高精度的短波發射機功率校準控制系統設計

(同方電子科技有限公司 高端通信研究所，江西 九江 332000)

0 引言

由于短波通信相比其他通信方式具有設備簡單、價格低廉、通信距離遠、抗摧毀能力強、抗干擾能力強、機動靈活不需中繼等優點[1]，在軍事領域的應用具有不可替代作用[2]。短波電臺作為短波通信載體，發射機又是短波電臺主要組成部分，其發射功率大小、發射頻率成分是否干凈、保護系統設計是否合理，直接關乎發射機的使用性能和壽命[3]。其中，發射機功率的控制研究是一個重要的研究方向。

實際發射機功率控制過程中，存在如下問題：功率校準的操作過程非常繁瑣、發射機功放管非線性輸出、射頻器件差異，用檢測電壓計算輸出功率精度不足等。其中，文獻[4]設計了高效率高線性度的功率放大器，文獻[5]對功率放大器非線性特性及矯正技術進行了研究、文獻[6]對高功率放大器預失真技術進行了研究；文獻[7]對寬帶高速電臺發射機系統的保護設計應用進行了研究；文獻[8]對短波發射機的輸出功率及其控制實現進行了研究。

發射功率控制精度，是系統的重要指標。根據閉環控制原理和實際短波電臺設計經驗，設計一種高精度的短波發射機功率校準系統。該功率校準系統對提升發射機的實際工作輸出功率及其輸出精度提供重要支撐與保障。

1 發射機系統

發射機系統是指由控制單元、激勵器、預后選器、功率放大器、諧波濾波器和天調接口單元組成的有機統一整體。其主要作用是完成對輸入信號的調制、頻率改變、濾波、放大等功能[7]。發射時射頻信號流程為：從控制單元前面板進入的話音或數據信號經過音頻放大、濾波處理后送至激勵器，然后進行音頻A/D轉換、調制、變頻、射頻D/A轉換、濾波、放大等處理，產生1.6～30 MHz的射頻激勵信號送至預后選器進行激勵信號放大，再送到功率放大器放大后送至諧波濾波器進行濾波，濾波后的射頻功率信號通過天調接口模塊進行射頻、電源和控制信號合路，送至天饋系統或假負載，發射出去。發射時控制信號流程為：外部設備輸入發射鍵控PTT信號送至控制單元前面板，控制單元開啟發射通道，控制激勵器的激勵放大電路、功放的功率放大電路、諧波濾波器的波段切換電路、天調的調諧電路工作。其中，控制單元用于對發射機功率的控制，是發射機系統的核心部分。

1.1 發射機功率控制

控制單元對射頻輸出功率的控制，是根據自動電平控制原理，以功率校準時得到的衰減值表格和AD值表格為依據，通過查表的方式，找到對應工作頻率下的衰減值，作為初始衰減值，送給功率放大器的數控衰減器，使能射頻通路功率輸出。然后根據天調接口單元檢波電路反饋的電壓動態調整衰減值，使功率輸出不受外界影響，穩定在允許范圍內。

具體步驟是：把采集的天調接口單元正向檢測AD值和基準AD值表格中對應工作頻率的AD值換算成功率值,與基準功率相比較。檢測功率值大，則增大數控衰減器的衰減值；檢測功率值小，則按臺階減小數控衰減器的衰減值。慢抬快降，動態調整，從而使得射頻輸出功率穩定在允許范圍內。其中，功率校準時生成的衰減值表格和基準電壓AD值表格，其精度和準確度會直接影響功率控制的精度。其原理框圖如圖1。

圖1 功率控制原理框圖

由檢測電壓值換算檢測功率的公式為:

(1)

其中:P采為檢測電壓換算后的檢測功率值，P基準為功率控制的基準功率值，AD采為采集的天調接口正向檢測電壓AD值，AD表為查基準電壓AD值表格獲得的AD值。

從圖2可以看出，表格中的衰減值和AD值與頻率不存在線性相關，但是其隨頻率變化趨勢光滑，而且數控衰減器控制精度只有0.25 dB，為簡化計算，落在兩個測試頻點之間的頻率的衰減值和AD值可以按就近原則，取鄰近頻點的衰減值和AD值做功率控制。若需再提高控制精度，則減小校準步進，但是存儲數據量相應增加，校準效率降低。

