衷 潔，韓 軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

軍事通信裝備，如微波通信設(shè)備、散射通信設(shè)備和數(shù)字化電臺等大量采用電調(diào)濾波器以實現(xiàn)ECCM功能。早期電調(diào)濾波器工作于UHF頻段，采用λ/4諧振濾波器，調(diào)諧桿的行程比較長，經(jīng)過長期運行產(chǎn)生的腔體、傳動、回零、調(diào)諧桿以及溫度等的變化導(dǎo)致調(diào)諧頻率變化的幅度比較小，在設(shè)計時留有一定的帶寬余量即可滿足長期使用要求。而隨著頻段不斷提高，如C、X、Ku波段，最大問題就是隨著波長的縮短，電調(diào)諧器件的行程變得非常短，也就是調(diào)諧靈敏度非常高。長期工作老化和溫度變化導(dǎo)致的等效行程變化嚴重影響濾波器的穩(wěn)定性。每次記錄的脈沖—頻率對應(yīng)表格隨著外界應(yīng)力變化而不同，給電調(diào)濾波器在高頻段應(yīng)用帶來了困難。針對該技術(shù)難點，提出了一套電調(diào)濾波器自動校頻程序，在通信設(shè)備中運行該專用程序，即可實現(xiàn)電調(diào)濾波器的頻率校準，由于每次運行該程序?qū)崿F(xiàn)的是實時校準，外界應(yīng)力已經(jīng)全部考慮進來，從而徹底解決電調(diào)濾波器的頻率偏移問題。

1 電調(diào)濾波器原理

1.1 電調(diào)濾波器組成

以微波腔體電調(diào)濾波器為例，電調(diào)濾波器由腔體濾波器、步進電機、驅(qū)動電路和傳動裝置等部分組成，組成原理框圖如圖1所示。

圖1 電調(diào)濾波器組成原理

1.2 電調(diào)濾波器調(diào)諧原理

文獻［1，2］指出:根據(jù)工作頻段、功率容量以及電調(diào)濾波器的實現(xiàn)難易程度，腔體選擇λ/4同軸腔結(jié)構(gòu)，工作頻率隨著內(nèi)導(dǎo)體長度的增加，頻率由高到低逐漸變化。

以某濾波器設(shè)計為例:外腔橫截面為邊長為30 mm的正方形，當同軸腔的外、內(nèi)導(dǎo)體直徑比為3.591時，同軸腔的Qe值最高，即同軸腔導(dǎo)體損耗最小。內(nèi)導(dǎo)體頂端與腔體壁之間距離10 mm以上，產(chǎn)生的端電容很微弱，對頻率不會有影響，因此腔體的高度選擇為65 mm。在HFSS中建立單諧振腔模型，用本征模求解仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，調(diào)諧范圍大致在41 ～53 mm，可覆蓋1 300 ～1 600 MHz，調(diào)諧行程約有12 mm，每25 MHz調(diào)程是0.1 mm，按照目前的加工情況，能夠較好地滿足調(diào)諧精度。

從測試結(jié)果可知，內(nèi)導(dǎo)體的長度與頻率成單調(diào)一一對應(yīng)關(guān)系，通過改變內(nèi)導(dǎo)體的長度就可以改變?yōu)V波器工作頻率。

1.3 電調(diào)濾波器調(diào)諧方式

由于通過改變內(nèi)導(dǎo)體長度即可改變工作頻率，將頻率變化轉(zhuǎn)化為內(nèi)導(dǎo)體長度變化。為了精確實現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體長度變化，采用步進電機與傳動裝置結(jié)合的方式。

如圖1所示［3，4］，步進電機用于把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或者角位移。如果電機沒有超載時，當一個電脈沖信號發(fā)送至步進電機的驅(qū)動器時，按照預(yù)先設(shè)定的方向，驅(qū)動器就可以驅(qū)動步進電機按照設(shè)置的方向進行轉(zhuǎn)動，以此類推，步進電機就可以按照固定的角度進行運行。脈沖信號的脈沖數(shù)、頻率決定了步進電機的行程和轉(zhuǎn)動速度。

