復雜電磁環境下設備功率監測技術

林高源 李四明 孫英華

摘要：目前，某設備大多有功率監測和指示功能，但受設備內某些功率器件影響， AD采樣電路易受強電磁輻射信號干擾，使得采樣計算值與實際功率值在整個工作頻帶內存在不同偏差，難以保證全頻段內設備正常工作和功率降低時的指示準確性。本文通過硬件設計、軟件設計提出一種基于復雜電磁環境下設備功率監測技術。

關鍵詞：設備;AD采樣;功率;監測

引言

解決大功率復雜電磁環境下設備輸出功率監測信息準確、可靠采樣，是設備健康管理功能實現的重要基礎，也是設備監控的技術難點。

設備完成功率采樣基本流程如下：將功率輸出端的射頻信號轉換為低頻檢波脈沖送給功率檢測電路。通過運算放大器將接收的檢波脈沖信號放大，使得脈沖信號的幅度變化在合適范圍內;AD轉換芯片將檢波脈沖幅度轉換為8位數據送給處理器。送給處理器的8位AD轉換數據是功率值計算的基礎，其穩定性對最終結果至關重要。用于功率監測的故障檢測單元工作在設備中，設備內微帶電路、微波功率管等輻射到空間的能量會感應到線路上形成較強干擾。故障檢測單元在檢測射頻信號時，對于輸入信號及采樣后的信號穩定性都有著較高要求，否則容易出現檢測不穩定的狀況。

為獲得準確、可靠采樣功率值，主要技術難點體現在以下幾個方面：

①采樣鏈路抗干擾：設備輸出峰值功率比較大，電磁環境比較復雜，如何解決故障檢測單元內功率采樣鏈路抗干擾是技術難點;

②采樣數據脈沖過沖處理：要確保采樣功率穩定性必須在采樣時對檢波脈沖信號的穩定性進行控制。基于線路上的干擾及過脈沖的存在，直接對檢波脈沖采用常規的采樣處理方法，不能保證采樣AD值的穩定性，達不到功率上報的穩定性。如何對采樣數據脈沖過沖進行處理是技術難點;

③功率擬合處理：故障檢測單元處于設備微波環境中，檢波脈沖線路上存在干擾且合成濾波耦合器的耦合度及衰減器的衰減量在頻帶內存在波動，對數檢波器轉換的檢波電平輸入不同量級的功率也并非完美的對數關系。為確保設備在全頻帶、全功率范圍內實時精確上報功率值，對得到的AD選用何種擬合運算方式，是得到精確功率值的技術難點。

為實現設備功率監測在全頻段內精確指示，硬件上采取負反饋電路設計和抗干擾性設計;軟件上對采樣數據脈沖做過沖處理，對采取經過運放輸出的檢波脈沖信號進行平滑處理，對得到的平滑后AD值采用最小二乘擬合方式算得實時功率值，確保擬合指示功率值與功率計實測功率值近似相等。

1 硬件設計

1.1電路設計

硬件電路主要采用負反饋設計和濾波設計[1]。負反饋設計使運放工作在穩定線性工作區，去耦電容C20設計主要消除運放產生的自激。

硬件部分主要電路框圖如下圖1所示。

如上圖，A端為檢波電平輸入端，C端為檢波電平經過負反饋運放電路的輸出端，將檢波電平放大后送到AD模塊進行模數轉換。根據負反饋運放電路，由上圖可得公式（1）、（2）

， ……….（1）

，  ， ………….（2）

由公式（1）、（2）得公式（3）。

……………….（3）

AD芯片AD9064的VREFOUT端提供 ，得 ，

經過實際電路設計 ， ， ， ，得到 ?。AD9064的有效輸入電平為2V～3V，根據檢波電平 得出 ，并將 送入AD模塊進行量化數字AD值，進行功率運算處理。

電容C20為耦合電容，主要消除運放AD8041可能產生的自激振蕩對AD9064芯片產生的干擾。

1.2抗干擾設計

①屏蔽設計

設備故障檢測單元及功分檢波單元均采用屏蔽設計，屏蔽盒用一體化殼體制造工藝。屏蔽盒分為蓋板和殼體兩部分，殼體使用整個鋁塊銑制而成，避免了拼裝造成的縫隙，屏蔽效果良好;蓋板與殼體之間使用導電襯墊，減小接縫不平或變形產生電磁干擾;設備故障檢測單元采用了一個25芯的微矩型濾波連接器和一個SMA的高頻濾波連接器，其內部采用π型濾波電路，降低電纜上產生的干擾。

