(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(shè)備簡單、價格低廉、通信距離遠(yuǎn)、抗摧毀能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、機(jī)動靈活不需中繼等優(yōu)點(diǎn)[1]，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有不可替代作用[2]。短波電臺作為短波通信載體，發(fā)射機(jī)又是短波電臺主要組成部分，其發(fā)射功率大小、發(fā)射頻率成分是否干凈、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計是否合理，直接關(guān)乎發(fā)射機(jī)的使用性能和壽命[3]。其中，發(fā)射機(jī)功率的控制研究是一個重要的研究方向。

實(shí)際發(fā)射機(jī)功率控制過程中，存在如下問題：功率校準(zhǔn)的操作過程非常繁瑣、發(fā)射機(jī)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(xiàn)[4]設(shè)計了高效率高線性度的功率放大器，文獻(xiàn)[5]對功率放大器非線性特性及矯正技術(shù)進(jìn)行了研究、文獻(xiàn)[6]對高功率放大器預(yù)失真技術(shù)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7]對寬帶高速電臺發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計應(yīng)用進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[8]對短波發(fā)射機(jī)的輸出功率及其控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

發(fā)射功率控制精度，是系統(tǒng)的重要指標(biāo)。根據(jù)閉環(huán)控制原理和實(shí)際短波電臺設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計一種高精度的短波發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)系統(tǒng)。該功率校準(zhǔn)系統(tǒng)對提升發(fā)射機(jī)的實(shí)際工作輸出功率及其輸出精度提供重要支撐與保障。

1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)是指由控制單元、激勵器、預(yù)后選器、功率放大器、諧波濾波器和天調(diào)接口單元組成的有機(jī)統(tǒng)一整體。其主要作用是完成對輸入信號的調(diào)制、頻率改變、濾波、放大等功能[7]。發(fā)射時射頻信號流程為：從控制單元前面板進(jìn)入的話音或數(shù)據(jù)信號經(jīng)過音頻放大、濾波處理后送至激勵器，然后進(jìn)行音頻A/D轉(zhuǎn)換、調(diào)制、變頻、射頻D/A轉(zhuǎn)換、濾波、放大等處理，產(chǎn)生1.6～30 MHz的射頻激勵信號送至預(yù)后選器進(jìn)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(jìn)行濾波，濾波后的射頻功率信號通過天調(diào)接口模塊進(jìn)行射頻、電源和控制信號合路，送至天饋系統(tǒng)或假負(fù)載，發(fā)射出去。發(fā)射時控制信號流程為：外部設(shè)備輸入發(fā)射鍵控PTT信號送至控制單元前面板，控制單元開啟發(fā)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(diào)的調(diào)諧電路工作。其中，控制單元用于對發(fā)射機(jī)功率的控制，是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的核心部分。

1.1 發(fā)射機(jī)功率控制

控制單元對射頻輸出功率的控制，是根據(jù)自動電平控制原理，以功率校準(zhǔn)時得到的衰減值表格和AD值表格為依據(jù)，通過查表的方式，找到對應(yīng)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(shù)控衰減器，使能射頻通路功率輸出。然后根據(jù)天調(diào)接口單元檢波電路反饋的電壓動態(tài)調(diào)整衰減值，使功率輸出不受外界影響，穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

具體步驟是：把采集的天調(diào)接口單元正向檢測AD值和基準(zhǔn)AD值表格中對應(yīng)工作頻率的AD值換算成功率值,與基準(zhǔn)功率相比較。檢測功率值大，則增大數(shù)控衰減器的衰減值；檢測功率值小，則按臺階減小數(shù)控衰減器的衰減值。慢抬快降，動態(tài)調(diào)整，從而使得射頻輸出功率穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。其中，功率校準(zhǔn)時生成的衰減值表格和基準(zhǔn)電壓AD值表格，其精度和準(zhǔn)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(zhǔn)為功率控制的基準(zhǔn)功率值，AD采為采集的天調(diào)接口正向檢測電壓AD值，AD表為查基準(zhǔn)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(guān)，但是其隨頻率變化趨勢光滑，而且數(shù)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(diǎn)之間的頻率的衰減值和AD值可以按就近原則，取鄰近頻點(diǎn)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(zhǔn)步進(jìn)，但是存儲數(shù)據(jù)量相應(yīng)增加，校準(zhǔn)效率降低。

