)計(jì)組成如圖2 所示。

圖2 新型數(shù)字化智能自適應(yīng)控制電路組成示意圖

其最大特點(diǎn)就是充分應(yīng)用了數(shù)字電路的強(qiáng)大功能和模擬電路的高效率、高速度。MCU 可以把全部精力用于功率控制相關(guān)工作，而與環(huán)境和各種故障檢測(cè)電路的信息交換工作則由高速的CPLD 進(jìn)行并行處理。從而有效的解決了龐大復(fù)雜的控制需求與極短的控制響應(yīng)時(shí)間之間的矛盾。各外圍電路通過(guò)信息交換總線與CPLD 相連，一般不占用MCU 的資源，當(dāng)有必須通知MCU 的事件時(shí)，以中斷方式通知MCU，同時(shí)可以實(shí)時(shí)響應(yīng)MCU 的查詢。CPLD 能保持對(duì)電流、駐波和溫度等功放敏感信息的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)判斷故障趨勢(shì)。工程實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以很好的兼顧高速無(wú)過(guò)沖ALC 控制、故障的智能主動(dòng)預(yù)防判斷和環(huán)境暨頻率的自適應(yīng)控制等要求。

2 主要技術(shù)

在上述控制方案設(shè)計(jì)中，采用了一系列開(kāi)創(chuàng)性的先進(jìn)技術(shù)，主要有以下幾種。

2.1 高速無(wú)過(guò)沖ALC 控制技術(shù)

功放傳統(tǒng)控制電路的等效模型如圖3 所示。

圖3 功率放大器傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的理論模型

圖中Vref 為功率檔設(shè)置電平，用R(s)來(lái)描述;E(s)為控制電壓;A 表示功率放大器的頻響特性;C(s)為功放輸出的包絡(luò)特性;β 為定向耦合器的放大倍數(shù)，用B(s)來(lái)描述指示功率大小的反饋電壓的AC 特性。它接近于一個(gè)二階模型。其傳遞函數(shù)如下

式中，K 為增益;1/s 為一個(gè)積分器的模型，它的極點(diǎn)為0;T1為另一個(gè)主極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)。

如引言所述，此種控制模型必然存在著滯后效應(yīng)，無(wú)法同時(shí)兼顧無(wú)過(guò)沖和快速起控的要求［2］。因此，考慮采用預(yù)衰減的辦法。即預(yù)置一個(gè)較大的衰減值，使功放起始不至于輸出功率過(guò)大，然后再逐漸逼近所需輸出功率。該設(shè)計(jì)的核心和難點(diǎn)在于要快速的起控又不致產(chǎn)生振蕩，以適應(yīng)高速跳頻應(yīng)用的需求，因此，算法很關(guān)鍵。

方案設(shè)計(jì)采用了由高速A/D、高速處理芯片和高速D/A 等組成的自行設(shè)計(jì)的高速ALC 電路，基于預(yù)衰減思想和變步進(jìn)逼近算法，通過(guò)預(yù)置大衰減實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)沖，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率檢波信號(hào)與預(yù)置基準(zhǔn)值進(jìn)行比較處理，經(jīng)算法處理產(chǎn)生合適的電壓值控制電調(diào)衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制。考慮到高速跳頻應(yīng)用的需求，這個(gè)ALC 起控時(shí)間一般要求在100 μs以內(nèi)。傳統(tǒng)的逼近算法受制于AD/DA 轉(zhuǎn)換的迭代處理流程，一個(gè)循環(huán)就需要接近10 μs，在響應(yīng)時(shí)間上往往較長(zhǎng)，若強(qiáng)行加快則有可能引起控制振蕩。

為此，在某型號(hào)功放的研制中，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和研究工作，最終確定了一種新的變步進(jìn)逼近算法，既實(shí)現(xiàn)了高速無(wú)過(guò)沖起控又不會(huì)產(chǎn)生振蕩。該算法是依據(jù)檢波器的特性曲線，在其中的近似線性區(qū)間內(nèi)，結(jié)合衰減值先直接計(jì)算出需要調(diào)整的衰減量的大致值，大幅度逼近所需功率，在此基礎(chǔ)上或進(jìn)入非線性區(qū)間后再進(jìn)行小幅PID 微調(diào)以達(dá)到所需值。

對(duì)數(shù)檢波器輸入－輸出關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 對(duì)數(shù)檢波器輸入－輸出關(guān)系曲線

現(xiàn)行功放中所用的檢波器主要分兩種，一種是對(duì)數(shù)檢波器［3］，對(duì)數(shù)檢波器輸出電壓(圖4 縱軸)與其耦合輸入功率一定范圍內(nèi)成線性?？扇∑渥兓€中的線性部分計(jì)算斜率，根據(jù)起始衰減量并結(jié)合該曲線即可計(jì)算出要達(dá)到滿功率輸出所需改變的衰減量的近似值。

