顧漢清，盛勝君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

在大功率發(fā)射機(jī)中，采用閉環(huán)自動(dòng)電平控制(Automatic Level Control，ALC)實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的控制，使得發(fā)射機(jī)在不同環(huán)境條件和負(fù)載條件下輸出功率穩(wěn)定并達(dá)到額定值。ALC的設(shè)計(jì)需保證在瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，避免功率放大器由于過(guò)激勵(lì)形成大功率瞬態(tài)脈沖造成的損壞;瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)應(yīng)遵循在保證發(fā)射機(jī)工作可靠的條件下盡量快，使發(fā)射機(jī)能滿足不同工作體制如快速跳頻通信體制。模擬電路的閉環(huán)控制如果未進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然響應(yīng)時(shí)間快，但環(huán)路響應(yīng)有較大的幅度過(guò)沖(振鈴)有可能造成功率放大器損壞。采用DSP的無(wú)過(guò)沖功率控制技術(shù)在寬帶功率放大器開環(huán)增益平坦度變化很大的情況下，會(huì)導(dǎo)致增益小的頻點(diǎn)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間過(guò)慢，從而影響整個(gè)發(fā)射機(jī)的性能［1，2］。本文闡述了利用開關(guān)電容積分放大電路解決大功率發(fā)射機(jī)ALC電路的過(guò)沖問(wèn)題，電路簡(jiǎn)單，并采用零極點(diǎn)計(jì)算法，得到了環(huán)路的穿越頻率，利用相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。

1 利用開關(guān)電容解決發(fā)射機(jī)過(guò)沖問(wèn)題的方法

傳統(tǒng)的ALC閉環(huán)控制電路如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:輸出信號(hào)經(jīng)定向耦合器取樣和檢波后得到輸出電壓:

輸出電壓送去參考比較得到比較電壓:

比較電壓控制電調(diào)衰減器:

經(jīng)功放放大后，得到:

可以得到:

式5中，K1K4都是常量，所以輸出功率大小只是與Vref相關(guān)的量，從而形成ALC閉環(huán)控制的過(guò)程。

由于積分電路零輸入響應(yīng)的直流增益特別大，導(dǎo)致輸出ALC初始電壓無(wú)法收斂，接近于運(yùn)放的飽和電壓，過(guò)高的ALC電壓使電調(diào)衰減器幾乎無(wú)衰減。所以，上述ALC控制過(guò)程初始狀態(tài)的過(guò)沖很難避免。

開關(guān)電容積分電路如圖2所示。在傳統(tǒng)積分電路的基礎(chǔ)上引入開關(guān)S，使積分電路變成開關(guān)電容放大器。在穩(wěn)態(tài)電路分析中，開關(guān)S的工作方式是當(dāng)t=0時(shí)閉合，積分電路成了簡(jiǎn)單的電壓跟隨器，ALC電壓保持一個(gè)合理的初始值，當(dāng)t＞0時(shí)，開關(guān)S打開，形成一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)域響應(yīng)，只要環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，環(huán)路穩(wěn)定無(wú)振蕩，就可以避免過(guò)沖的產(chǎn)生。

采用開關(guān)電容積分的ALC控制方法，對(duì)一個(gè)發(fā)射通路建模仿真得到的ALC控制電壓響應(yīng)過(guò)程如圖3所示，電壓過(guò)沖小于5%，相應(yīng)的功率過(guò)沖小于10%，指標(biāo)滿足工程使用要求。

圖1 ALC閉環(huán)控制電路

圖2 開關(guān)電容積分電路

圖3 ALC電壓穩(wěn)定過(guò)程

2 利用相位補(bǔ)償優(yōu)化功率控制技術(shù)的瞬態(tài)響應(yīng)

在發(fā)射功率ALC控制過(guò)程中，其動(dòng)態(tài)性能可用開環(huán)頻域指標(biāo)——穿越頻率和相位裕量來(lái)衡量。其中穿越頻率反映了系統(tǒng)的快速性，相位裕量反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性［3］。一般地，相位裕量可由穿越頻率求得。要想加快ALC響應(yīng)速度，就必須提高環(huán)路的穿越頻率，但同時(shí)要保證有足夠相位裕量使環(huán)路穩(wěn)定。穿越頻率的計(jì)算比較復(fù)雜［4］，這里采用零極點(diǎn)計(jì)算法，更適合工程上的應(yīng)用。在圖2中，其傳遞函數(shù)的表達(dá)式為:

該傳遞函數(shù)的幅頻和相頻響應(yīng)如圖4所示，其零點(diǎn)頻率fz為:

極點(diǎn)頻率fp為:

圖4 環(huán)路濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)

基于環(huán)路濾波器的穿越頻率在工程上的計(jì)算方法和圖表［5］，對(duì)于有源2次環(huán)路濾波器:

式中，k1、k2為歸一化頻率因子，fm表示穿越頻率，計(jì)算為:

這樣，在確定環(huán)路設(shè)計(jì)常數(shù)的情況下，選擇相位裕量帶寬fdL/fdH最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)的最優(yōu)值。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

按照上述發(fā)射機(jī)ALC控制環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)方法，給出一個(gè)UHF頻段100W發(fā)射機(jī)的實(shí)例，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:相位裕量60°，相位裕量帶寬比5，穿越頻率15kHz，計(jì)算可得 fZ≈3.2kHz，fp≈73kHz，設(shè)計(jì)直流增益10dB，則:R1=1kΩ，R2=10kΩ，C2=5 000pF，C1=230pF。

經(jīng)實(shí)測(cè)，實(shí)際ALC電路起控時(shí)間30μs，射頻包絡(luò)響應(yīng)如圖5所示。

圖5 ALC射頻包絡(luò)響應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了利用開關(guān)電容和相位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)的功率控制技術(shù)，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示該方法具有良好的性能，證明了這種方法的可行性。

［1］黎劍，章煜.一種無(wú)過(guò)沖RF功率控制技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)［J］.通信對(duì)抗，2008，(4):42－45.

［2］王姜鉑，藍(lán)永海，張向杰.基于DSP的射頻功率數(shù)字控制研究［J］.通信對(duì)抗，2008，(1):54－57.

［3］孫凡才.自動(dòng)控制原理和系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987:79－82.

［4］Brian Butterfield.優(yōu)化帶前饋電容的內(nèi)置補(bǔ)償DC－DC轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)［R］.Texas:Texas Instruments，2008.

［5］遠(yuǎn)坂俊昭.鎖相環(huán)(PLL)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006:270－279.