圖2 衰減值和AD值隨頻率變化散點(diǎn)圖

在實(shí)際發(fā)射時，功率控制可以彌補(bǔ)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(jié)合反向檢測AD值來計算反射系數(shù)和駐波比等參數(shù)調(diào)整衰減值[8]。

1.2 發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)

由于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)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(dá)到在不同的工作頻率下，能輸出穩(wěn)定的功率幅度，則必須先進(jìn)行功率校準(zhǔn)[9]。因此，功率校準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)不同頻點(diǎn)、不同溫度下功率輸出幅度的重要手段和保障。

常見的發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)方式有兩種：“人工校準(zhǔn)”和“內(nèi)部環(huán)路校準(zhǔn)”。

1)人工校準(zhǔn)：通過功率放大器單板調(diào)試獲取衰減值表格，寫入控制軟件并燒寫至發(fā)射機(jī)控制單元。操作發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后對功率計進(jìn)行讀數(shù)，由于功放管非線性輸出，調(diào)整相同的衰減值與獲得的功率增幅不成正比，需根據(jù)讀數(shù)與基準(zhǔn)功率差值不斷修改表格，直至讀數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)，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(fā)射機(jī)不能使用相同的衰減表格，完全不適用于發(fā)射機(jī)在車間批量生產(chǎn)的情況。

2)內(nèi)部環(huán)路校準(zhǔn)：開始校準(zhǔn)時，發(fā)射機(jī)按初始衰減值表格輸出；通過控制單元實(shí)時采集正向檢測電壓，并換算成功率與基準(zhǔn)功率進(jìn)行比較。控制軟件根據(jù)功率差值(dB表示)自動調(diào)整數(shù)控衰減器的增益，直至判斷認(rèn)為功率值在誤差允許范圍內(nèi)，功率校準(zhǔn)結(jié)束。這種方式相比人工校準(zhǔn)的方式，有了很大的改進(jìn)，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(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理

高精度的短波發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)系統(tǒng)，是通過結(jié)合精密測量的功率計和人機(jī)友好的終端機(jī)，根據(jù)閉環(huán)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(tǒng)的反饋參數(shù)，發(fā)射機(jī)控制單元根據(jù)反饋參數(shù)自動調(diào)整功率放大器中數(shù)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(nèi)。其工作原理如圖3。

圖3 功率校準(zhǔn)原理框圖

開始校準(zhǔn)后，ALC終端下發(fā)控制命令和配置參數(shù)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(shù)控衰減器。當(dāng)收到ALC終端的發(fā)射指令后，控制單元打開射頻發(fā)射通路。等待功率穩(wěn)定后，ALC終端通過向功率計發(fā)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(diào)接口單元采集正向檢測AD值，記錄并上傳給ALC終端顯示?？刂茊卧鶕?jù)獲取的功率和駐波比信息，與基準(zhǔn)功率相比較，自動計算應(yīng)調(diào)整的衰減數(shù)值，記錄并保存等待下一輪更新數(shù)控衰減器，然后按步進(jìn)增加，繼續(xù)下一個頻點(diǎn)。經(jīng)過多次調(diào)整后，所有工作頻率輸出功率均逼近于基準(zhǔn)功率，控制單元把此時記錄的正向檢測AD值和衰減數(shù)值生成隨頻點(diǎn)變化的兩張表格，并保存作為實(shí)際發(fā)射時功率控制的基準(zhǔn)表格。實(shí)際功率與基準(zhǔn)功率衰減差值計算公式為:

(2)

其中:ΔdB為實(shí)際功率與基準(zhǔn)功率衰減差值(單位dB)，P基準(zhǔn)為基準(zhǔn)功率值，P實(shí)際為實(shí)際功率值。

2.2 功率校準(zhǔn)

