通信对抗系统功率放大器的智能自适应控制研究

邹 炜，卫 明，赵柱平

(中国电子科技集团第36 研究所，浙江嘉兴 314033)

0 引 言

作为电子对抗系统中的重要组成设备，功率放大器处于整个系统的末端，承担能量放大任务，具有举足轻重的地位。功率放大器工作的稳定性、可靠性直接关系到整个系统的压制效果。功率放大器是大功率设备，具有大功率设备所固有的特点，如工作时电流大、温度高和负载敏感等，工作稳定性和可靠性要受到许多因素，如温度、频率变化等的影响。功率放大器前后相连的设备及环境的任何异常都可能造成功放严重故障甚至损坏，从而使整个通信干扰系统无法起到压制干扰作用［1］。

在长期的工程实践中，发现系统中影响功放可靠性的因素主要有以下几个方面。

(1)功率过冲。现有功放中的控制电路多为传统的模拟式自动电平控制(ALC)电路，如图1 所示。该电路以预设的一个固定比较电压值为基准，通过将定向耦合器的输出电平与该基准电压比较，产生一个反馈控制电压作用于电调衰减器，逐渐趋近于基准电压，最终实现功率稳幅输出。由图1 可以看出该控制电路存在着滞后效应，控制电压的变化总是滞后于功率的变化，从而导致干扰启动期内输出信号功率瞬间过冲(视电路设计情况，过冲时间在数十至数百μs，幅度可达满功率的数倍)。该现象很容易将功率管击穿，大大降低了系统的可靠性，并人为提高了滤波器和开关的设计难度和成本，甚至造成电源的故障。若在现有控制电路上进行改进消除过冲则又必然大大延迟功率建立时间，无法满足现代通信对抗系统中高速跳频应用的需求。

图1 传统功放控制系统框图

(2)温度的影响。大功率射频电路的特性(包括功率管、检波管等组成部分)受温度影响比较大。功率控制的重要参考量——检波电压在高低温情况下往往可相差达1 ～2 dB，造成系统输出不稳定，影响干扰效果和系统设备安全。

(3)频率的影响。大功率射频电路的特性与频率也是息息相关的。由于通信干扰系统大多工作在宽带情况下，对于不同频率的输入信号，功放特性相差很大。而图1 所示的ALC 控制电路只能按照一个统一的基准电平进行控制，从而造成功放的宽带情况下的输出平坦度差，也影响了干扰效果甚至造成设备损坏。

(4)匹配问题。功率放大器对于输出端的匹配状况也是非常敏感的。在驻波过大的情况下很容易造成功率管的损坏。实际工作中的电子干扰设备的环境条件往往是比较恶劣的，天线的移动，线缆的松动，甚至雨雪冰霜等气候状况都可能造成驻波变差。而传统功放控制电路里对于驻波的检测是有滞后性的，只能在已经发生了大驻波的情况下报警，而此时，功率管往往已经损坏了，因为大驻波的检测时间已经超出了功率管对大驻波的持续可承受时间。

综上所述，对于功率放大器这样的大功率射频设备，其工作的稳定性受到很多内外因素的制约，而在目前国内大多数电子对抗系统的设计中还没有全面考虑这些问题，直接影响到了功放的可靠性，故障频发，使部分人员谈大功率设备而色变，直接影响到系统的稳定工作。

1 总体方案设计

虽然大功率设备本身的特点决定了它是一种易损设备，但是通过上述分析，可以明白功放容易损坏还与传统的控制电路设计有相当关系。因为传统的控制电路是被动的，具有滞后性，并且不进行信息交换的“盲控制”。无论是过冲损坏也好，还是驻波过大、温度变化等造成的损坏也好，透过不同的损坏原因，看到了相同的本质:由于现有功放的控制系统是被动起控，并且不参与系统的信息交互，因此无法适应复杂多变的工作环境也无法预防相应的故障发生。随着技术的发展和电子战设备的升级，这种独立于系统和环境之外的“盲控制”已经越来越不能适应需求。

