散射高功率放大器監控系統設計

孫柏昶? 吳丹? 王棟良? 王荊寧

摘? 要：高功率放大器在散射通信系統中承擔著發射信號的作用，其性能好壞影響通信鏈路的質量，而監控系統作為高功率放大器神經中樞，承擔著設備控制、狀態監測與保護的重任。針對散射通信系統對設備監控系統的遠程、便捷及高可靠的要求，在MCU的硬件基礎上，采用專用SLIP協議的RS485總線，分析設計了設備的工作狀態及狀態轉移，利用循環結構及中斷處理程序進行了系統實現。設備運行表明，該監控系統穩定可靠，可實時監測設備狀態，對工程有一定參考意義。

關鍵詞：散射通信；高功率放大器；監控；串行總線網際協議；回波損耗

中圖分類號：TN722；TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）24-0053-05

Design of Scattering High Power Amplifier Monitoring System

YANG Zuocheng， SUN Baichang， WU Dan， WANG Dongliang， WANG Jingning

（The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang? 050081， China）

Abstract： High power amplifiers play a role in transmitting signals in scattering communication systems， and their performance affects the quality of communication links. As the neural center of high-power amplifiers， monitoring systems bear the heavy responsibility of equipment control， status monitoring and protection. In response to the remote， convenient， and highly reliable requirements of the scattering communication system for the equipment monitoring system， based on the hardware of MCU， a dedicated SLIP protocol RS485 bus is used to analyze and design the working status and state transition of the equipment. The system is implemented using a loop structure and interrupt processing program. The operation of the equipment indicates that the monitoring system is stable and reliable， and can monitor the equipment status in real time， which has certain reference significance for engineering.

Keywords： scattering communication; high power amplifier; monitoring; Serial Line Internet Protocol; return loss

0? 引? 言

散射通信是利用對流層散射信道進行通信的一種超視距無線通信方式。散射通信由于單跳通信距離遠、通信容量大、天線波束銳方向性不易被截收和干擾以及具有抗核爆炸能力強、機動性好等特點，受到軍方的高度重視，成為戰略與戰術通信網中不可缺少的一種通信手段。如今軍事作戰范圍越來越大、作戰節奏越來越快，對散射通信系統提出了高機動、高性能、低人工維護的迫切需求。

由于散射信道通信距離遠、信號衰減大，因此散射通信系統往往需要功率放大器輸出功率在百瓦乃至千瓦量級的補償路徑衰減。隨著第三代半導體器件的快速發展，散射通信系統中高功率放大器（High-Power Amplifier， HPA）功率密度得到了快速提升，同時為了減少饋線損耗、艙內噪聲，節省艙內空間，天線裝載的高功率放大器（以下簡稱高功放）成為發展趨勢。

高功放是散射通信系統中的重要組成部分，它將低電平信號放大為功率信號，通過天線輻射出去，其性能好壞直接影響鏈路的質量。高功放為功率設備，高溫狀態工作且遠程艙外工作，這樣對高功放的監控系統提出了更高要求。在高可靠性通信系統中，不僅要求滿足系統的技術指標，而且要在復雜對抗電磁環境下對其狀態進行實時監控，并根據設備狀態進行告警、保護甚至無損切換。這種情況下，高功放就不僅具有放大功能，還要求實時監控輸出及反射功率、溫度、電流、風扇及電源狀態，根據參數狀態給出相應告警、保護措施，并上報本機狀態同時執行上位機的開關功放等指令。

針對散射通信系統對高功放提出的這一要求，基于MCU及接口芯片的硬件設計了兩層架構的監控系統，解決了復雜電磁環境下的高功放設備的高效、可靠的遠程監測與控制。

1? 高功放監控系統要求

隨著散射設備的信息化和網絡化，對高功放監控系統提出了更高要求：1）接收、解析并執行相應遠程控制指令，設置或調整設備的工作狀態；2）對設備的輸入功率、輸出功率、反射功率及各功率管的柵極電流、溫度、電壓等參數進行實時檢測與上報；3）對所檢測的參數進行判斷，并分析出設備正常、故障狀態，并上報過溫、過流、駐波等告警信息；4）上位機軟件實時顯示設備工作狀態及重要參數，并進行實時控制。

2? 高功放監控系統設計

2.1? 監控系統架構設計

為了連續波輸出2 kW功率，高功放采用24只連續波百瓦量級功放管進行功率合成，考慮生產性與維修性，采用兩級合成結構。第一級為6只功放管合成的末級功放模塊，輸出600 W功率；第二級4組末級功放模塊合成輸出2 kW。為了使設備具有良好的機內測試（Built-inTest）能力，需要設備監控系統對工作狀態漏極電流、溫度、輸出及反射功率、電源狀態等參數進行實時監測、判斷，并在人機界面進行的信息顯示、故障提示。根據功率放大器系統架構，監控系統同樣設計為兩層結構，即功率放大器主監控和末級功率放大器監控。