功率校準(zhǔn)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(zhǔn)指令后，置激勵等幅報模式，控收發(fā)開關(guān)發(fā)；(2)獲取ALC終端下發(fā)的功率等級、步進(jìn)和校準(zhǔn)頻率等信息，送激勵頻率字和諧波濾波器波段碼，置數(shù)控衰減器衰減值；(3)獲取ALC終端的開始發(fā)射指令，打開射頻發(fā)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(zhǔn)指令，結(jié)束功率校準(zhǔn)流程，否則，通知發(fā)射機(jī)撤功率，送停止發(fā)射指令；(5)控制單元獲取停止發(fā)射指令后采集正向檢測電壓，關(guān)閉發(fā)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(shù)據(jù)，打印顯示；(7)控制單元獲取功率值和駐波比信息后，根據(jù)算法調(diào)整衰減值；(8)校準(zhǔn)頻率按步進(jìn)增加，ALC終端判斷校準(zhǔn)頻率是否為終止頻率，若是則送停止校準(zhǔn)指令，結(jié)束功率校準(zhǔn)流程，否則繼續(xù)下一個頻點(diǎn)的功率校準(zhǔn)。

功率校準(zhǔn)需要注意以下幾點(diǎn)：(1)控制單元把收發(fā)開關(guān)控發(fā)后，校準(zhǔn)過程保持，可以防止發(fā)通道開啟延時，功率反射燒毀功放管；(2)ALC終端下發(fā)頻率前，先判斷該頻率上一次的發(fā)射功率是否在允許范圍內(nèi)，如果是，則跳過該頻點(diǎn)，按步進(jìn)增加，發(fā)送下一個頻點(diǎn)，功率合格情況下不必再次調(diào)整，目的是提高校準(zhǔn)效率；(3)發(fā)射單音后等待3 s，ALC終端再讀取功率計，目的是穩(wěn)定輸出功率，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；(4)當(dāng)ALC終端讀取的功率值過大時，為了防止功放硬件保護(hù)電路啟動告警，導(dǎo)致校準(zhǔn)流程紊亂，應(yīng)立即發(fā)送結(jié)束校準(zhǔn)指令，結(jié)束校準(zhǔn)流程；(5)每個頻點(diǎn)每一輪只更新一次衰減值，當(dāng)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(shí)際輸出狀態(tài)一致，從而提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；(6)所有頻點(diǎn)校準(zhǔn)完畢后，控制單元把衰減值表格和基準(zhǔn)電壓AD值表格固化在內(nèi)部Flash，數(shù)據(jù)不易丟失。

如圖4，衰減值調(diào)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(diào)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(shè)備故障，避免數(shù)據(jù)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??；(4)獲取的功率值較小時，AD值較大。出現(xiàn)任一種情況，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)都會無效，衰減值不作調(diào)整。

圖4 控制單元衰減值調(diào)整算法

若四種情況均未出現(xiàn)，則判斷功率值是否在允許范圍內(nèi)。若功率值在允許范圍內(nèi)，則衰減值不作調(diào)整。否則，計算實(shí)際功率與基準(zhǔn)功率差值(dB表示)，并按照功率差值范圍決定衰減碼調(diào)整步進(jìn)，但衰減碼調(diào)整步進(jìn)需要解決校準(zhǔn)效率和功放安全之間的矛盾。若衰減碼調(diào)整步進(jìn)過小，則會增加調(diào)整次數(shù)，從而降低功率校準(zhǔn)效率；如果調(diào)整步進(jìn)過大，由于功放管非線性輸出，在功率抬升時，功放硬件保護(hù)電路可能會啟動告警，甚至功放管被燒毀。實(shí)際在其它型號發(fā)射機(jī)上，應(yīng)當(dāng)調(diào)整參數(shù)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(diǎn)對應(yīng)的衰減值和AD值。其具體流程是：(1)ALC終端下發(fā)開始查詢，并送功率等級和步進(jìn)，控制單元收到后保存；(2)ALC終端下發(fā)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(jié)果；(3)ALC終端頻率按步進(jìn)增加，繼續(xù)給控制單元下發(fā)頻率，重復(fù)此步驟，直至下發(fā)頻率為終止頻率，則查詢流程結(jié)束。最終可以從ALC終端上看到各個頻點(diǎn)對應(yīng)的衰減值和AD值，供操作人員分析和校對數(shù)據(jù)。