1.4 步進電機實現(xiàn)頻率改變

步進電機控制由監(jiān)控及其驅(qū)動電路組成。對于傳統(tǒng)的電調(diào)濾波器，當需要頻率改變時，通過監(jiān)控鍵盤輸入需要改變的頻率值，監(jiān)控讀取該頻率值，并通過查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的驅(qū)動方向和脈沖數(shù)量，發(fā)送該脈沖到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路即驅(qū)動步進電機達到相應(yīng)的行程，該行程轉(zhuǎn)換為腔體濾波器調(diào)諧內(nèi)導(dǎo)體的長度改變，從而實現(xiàn)工作頻率的改變。當然，為了克服步進電機驅(qū)動方向不同帶來的回零現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中要加回零程序和防止失控程序。

以上為傳統(tǒng)電調(diào)濾波器的調(diào)諧原理，由于基于外界應(yīng)力條件對于濾波器工作頻率影響可以忽略或忍受的前提，因此一般在調(diào)諧內(nèi)導(dǎo)體行程比較長的低頻段應(yīng)用比較合適。

當頻率升到C波段、X波段以上時，由于無法忽略外界調(diào)諧內(nèi)導(dǎo)體對頻率的影響，傳統(tǒng)的脈沖數(shù)與頻率的對應(yīng)表格不再是一個恒量，而是疊加了外界應(yīng)力因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電調(diào)濾波器控制出現(xiàn)技術(shù)難題，無法正常使用。

2 電調(diào)濾波器自動校頻

為了能夠在更高頻率上正常使用電調(diào)濾波器，下面提出了一套自動校頻方法，該方法不再依賴脈沖數(shù)與頻率的對應(yīng)表格，而是通過現(xiàn)場測試電調(diào)濾波器的通帶特性，將實時測試的通帶特性與實時脈沖數(shù)一一對應(yīng)，通過分析脈沖數(shù)在通帶內(nèi)的分布情況，實時驅(qū)動步進電機到達濾波器的通帶范圍，實現(xiàn)電調(diào)濾波器的自動校頻。

設(shè)備在自動對準狀態(tài)，發(fā)送單載波信號f1給被測濾波器，該單載波信號頻率f1即為該濾波器工作頻率，給電調(diào)濾波器連續(xù)發(fā)送步進脈沖，并實時檢測通過濾波器后的單載波電平數(shù)值，當濾波器到達某個位置達到設(shè)置電平門限時，如圖2所示，該時刻t0作為脈沖數(shù)記錄的零點，開始記錄脈沖數(shù);繼續(xù)發(fā)送脈沖，直至該電調(diào)濾波器第二次達到電平門限，如圖3所示，記錄該時刻t1脈沖數(shù)為N，發(fā)脈沖停止。

圖2 電調(diào)濾波器t0時刻

圖3 電調(diào)濾波器t1時刻

此時需要反向發(fā)脈沖，脈沖數(shù)為:N/2，在不考慮回零效應(yīng)時，濾波器對準到f1預(yù)設(shè)頻率，如圖4所示，實現(xiàn)電調(diào)濾波器自動校頻。

圖4 電調(diào)濾波器自動校頻操作

由于f1頻率與濾波器狀態(tài)頻率位置不確定，存在濾波器左邊進入、右邊進入和單邊進入等情況，通過編程可分別識別并自動調(diào)整。

下面分別結(jié)合TDD和FDD不同雙工模式的設(shè)備進行詳細分析。

2.1 在TDD設(shè)備中的自動校頻技術(shù)

TDD設(shè)備采用時分雙工方式，射頻前端采用電調(diào)濾波器，當需要進行自動校頻時，設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻程序流程如圖5所示［5］。