因此，在功放的基本射频电路无法改变的情况下，需要改变其控制电路设计，变被动为主动，自主获取设备可靠工作所需的各种信息参数，进行实时智能判断，从而避免上述问题。

由于高速数字器件在信息交互中具有的天生优势，可以采用以高速数字化器件为核心的电路，来实现主动式智能自适应控制保护工作。新的控制电路必须具备以下要求:

a)高速无过冲ALC 控制;

b)对温度等环境变化的自适应性;

c)对于大驻波等各种故障的主动预防性;

d)宽带工作中对于不同频率输入信号的智能功率补偿技术。

要在有限的空间内实现上述要求，需要诸多传感器和外围器件的配合。如温度传感器、电流传感器和高速AD/DA 器件等，信息量庞大。控制电路必须不断监控这些信息，从而及时的规避风险，完成任务。但是考虑到，电子对抗系统中对于ALC 控制的时间要求正越来越严格，主处理器必须把主要精力用来做ALC 功率控制的相关工作，保持对功率检波电压变化的不间断监测，对于其他工作“分身乏术”，而且驻波等故障保护时间要求也极为严格，通过MCU 去检测的时间已经不能接受。传统思路里那种以微控制器为核心，连接一堆外围接口器件的控制电路设计方案，全部工作由MCU 主导的电路已不适用于对抗系统中功放控制电路使用。

为此，通过研究提出了新的解决方案，并应用在了某型号工程的研制过程中。即以高速MCU 和CPLD(或FPGA)为核心器件，通过独特的信息总线连接各种外围器件，功率控制与状态信息监测并行处理，该电路设计组成如图2 所示。

图2 新型数字化智能自适应控制电路组成示意图

其最大特点就是充分应用了数字电路的强大功能和模拟电路的高效率、高速度。MCU 可以把全部精力用于功率控制相关工作，而与环境和各种故障检测电路的信息交换工作则由高速的CPLD 进行并行处理。从而有效的解决了庞大复杂的控制需求与极短的控制响应时间之间的矛盾。各外围电路通过信息交换总线与CPLD 相连，一般不占用MCU 的资源，当有必须通知MCU 的事件时，以中断方式通知MCU，同时可以实时响应MCU 的查询。CPLD 能保持对电流、驻波和温度等功放敏感信息的实时连续监测，及时判断故障趋势。工程实践证明，该控制系统设计可以很好的兼顾高速无过冲ALC 控制、故障的智能主动预防判断和环境暨频率的自适应控制等要求。

2 主要技术

在上述控制方案设计中，采用了一系列开创性的先进技术，主要有以下几种。

2.1 高速无过冲ALC 控制技术

功放传统控制电路的等效模型如图3 所示。

图3 功率放大器传统控制系统的理论模型

图中Vref 为功率档设置电平，用R(s)来描述;E(s)为控制电压;A 表示功率放大器的频响特性;C(s)为功放输出的包络特性;β 为定向耦合器的放大倍数，用B(s)来描述指示功率大小的反馈电压的AC 特性。它接近于一个二阶模型。其传递函数如下

式中，K 为增益;1/s 为一个积分器的模型，它的极点为0;T1为另一个主极点的时间常数。

如引言所述，此种控制模型必然存在着滞后效应，无法同时兼顾无过冲和快速起控的要求［2］。因此，考虑采用预衰减的办法。即预置一个较大的衰减值，使功放起始不至于输出功率过大，然后再逐渐逼近所需输出功率。该设计的核心和难点在于要快速的起控又不致产生振荡，以适应高速跳频应用的需求，因此，算法很关键。

方案设计采用了由高速A/D、高速处理芯片和高速D/A 等组成的自行设计的高速ALC 电路，基于预衰减思想和变步进逼近算法，通过预置大衰减实现无过冲，并通过实时监测功率检波信号与预置基准值进行比较处理，经算法处理产生合适的电压值控制电调衰减器来实现功率控制。考虑到高速跳频应用的需求，这个ALC 起控时间一般要求在100 μs以内。传统的逼近算法受制于AD/DA 转换的迭代处理流程，一个循环就需要接近10 μs，在响应时间上往往较长，若强行加快则有可能引起控制振荡。