2.3.2 功率檢查子模塊

功率校準(zhǔn)完畢后進(jìn)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(fā)開關(guān)發(fā)；(2)獲取ALC終端下發(fā)的功率等級、步進(jìn)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(shù)控衰減器功率校準(zhǔn)獲得的衰減數(shù)據(jù)；(3)獲取ALC終端的發(fā)射指令，打開射頻發(fā)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(jié)束功率檢查流程，否則，送停止發(fā)射指令，通知發(fā)射機(jī)撤功率；(5)控制單元采集正向檢測電壓，關(guān)閉發(fā)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(jìn)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(jié)束功率檢查流程，否則繼續(xù)下一個頻點(diǎn)的功率檢查流程。大致與功率校準(zhǔn)相同，區(qū)別在于ALC終端不向控制單元下發(fā)功率值和駐波比，同時控制單元也不調(diào)整衰減值。功率檢查是為了檢查功率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如若功率檢查發(fā)射功率在誤差允許范圍內(nèi)，則認(rèn)定數(shù)據(jù)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(fā)射機(jī)內(nèi)部的功率校準(zhǔn)初始數(shù)據(jù)。其具體流程是：ALC終端下發(fā)本地初始化命令，控制單元收到后，按衰減碼的歷史經(jīng)驗(yàn)值初始化衰減表格，并更新內(nèi)部Flash。歷史經(jīng)驗(yàn)值是過去十臺發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果取平均值得到，能接近實(shí)際衰減值，減少校準(zhǔn)所花費(fèi)的時間，提高發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)的效率。

2.4.2 人工初始化子模塊

當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功放特性差異較大時，可以通過個人經(jīng)驗(yàn)手動編輯，調(diào)整表格，從而達(dá)到快速校準(zhǔn)的目的。具體過程是先修改配置文件，然后打開ALC終端，點(diǎn)擊人工初始化，ALC終端會下發(fā)初始化命令，并附帶配置文件里的衰減數(shù)據(jù)?？刂茊卧盏胶螅@取并初始化衰減表格，同時更新內(nèi)部Flash。

2.4.3 更新功率表格子模塊

該發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)分為四個功率等級，分別是高功率、中功率、低功率、調(diào)諧功率。高功率等級校準(zhǔn)結(jié)束后，高功率的衰減表格和基準(zhǔn)AD值表格已生成。因功率控制高功率以下等級不需基準(zhǔn)AD值表格，所以只要通過高功率衰減表格，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(diào)諧功率衰減差值，就可以快速生成中功率、低功率、調(diào)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(diǎn)擊更新功率表格，ALC終端會下發(fā)更新功率表格的命令，控制單元收到后根據(jù)三個差值，更新中功率、低功率、調(diào)諧功率的衰減表格，并保存在內(nèi)部Flash。在發(fā)射機(jī)功放特性差異較大，沒有經(jīng)驗(yàn)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(zhǔn)確性高，又能提高校準(zhǔn)效率。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)平臺：(1)硬件:125 W短波收發(fā)信機(jī)、RS功率計、PC機(jī)、USB轉(zhuǎn)RS232串口線、定制網(wǎng)口線；(2)軟件：短波電臺控制軟件、ALC終端軟件等。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：頻率范圍1.6～30 MHz、步進(jìn)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(zhí)行ALC終端令控制單元打開射頻通路發(fā)射功率，ALC終端讀取功率計功率值并下發(fā)給控制單元處理，控制單元根據(jù)衰減值調(diào)整算法更新衰減值，等待下一次校準(zhǔn)。經(jīng)過多次校準(zhǔn)后，實(shí)際輸出功率無限逼近于基準(zhǔn)功率。這時保存的衰減值和AD值即作為功率控制的基準(zhǔn)表格。

圖5 ALC終端軟件配置界面

圖6分別使用本文方法、內(nèi)部校準(zhǔn)方法和人工校準(zhǔn)方法生成的表格，發(fā)射機(jī)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(zhǔn)方法生成的表格輸出功率與125 W基準(zhǔn)功率更加逼近，具有更高的精度，輸出功率完全能夠滿足發(fā)射機(jī)電性能指標(biāo)中的要求。

圖6 輸出功率隨頻率變化曲線

4 結(jié)語

高精度的短波發(fā)射機(jī)功率校準(zhǔn)方法獲得的衰減值表格和基準(zhǔn)電壓AD值表格，在實(shí)際發(fā)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(zhǔn)過程中操作繁瑣、發(fā)射機(jī)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(yīng)用于車間發(fā)射機(jī)校試、返修，同時，若能夠提高數(shù)控衰減器控制精度，則發(fā)射機(jī)能夠獲得更高精度的功率輸出。