圖5 TDD設(shè)備組成

預(yù)置發(fā)頻率到指定頻率，判斷頻率是否改變，若改變，則將發(fā)信機改為該頻率單載波波形，功率放大器置于最小輸出電平，設(shè)備設(shè)為射頻自環(huán)狀態(tài)，天線口接匹配負載，實時檢測接收電平，確定預(yù)設(shè)電平門限L(典型值)。

如果是首次開機，則驅(qū)動步進電機向歸零方向調(diào)諧，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預(yù)設(shè)電平門限L值，則從該時刻開始計數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限L，停止計數(shù)。將計數(shù)N除以2，反方向驅(qū)動電機N/2脈沖，濾波器調(diào)諧完成;如果只出現(xiàn)一次電平門限L值，則從歸零點反方向連續(xù)發(fā)送脈沖信號，出現(xiàn)2次L電平，按照以上算法對準。

如果監(jiān)控記憶有上次頻率值，則計算頻率差Δ(新頻率－舊頻率)，當Δ為負，則向歸零方向驅(qū)動電機;當Δ為正，則向相反方向驅(qū)動電機，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預(yù)設(shè)電平門限L值，則從該時刻開始計數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限，停止計數(shù)。將計數(shù)N除以2，反方向驅(qū)動電機走N/2脈沖，濾波器改頻完成。

而后，監(jiān)控按照逆向操作，回復(fù)改頻前各個單元的狀態(tài)，自動校頻完成。

2.2 在FDD設(shè)備中的自動校頻技術(shù)

如圖6所示［6］，F(xiàn)DD設(shè)備采用時分雙工方式，有收發(fā)電調(diào)濾波器構(gòu)成雙工器，需要分別進行收發(fā)電調(diào)濾波器的自動校頻才能夠完成設(shè)備頻率改變。

圖6 FDD設(shè)備組成

與TDD設(shè)備相比，發(fā)電調(diào)濾波器自動對準時的流程基本相似;而收濾波器則需要借助發(fā)信機信號作為源，對收濾波器進行自動頻率對準，由于收發(fā)頻率不同，需要采用FDD射頻自環(huán)的移頻模塊來實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻程序，其他原理則相同。

3 可行性技術(shù)分析

如圖2所示，實際電調(diào)濾波器幅頻特性響應(yīng)在單邊為單調(diào)曲線，這樣才能夠確保預(yù)置電平門限的單邊唯一性，而對于切比雪夫相應(yīng)或最大平坦響應(yīng)濾波器中，在3～6 dB帶寬內(nèi)，均可以滿足要求。實際電平檢測均采用探針耦合方式，因此要求收發(fā)電調(diào)濾波器探針耦合分量與濾波器幅頻特性保持一致。自環(huán)器到接收機的信號與外界信號相比，應(yīng)該是一個高信噪比的電平信號，否則會受到外界干擾而使頻率對準不準或失敗。濾波器驅(qū)動時，按照程序達到一個自動校頻過程，無論頻率改變的Δ正與負，總有一次正驅(qū)動和一次反驅(qū)動，可以認為螺桿機械應(yīng)力誤差基本相同，不需進行單方向調(diào)整。在FDD設(shè)備實際應(yīng)用中，調(diào)整收發(fā)濾波器驅(qū)動時，總有某時刻收發(fā)濾波器同頻的狀態(tài)，程序上需要避免損毀LNA等前端器件。

4 結(jié)束語

電調(diào)濾波器自動校頻是解決電調(diào)濾波器頻率漂移的最根本方法。上述方法在不增加硬件的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備監(jiān)控軟件設(shè)計即可實現(xiàn)電調(diào)濾波器自動校頻功能，從根本上克服了外界應(yīng)力導(dǎo)致頻率漂移的問題，簡化了電調(diào)濾波器繁瑣的調(diào)試工作，尤其在C、X等高頻段電調(diào)濾波器應(yīng)用中，將會起到非常重要的作用。

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