圖2 衰減值和AD值隨頻率變化散點圖

在實際發射時，功率控制可以彌補由于溫度上升等引起的功率變化。另外為了防止過大的駐波損壞元件，還需結合反向檢測AD值來計算反射系數和駐波比等參數調整衰減值[8]。

1.2 發射機功率校準

由于發射機系統工作在不同頻率、不同溫度下，其輸出特性并不一致。如不同的頻率下，給功放相同的衰減值，其功率輸出差異較大。為了達到在不同的工作頻率下，能輸出穩定的功率幅度，則必須先進行功率校準[9]。因此，功率校準是實現不同頻點、不同溫度下功率輸出幅度的重要手段和保障。

常見的發射機功率校準方式有兩種：“人工校準”和“內部環路校準”。

1)人工校準：通過功率放大器單板調試獲取衰減值表格，寫入控制軟件并燒寫至發射機控制單元。操作發射機轉發后對功率計進行讀數，由于功放管非線性輸出，調整相同的衰減值與獲得的功率增幅不成正比，需根據讀數與基準功率差值不斷修改表格，直至讀數在誤差允許范圍內，操作起來既耗時耗力又難于保證精度。其次，由于電子器件差異，比如功放管的差異，還有焊接工藝的影響，使得每臺發射機不能使用相同的衰減表格，完全不適用于發射機在車間批量生產的情況。

2)內部環路校準：開始校準時，發射機按初始衰減值表格輸出；通過控制單元實時采集正向檢測電壓，并換算成功率與基準功率進行比較。控制軟件根據功率差值(dB表示)自動調整數控衰減器的增益，直至判斷認為功率值在誤差允許范圍內，功率校準結束。這種方式相比人工校準的方式，有了很大的改進，但是由于檢測頭檢測值不是一個線性值，將檢測電壓換算成功率，其精度仍然存在缺陷。

2 系統設計

2.1 系統原理

高精度的短波發射機功率校準系統，是通過結合精密測量的功率計和人機友好的終端機，根據閉環控制原理，以功率計獲取的射頻功率和駐波比信息作為系統的反饋參數，發射機控制單元根據反饋參數自動調整功率放大器中數控衰減器的增益，使得出去的射頻功率能夠輸出在誤差允許范圍內。其工作原理如圖3。

圖3 功率校準原理框圖

開始校準后，ALC終端下發控制命令和配置參數給控制單元，控制單元置激勵工作模式和工作頻率，并按初始衰減值送數控衰減器。當收到ALC終端的發射指令后，控制單元打開射頻發射通路。等待功率穩定后，ALC終端通過向功率計發配置和讀取命令獲取到功率和駐波比信息，并反饋給控制單元。同時，控制單元從天調接口單元采集正向檢測AD值，記錄并上傳給ALC終端顯示。控制單元根據獲取的功率和駐波比信息，與基準功率相比較，自動計算應調整的衰減數值，記錄并保存等待下一輪更新數控衰減器，然后按步進增加，繼續下一個頻點。經過多次調整后，所有工作頻率輸出功率均逼近于基準功率，控制單元把此時記錄的正向檢測AD值和衰減數值生成隨頻點變化的兩張表格，并保存作為實際發射時功率控制的基準表格。實際功率與基準功率衰減差值計算公式為:

(2)