實(shí)際中常用的另一種檢波器則是均方根檢波器件。其檢波電壓與輸出功率成指數(shù)關(guān)系，為

其計(jì)算復(fù)雜一些。但是由于高速DSP 的處理能力且可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)功率值(如減小一定值)做適當(dāng)調(diào)整，使公式計(jì)算簡(jiǎn)化，一樣可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成處理。

經(jīng)此處理后，輸出功率即使仍不能滿足要求，也必然與實(shí)際值相差不遠(yuǎn)。隨后可用優(yōu)化PID 算法從容的完成最終調(diào)整，并繼續(xù)保持對(duì)功率檢波電壓的監(jiān)測(cè)，如有偏移，則不斷調(diào)用優(yōu)化PID 算法進(jìn)行微調(diào)并借助智能自適應(yīng)技術(shù)(見(jiàn)后述)，使輸出功率始終維持在期望輸出值附近一個(gè)很小的波動(dòng)區(qū)間Δ 的范圍內(nèi)，從而保持穩(wěn)定。

PID 算法的一般形式為

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)優(yōu)化PID 算法［4，5］，進(jìn)行了工程針對(duì)性優(yōu)化。

整個(gè)ALC 軟件流程如圖5 所示。

圖5 快速無(wú)過(guò)沖ALC 軟件流程示意圖

在采用了此軟件流程處理后的跳頻狀態(tài)下，功放輸出功率實(shí)測(cè)波形圖如圖6 所示。可以看出功率變化平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了快速無(wú)過(guò)沖起控的目的。實(shí)測(cè)其全頻帶穩(wěn)幅時(shí)間在100 μs 以內(nèi)，而全環(huán)境狀態(tài)輸出功率變化范圍Δ ＜0.2 dB。從而從根本上避免了因?yàn)闆_擊幅度過(guò)大導(dǎo)致的各種問(wèn)題，使通信干擾系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。

圖6 快速無(wú)過(guò)沖ALC 控制實(shí)測(cè)圖

2.2 主動(dòng)式故障預(yù)防技術(shù)

傳統(tǒng)的功放控制電路受制于體制設(shè)計(jì)，對(duì)于故障處理都是被動(dòng)的、滯后的，只能在故障已經(jīng)發(fā)生后給出告警信號(hào)。而大功率設(shè)備的特點(diǎn)決定了其承受異常狀況的能力差，當(dāng)系統(tǒng)最終得到故障信息時(shí)，功放往往已經(jīng)發(fā)生了不可逆的損壞。因此，主動(dòng)和及時(shí)的故障判別，防患于未然就顯得特別重要。

在新的控制設(shè)計(jì)方案中，把故障和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)電路與ALC 主控制電路獨(dú)立開(kāi)來(lái)，目的就是利用CPLD 的高速和并行特性保持對(duì)功放大量狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷。

如圖2 所示，溫度檢測(cè)、各功放模塊的電流檢測(cè)及正反向功率檢測(cè)等都通過(guò)格式統(tǒng)一的信息交換總線與CPLD 不斷的進(jìn)行信息交互。由于CPLD 的靈活性，可以將程序按實(shí)際功能需求劃分為若干模塊，每一個(gè)模塊都是獨(dú)立連續(xù)工作的。這樣就使得功放能夠不斷保持對(duì)所有這些外部檢測(cè)電路的數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有狀態(tài)信息的無(wú)縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而其核心分析處理模塊則不斷的對(duì)檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析，判斷是否有發(fā)生故障的可能性，滿足了故障保護(hù)及時(shí)性的要求。

而主動(dòng)性預(yù)防則是由新的處理思路實(shí)現(xiàn)的。比如大駐波監(jiān)測(cè)，CPLD 程序中有一個(gè)模塊專門負(fù)責(zé)讀取檢測(cè)到的駐波值(通過(guò)外部電路對(duì)正反向檢波電壓的比較處理得到［6］)。正常工作情況下，駐波值應(yīng)大致保持穩(wěn)定，若某一時(shí)刻發(fā)現(xiàn)駐波突然異常升高超過(guò)一定值，則CPLD 就可以立即控制功放進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，而不必等到駐波達(dá)到危險(xiǎn)值才響應(yīng)。其軟件處理流程如圖7 所示。

圖7 軟件流程圖

溫度、電流等檢測(cè)模塊也采用同樣的處理流程(對(duì)于電流檢測(cè)，還可以同時(shí)進(jìn)行各模塊電流比較，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流不平衡現(xiàn)象，并給出明確的故障定位信息)，其核心思想就是對(duì)各狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢(shì)而非實(shí)時(shí)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)趨勢(shì)在達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)之前就由CPLD 自行作出故障判斷，盡早保護(hù)，將損失降到最小化。而且一旦發(fā)生故障，會(huì)立即將此時(shí)各種電流、駐波值等相關(guān)參數(shù)寫入“黑匣子”——鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)內(nèi)以方便快速查找及修復(fù)故障。之所以選擇FRAM，主要是考慮到了FRAM 工作可靠，讀寫訪問(wèn)速度比FLASH 更快，數(shù)據(jù)保存更穩(wěn)定，因此也更加適合于惡劣環(huán)境和高性能應(yīng)用。CPLD 軟件架構(gòu)如圖8 所示。