②電路布板及接地設計

設備故障檢測單元印制板，采用多層印制板電路設計。由于工作環境處于大功率微波組件內，存在較強電磁干擾，因此布板設計時將電源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下，這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源平滑電容[2]，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用;原則上表層和底層盡量少走線，與功率檢測相關的信號線不允許走在表層和底層;在表層的邊緣增加一條外露的銅皮，用過孔與地層連接，印制板表層和底層空余處也用過孔與地層連接，盡可能將電磁輻射吸收到地層上;數字信號與模擬信號在電路板布板時在物理上通過地線進行分開布板，印制板正面3.5mm接地裸漏銅皮上固定三角屏蔽條，三角屏蔽條用螺釘固定在印制板上。電源電路設置濾波電容和去耦電容;數字電路和模擬電路分開及分層排布，分別設置模擬信號地和數字信號地、電源地;時鐘電路和高頻電路單獨安排、遠離敏感電路，以減少干擾和輻射。

③減小設備干擾信號設計

設備內功率電路為微帶線結構，工程上不可避免的存在輻射信號，由于設備輸出功率較高，輻射信號比較強，對工作在設備內的功率采樣鏈路有比較強的輻射干擾。為了減小輻射干擾，一方面優化設備各微波電路的駐波，另一方面將輻射較大的設備功率放大電路設計成單獨的金屬隔墻，減小相互串擾，同時在組件蓋板的每個末級放大器頂部增加微波吸收材料，大幅降低輻射信號的能量。

2 軟件設計

功率運算處理將經過負反饋運放放大及濾波后的檢波電平進行模數轉換，采樣時鐘采用10MHz，對采樣的AD值進行平滑處理得到該時刻處理后激勵脈沖的AD值。根據當前脈沖的16位頻率碼信息提取相應的系數a，b，c，經過功率最小二乘擬合運算處理得到當前峰值功率值，并對正常模式下功率進行運算處理。具體數據處理時序如圖2所示。

AD采樣時鐘采用10兆赫茲時鐘，GATE上升沿后延時2微秒即t1時刻對檢波電平進行采樣，GATE下降沿前2微秒即t2時刻對檢波電平采樣結束，t1時刻到t2時刻對檢波電平采樣量化出來的AD值進行平滑處理，得到該脈沖下的AD值。GATE下降沿延時10微秒即t3時刻開始接收該脈沖的數據碼，每4微秒接收一位數據碼，經過64微秒即t4時刻接收完16位數據碼，同時t4時刻根據接收到的數據碼開始接收從RAM發過來的相應6個字節3個系數a，b，c，其中2字節系數a是功率最小二乘擬合計算的二次方系數，2字節系數b是功率最小二乘擬合計算的一次方系數，2字節系數c是功率最小二乘擬合計算的零次方系數，t5時刻接收完a，b，c三個系數。根據接收到的a，b，c三個系數在t6時刻進行功率二次方計算得到該時刻的實時峰值功率值。

3結論

經過環境實驗及可靠性實驗，電路上未采取抗干擾措施且軟件上對AD值只做一次曲線擬合，設備全頻帶內擬合上報的功率值與用功率計實測的功率值在高功率頻帶內誤差比較大，部分頻點擬合功率與上報功率誤差大于1000W;硬件電路上采取負反饋電路設計及抗干擾設計，軟件上對采樣數據脈沖做過沖處理，對采樣數據做平滑處理及對處理后的AD值做最小二乘擬合處理，設備全頻帶內擬合上報的功率值與用功率計實測的功率值基本相等。

參考文獻

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎.高等教育出版社.2006

[2] 薛 璐. 電路板級的電磁兼容設計. 電子世界.2012

3426501908210