其中:ΔdB為實際功率與基準功率衰減差值(單位dB)，P基準為基準功率值，P實際為實際功率值。

2.2 功率校準

功率校準生成控制單元做功率控制的衰減表格和AD值表格。其具體流程是：(1)控制單元收到功率校準指令后，置激勵等幅報模式，控收發開關發；(2)獲取ALC終端下發的功率等級、步進和校準頻率等信息，送激勵頻率字和諧波濾波器波段碼，置數控衰減器衰減值；(3)獲取ALC終端的開始發射指令，打開射頻發射通道；(4)ALC終端等待3 s讀取功率計功率值和駐波比信息，若功率值過大，則送停止校準指令，結束功率校準流程，否則，通知發射機撤功率，送停止發射指令；(5)控制單元獲取停止發射指令后采集正向檢測電壓，關閉發射通道，上報衰減值和AD值信息；(6)ALC終端送功率值和駐波比信息，獲取控制單元上報的衰減值和AD值信息，保存數據，打印顯示；(7)控制單元獲取功率值和駐波比信息后，根據算法調整衰減值；(8)校準頻率按步進增加，ALC終端判斷校準頻率是否為終止頻率，若是則送停止校準指令，結束功率校準流程，否則繼續下一個頻點的功率校準。

功率校準需要注意以下幾點：(1)控制單元把收發開關控發后，校準過程保持，可以防止發通道開啟延時，功率反射燒毀功放管；(2)ALC終端下發頻率前，先判斷該頻率上一次的發射功率是否在允許范圍內，如果是，則跳過該頻點，按步進增加，發送下一個頻點，功率合格情況下不必再次調整，目的是提高校準效率；(3)發射單音后等待3 s，ALC終端再讀取功率計，目的是穩定輸出功率，保證數據準確性；(4)當ALC終端讀取的功率值過大時，為了防止功放硬件保護電路啟動告警，導致校準流程紊亂，應立即發送結束校準指令，結束校準流程；(5)每個頻點每一輪只更新一次衰減值，當次更新后等待下一輪再作更新，這樣可以把功放燒熱，保證功率輸出與實際輸出狀態一致，從而提高數據準確性；(6)所有頻點校準完畢后，控制單元把衰減值表格和基準電壓AD值表格固化在內部Flash，數據不易丟失。

如圖4，衰減值調整算法把從終端獲取的功率、駐波比和控制單元采集的天調接口單元檢波電壓獲得的AD值綜合考慮，排除通信故障或設備故障，避免數據不可靠。主要分四種情況：(1)獲取的功率值為0；(2)獲取的功率值較大時，駐波比不合格；(3)獲取的功率值較大時，AD值較小；(4)獲取的功率值較小時，AD值較大。出現任一種情況，校準數據都會無效，衰減值不作調整。

圖4 控制單元衰減值調整算法

若四種情況均未出現，則判斷功率值是否在允許范圍內。若功率值在允許范圍內，則衰減值不作調整。否則，計算實際功率與基準功率差值(dB表示)，并按照功率差值范圍決定衰減碼調整步進，但衰減碼調整步進需要解決校準效率和功放安全之間的矛盾。若衰減碼調整步進過小，則會增加調整次數，從而降低功率校準效率；如果調整步進過大，由于功放管非線性輸出，在功率抬升時，功放硬件保護電路可能會啟動告警，甚至功放管被燒毀。實際在其它型號發射機上，應當調整參數以滿足上述要求。

2.3 檢查表格

2.3.1 查詢表格子模塊

查詢表格是查詢每個測試頻點對應的衰減值和AD值。其具體流程是：(1)ALC終端下發開始查詢，并送功率等級和步進，控制單元收到后保存；(2)ALC終端下發頻率，控制單元收到頻率后上報衰減值和AD值，ALC終端獲取打印結果；(3)ALC終端頻率按步進增加，繼續給控制單元下發頻率，重復此步驟，直至下發頻率為終止頻率，則查詢流程結束。最終可以從ALC終端上看到各個頻點對應的衰減值和AD值，供操作人員分析和校對數據。