主監控系統如圖1所示。主監控板采用32位MCU芯片，內部集成多路AD，支持多路串口，指標完全覆蓋本監控系統的要求；數控衰減模塊可以程控輸入信號衰減，主監控板通過并行LVTTL控制數控衰減量，從而實現控制功放輸出功率；功率檢測模塊，檢測輸入、輸出及反射功率，把射頻的功率信號轉換為電壓信號，再通過MCU的AD把電壓信號轉換數字信號。

主監控板除連接上述模塊外，還通過內部RS485總線連接功放電源及末級功放模塊，每個總線上模塊內部有單獨MCU處理器，負責執行總線命令并收集上傳模塊狀態信息，總線采用SLIP通信協議。主監控板與上位機同樣采用SLIP協議的RS485總線。

末級功率放大器監控框圖如圖2所示，硬件與主監控完全一樣。同樣末級監控板也掛載功率檢測模塊，對末級功放模塊的輸入、輸出及反射功率進行狀態采集。

末級功率放大器監控板也運行著模塊RS485總線，掛載著末級功放電源、漏流監測、溫度監測、風扇狀態監測等模塊。漏流監測、溫度監測分別負責檢測每只功放管運行時的漏極電流及溫度；風扇監測模塊負責控制末級功放的風扇的轉速，并檢測風扇轉速、故障等信息。

2.2? 監控通信協議設計

SLIP的全稱是Serial Line IP，是一種通用鏈路層協議，針對功率放大器監控系統特點，設計了一套專有協議，具體如圖3所示。SLIP協議幀，幀頭為0xC0，中間為變長數據幀，最后以0xC0幀尾結束；數據幀的格式，以1個字節地址開頭，隨后1字節命令類型，加2個字節信息長度，加可變長度的信息內容，最后加2個字節的CRC校驗。

總線工作在主從應答模式下，超時時間1秒，錯誤重發次數3次。數據幀地址分配給總線上的固定模塊，每個模塊地址唯一；命令字節為命令操作符，如開啟、關閉功放，設置衰減，查詢狀態等命令；信息內容為需要傳遞的參數，如功率、溫度、電流、告警等信息。

2.3? 設備狀態分析及設計

考慮到任務可達性及設備可靠性，功率放大器設計了3種工作狀態：正常模式關閉狀態、正常模式開啟工作狀態、功放故障狀態，如圖4所示。功率放大器上電后進行自檢，通過自檢則進入正常模式關閉狀態，等待下一步指令；未通過自檢則進入故障模式，等待維護人員進一步判斷操作。正常模式關閉狀態下，設置頻率、衰減等操作，正常執行命令，保持本狀態；在收到開啟功放命令時，打開功放并進入正常模式功放開啟狀態。正常模式開啟狀態下，設置頻率、衰減等操作，正常執行命令，保持本狀態；在收到功放關閉操作指令，關閉功放進入正常模式功放關閉狀態；當功放參數出現異常，如過溫、過流或駐波過大時，關閉功放進入功放故障模式。故障模式下，收到設置頻率、衰減參數命令時，不執行命令，保持本狀態；當故障排除，參數恢復正常，轉入正常模式功放關閉狀態。

根據上述分析，軟件分兩部分實現：主循環程序和通信中斷處理程序。

主循環程序為無限循環結構，如圖5所示，當設備參數初始化后進入循環。首先查詢設備內功率檢測模塊、末級功放模塊、電源及風扇等模塊的參數狀態；然后對查詢到的設備參數進行故障判斷；最后對故障進行相應操作，無故障時，狀態指示燈置綠色，狀態寄存器置0，有故障時狀態指示燈置紅色，狀態寄存器相應位置1。

通信中斷處理程序，如圖6所示。接收到SLIP幀數據后，首先進行SLIP解包；然后進行數據幀的CRC校驗，校驗失敗退出中斷，校驗成功進入數據幀命令解析；數據幀命令解析程序判斷執行命令，并進入相應命令處理程序；命令處理程序執行相應的設置、查詢等操作，操作完成后進入回復應答程序，對接收到的SLIP幀進行回復操作；最后恢復現場，退出中斷。

2.4? 功率檢測設計

功率放大器的功率檢測不僅可以提高功效、降低功耗、提高輸出功率和線性度，而且可以使系統操作人員及時發現和解決問題，進而提高可靠性和可維護性，是監控設計中重要的一個方面。功率檢測包括輸出功率檢測及反射功率檢測。電路可測量最高達20 dB的回波損耗，電路的一個獨有特點是可以利用來自RF檢波器的數字化電壓的一個簡單比值來計算回損，因而無須系統校準。

如圖7所示，正向及反向輸出功率檢測系統包括雙定向耦合器、射頻開關、功檢器及A/D、MCU五部分組成，其中A/D與MCU為集成一個芯片內。雙定向耦合器為微波射頻器件，把輸出的正向及反射大功率射頻信號進行耦合取樣，轉變為射頻開關及功檢器可以承受的小信號；射頻開關受MCU控制，分別選通輸出取樣信號或者反射取樣信號；功檢器把射頻開關傳送過來的取樣射頻信號轉換為A/D可以識別的模擬電壓信號；然后經由A/D轉化為數字信號傳送到MCU中進行數值運算。