圖8 CPLD 軟件架構(gòu)

2.3 自適應(yīng)智能控制技術(shù)

在通信對(duì)抗系統(tǒng)中，寬帶大功率放大器一直以來(lái)就伴隨有輸出功率隨溫度、頻率變化而大幅度波動(dòng)的問(wèn)題，對(duì)干擾效果及與功放直接相連的設(shè)備可靠性影響極大。而這可以通過(guò)在控制電路中采用環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)來(lái)解決。

傳統(tǒng)的方案是采用對(duì)功率檢波電壓按溫度和按頻率造表的辦法。但是，如果采用該方法，對(duì)于寬帶大功率設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于工作頻率和工作溫度范圍之寬，數(shù)據(jù)量將是非常之大。若選點(diǎn)較少，又不可避免的會(huì)出現(xiàn)輸出的不連續(xù)現(xiàn)象，變化較大。因此，在本設(shè)計(jì)中，沒(méi)有機(jī)械的造海量數(shù)據(jù)表，而是對(duì)檢波器的特性造表。如前所述的幾種檢波器件一般都給出了隨溫度和頻率的變化曲線(可做近似線性處理)。若以常溫下對(duì)應(yīng)檢波電壓值為基準(zhǔn)，溫度、頻率信息為兩入口參數(shù)，再結(jié)合檢波器特性曲線就可以自行計(jì)算出當(dāng)前溫度與環(huán)境情況下的合適檢波電壓值，使功率輸出始終保持在同一水平，不至于隨環(huán)境等的變化而大幅度波動(dòng)。

這樣，借助溫度傳感器及由激勵(lì)器告知的頻率信息，功率放大器不再是盲目的能量放大設(shè)備，而是有了自己的大腦，可以實(shí)時(shí)的根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整輸出功率。MCU 可以根據(jù)不同的實(shí)際溫度信息和頻段信息，在每次做ALC 功率控制過(guò)程時(shí)都調(diào)用不同的功率檢波電壓基準(zhǔn)值代入ALC 算法中運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、頻率的自適應(yīng)控制。

而且，由于數(shù)字器件的運(yùn)用，還可以連接儀器，使用電腦控制，通過(guò)Labview 等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)試造表過(guò)程的自動(dòng)化，從而極大的方便調(diào)試過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，由于采用了獨(dú)立于ALC 電路的信息總線進(jìn)行功放的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)判，采用特性圖斜率逼近并配合使用優(yōu)化PID 算法進(jìn)行ALC 控制及加入了溫度、頻率的智能自適應(yīng)技術(shù)等一系列的創(chuàng)新性技術(shù)應(yīng)用，使得功率放大器的可靠性和穩(wěn)定性及一系列相關(guān)指標(biāo)均獲得了極大提升，取得了質(zhì)的飛躍，從而也極大的提高了通信對(duì)抗系統(tǒng)的可靠性。

在某型號(hào)的寬帶大功率功放的研制中，已經(jīng)成功應(yīng)用了該智能自適應(yīng)控制技術(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該功放功率輸出平穩(wěn)，工作穩(wěn)定可靠，對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力強(qiáng)。所屬通信對(duì)抗系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的可靠性也較以前的設(shè)備有了極大的提高。

未來(lái)，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入雙端口RAM、更高速M(fèi)CU 器件以提高速度;對(duì)連接CPLD與外圍器件的信息總線進(jìn)行規(guī)范化、固定化;同時(shí)進(jìn)一步完善自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)，從而使電子對(duì)抗系統(tǒng)中的功率放大器具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾性。

［1］《電子戰(zhàn)技術(shù)與應(yīng)用——通信對(duì)抗篇》編寫組.電子戰(zhàn)技術(shù)與應(yīng)用——通信對(duì)抗篇［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［2］戴忠達(dá).自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］LT5537 datasheet Linear 公司［Z］.

［4］鄒煒，趙柱平，劉榮輝.射頻功放的無(wú)過(guò)沖環(huán)路控制技術(shù)研究［C］//第十一屆通信對(duì)抗年會(huì)論文集，2008.

［5］王姜鉑，藍(lán)永海. 基于DSP 的射頻功率數(shù)字化研究［J］.通信對(duì)抗，2008.

［6］楊霖，等.利用對(duì)數(shù)檢波器實(shí)現(xiàn)射頻功放過(guò)駐波保護(hù)［J］.電子產(chǎn)品世界，2008(12):36－38.