2.3.2 功率檢查子模塊

功率校準完畢后進行功率檢查。其具體流程是：(1)控制單元收到功率檢查指令后，置激勵等幅報模式，控收發開關發；(2)獲取ALC終端下發的功率等級、步進和檢查頻率等信息，送激勵頻率字和諧波濾波器波段碼，置數控衰減器功率校準獲得的衰減數據；(3)獲取ALC終端的發射指令，打開射頻發射通道；(4)ALC終端讀取功率計功率值和駐波比信息，若功率值過大，則送停止檢查指令，結束功率檢查流程，否則，送停止發射指令，通知發射機撤功率；(5)控制單元采集正向檢測電壓，關閉發射通道，上報衰減值和AD值信息；(6)ALC終端獲取后將功率值、駐波比、衰減值和AD值等打印顯示；(7)檢查頻率按步進增加，ALC終端判斷檢查頻率是否為終止頻率，若是則送停止檢查指令，結束功率檢查流程，否則繼續下一個頻點的功率檢查流程。大致與功率校準相同，區別在于ALC終端不向控制單元下發功率值和駐波比，同時控制單元也不調整衰減值。功率檢查是為了檢查功率校準數據，如若功率檢查發射功率在誤差允許范圍內，則認定數據無誤。

2.4 初始化表格

2.4.1 本地初始化子模塊

本地初始化是一鍵式更新發射機內部的功率校準初始數據。其具體流程是：ALC終端下發本地初始化命令，控制單元收到后，按衰減碼的歷史經驗值初始化衰減表格，并更新內部Flash。歷史經驗值是過去十臺發射機校準結果取平均值得到，能接近實際衰減值，減少校準所花費的時間，提高發射機校準的效率。

2.4.2 人工初始化子模塊

當發現發射機功放特性差異較大時，可以通過個人經驗手動編輯，調整表格，從而達到快速校準的目的。具體過程是先修改配置文件，然后打開ALC終端，點擊人工初始化，ALC終端會下發初始化命令，并附帶配置文件里的衰減數據。控制單元收到后，獲取并初始化衰減表格，同時更新內部Flash。

2.4.3 更新功率表格子模塊

該發射機功率校準分為四個功率等級，分別是高功率、中功率、低功率、調諧功率。高功率等級校準結束后，高功率的衰減表格和基準AD值表格已生成。因功率控制高功率以下等級不需基準AD值表格，所以只要通過高功率衰減表格，根據經驗得到高功率與中功率衰減差值(dB表示，下同)、高功率與低功率衰減差值、高功率與調諧功率衰減差值，就可以快速生成中功率、低功率、調諧功率的衰減表格。具體流程是：在配置文件修改三個差值，修改完畢后，打開ALC終端，點擊更新功率表格，ALC終端會下發更新功率表格的命令，控制單元收到后根據三個差值，更新中功率、低功率、調諧功率的衰減表格，并保存在內部Flash。在發射機功放特性差異較大，沒有經驗值或不想修改配置文件時，通過這種方式生成衰減表格，操作方便，準確性高，又能提高校準效率。

3 實驗與分析

實驗平臺：(1)硬件:125 W短波收發信機、RS功率計、PC機、USB轉RS232串口線、定制網口線；(2)軟件：短波電臺控制軟件、ALC終端軟件等。

實驗參數：頻率范圍1.6～30 MHz、步進500 kHz、功率等級高功率。

如圖5，為ALC終端軟件，將軟件模式選擇本地初始化，執行ALC終端令控制單元打開射頻通路發射功率，ALC終端讀取功率計功率值并下發給控制單元處理，控制單元根據衰減值調整算法更新衰減值，等待下一次校準。經過多次校準后，實際輸出功率無限逼近于基準功率。這時保存的衰減值和AD值即作為功率控制的基準表格。

圖5 ALC終端軟件配置界面

圖6分別使用本文方法、內部校準方法和人工校準方法生成的表格，發射機做功率控制后其輸出功率隨頻率變化曲線。本文介紹的功率校準方法生成的表格輸出功率與125 W基準功率更加逼近，具有更高的精度，輸出功率完全能夠滿足發射機電性能指標中的要求。

圖6 輸出功率隨頻率變化曲線

4 結語

高精度的短波發射機功率校準方法獲得的衰減值表格和基準電壓AD值表格，在實際發射時輸出功率有更高的精度，精度提升約35%。同時，工作自動化省時省力，解決了校準過程中操作繁瑣、發射機頻響差、電子器件差異及檢測頭精度不足等問題。但是受外場儀表配置所限，目前該方法只應用于車間發射機校試、返修，同時，若能夠提高數控衰減器控制精度，則發射機能夠獲得更高精度的功率輸出。