2.4.1? 輸出功率計算

檢波器在其線性工作區的系統傳遞函數可以用直線等式來表示：

其中，m為斜率，c為截距。

用實際電路參數表示：

這里，我們選用檢波器m標稱值為2.1，c的值通常接近于零。我們用Vin改寫式（2）得到：

式（3）轉換為功率：

再把式（4）換算為對數形式（dBm）：

包含A/D的話，式（5）變化為：

其中，m′為檢波器和ADC組合信號鏈的斜率，c′為檢波器和ADC組合信號鏈的截距。

通過實際兩點輸出功率的測試得到Pout1（dBm）、Pout2（dBm）及CODE1、CODE2，帶入式（6）可以得到兩個關于m′及c′的方程，求解方程就可得到m′及c′。這樣通過式（6）及AD的檢測碼CODE就得到當前功率值。

2.4.2? 回波損耗計算

回波損耗為輸出與反射功率之差，單位為dBm：

由于c′接近0且CODEreflect和CODEout一般遠遠大于c′，所以，公式可簡化為：

推導的式（9）表明，無須校準即可計算回波損耗，因為公式不包括信號鏈的斜率m′或截距c′。

2.5? 上位機軟件設計

上位機軟件如圖8所示。軟件界面分為3部分，最上面是接口參數配置部分，設置通信端口相關參數；左下部分為參數設置部分，提供開關功放、設置衰減、設置頻率等操作按鈕；右下部分為設備運行參數顯示部分，提供功放整機、模塊的參數顯示及告警信息。

3? 結? 論

高功放監控系統采用主監控、末級功放監控分層式架構，采用抗干擾的簡捷、高效SLIP協議RS485總線實現了功率放大器遠程的實時、可靠控制與數據傳輸；分析并設計高功放3種工作狀態，通過簡單高效的循環結構程序及中斷處理程序，實現了功率放大器系統的狀態監測、故障診斷隔離與實時保護。提高了設備的健壯性、測試性及維修性。

功率放大器監控系統采用總線結構，具有可擴展性、可復制性，不僅用于高功放的系統監控而且可以適用于需要參數監測及實時控制的各型設備，是一種可為設備研發人員借鑒的低成本、實時高效的監控解決方案。

參考文獻：

[1] 黨宏社，高賽賽，解琛.40kW高頻功率源系統設計 [J].計算機測量與控制，2015，23（2）：671-672+676.

[2] 于再興，徐明中.高功率固態微波放大器監控系統設計 [J].電子工程師，2007（10）：34-36.

[3] 李健，楊作成，李楠.模塊化固態大功率放大器的熱插拔設計與實現 [J].電子元器件與信息技術，2018（12）：115-117.

[4] 李志勇，秦建存，梁進波.對流層散射通信工程 [M].北京：電子工業出版社，2017.

[5] 程素杰，姚小江，叢密芳，等.960～1400 MHz寬帶功率放大器設計 [J].電子技術應用，2023，49（4）：52-56.

[6] 張紅彩 ，田看麗 ，陳晨，等.大功率全數字功率放大器研究 [J].環境技術，2022，40（5）：86-91.

[7] 宋學賢.10kW中波廣播發射機射頻功率放大器的原理與維護 [J].數字傳媒研究，2022，39（7）：56-58+80.

[8] 陸燕輝，張童童，張劍，等.0.38～1.45 GHz 200 W寬帶固態功率放大器的設計 [J].電子信息對抗技術，2022，37（3）：109-113.

[9] 張華竹，鄭會榮，張鳴影.基于PLC-RS485總線的MODBUS通信方式在溫度采集系統中的應用 [J].工程與試驗，2023，63（1）：50-51.

[10] 游乙龍.基于單片機的多變頻器Modbus通訊控制 [J].機電工程技術，2022，51（8）：239-244.

[11] 陳文明，吳怡文.基于C#和RS485的分布式多點位溫濕度監控系統設計 [J].自動化應用，2022（8）：13-16+22.

[12] 李蔭瓏，丘珊珊.RS485總線通信異常分析及解決方法 [J].質量與認證，2021（S1）：123-125.

[13] 陳彬，陳從靖.基于高速串行總線的分布式RS485串口通信接口設計 [J].工業控制計算機，2021，34（11）：12-13.

作者簡介：楊作成（1980—），男，滿族，內蒙古赤峰人，高級工程師，碩士，主要研究方向：微波毫米波功放技術；孫柏昶（1982—），男，漢族，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要研究方向：通信裝備與系統；吳丹（1981—），女，漢族，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要研究方向：通信裝備與系統。

收稿日期：2023-05-05

基金項目：河北省省級科技計劃資助（20370402D）