为此，在某型号功放的研制中，根据大量实验和研究工作，最终确定了一种新的变步进逼近算法，既实现了高速无过冲起控又不会产生振荡。该算法是依据检波器的特性曲线，在其中的近似线性区间内，结合衰减值先直接计算出需要调整的衰减量的大致值，大幅度逼近所需功率，在此基础上或进入非线性区间后再进行小幅PID 微调以达到所需值。

对数检波器输入－输出关系曲线，如图4 所示。

图4 对数检波器输入－输出关系曲线

现行功放中所用的检波器主要分两种，一种是对数检波器［3］，对数检波器输出电压(图4 纵轴)与其耦合输入功率一定范围内成线性。可取其变化曲线中的线性部分计算斜率，根据起始衰减量并结合该曲线即可计算出要达到满功率输出所需改变的衰减量的近似值。

实际中常用的另一种检波器则是均方根检波器件。其检波电压与输出功率成指数关系，为

其计算复杂一些。但是由于高速DSP 的处理能力且可以根据实际情况对功率值(如减小一定值)做适当调整，使公式计算简化，一样可以在极短的时间内完成处理。

经此处理后，输出功率即使仍不能满足要求，也必然与实际值相差不远。随后可用优化PID 算法从容的完成最终调整，并继续保持对功率检波电压的监测，如有偏移，则不断调用优化PID 算法进行微调并借助智能自适应技术(见后述)，使输出功率始终维持在期望输出值附近一个很小的波动区间Δ 的范围内，从而保持稳定。

PID 算法的一般形式为

在此基础上，根据优化PID 算法［4，5］，进行了工程针对性优化。

整个ALC 软件流程如图5 所示。

图5 快速无过冲ALC 软件流程示意图

在采用了此软件流程处理后的跳频状态下，功放输出功率实测波形图如图6 所示。可以看出功率变化平稳，实现了快速无过冲起控的目的。实测其全频带稳幅时间在100 μs 以内，而全环境状态输出功率变化范围Δ ＜0.2 dB。从而从根本上避免了因为冲击幅度过大导致的各种问题，使通信干扰系统的可靠性大大增强。

图6 快速无过冲ALC 控制实测图

2.2 主动式故障预防技术

传统的功放控制电路受制于体制设计，对于故障处理都是被动的、滞后的，只能在故障已经发生后给出告警信号。而大功率设备的特点决定了其承受异常状况的能力差，当系统最终得到故障信息时，功放往往已经发生了不可逆的损坏。因此，主动和及时的故障判别，防患于未然就显得特别重要。

在新的控制设计方案中，把故障和状态监测的相关电路与ALC 主控制电路独立开来，目的就是利用CPLD 的高速和并行特性保持对功放大量状态信息的实时监测和判断。

如图2 所示，温度检测、各功放模块的电流检测及正反向功率检测等都通过格式统一的信息交换总线与CPLD 不断的进行信息交互。由于CPLD 的灵活性，可以将程序按实际功能需求划分为若干模块，每一个模块都是独立连续工作的。这样就使得功放能够不断保持对所有这些外部检测电路的数据读取，实现了对所有状态信息的无缝实时监测，而其核心分析处理模块则不断的对检测到的信息进行分析，判断是否有发生故障的可能性，满足了故障保护及时性的要求。

而主动性预防则是由新的处理思路实现的。比如大驻波监测，CPLD 程序中有一个模块专门负责读取检测到的驻波值(通过外部电路对正反向检波电压的比较处理得到［6］)。正常工作情况下，驻波值应大致保持稳定，若某一时刻发现驻波突然异常升高超过一定值，则CPLD 就可以立即控制功放进入保护状态，而不必等到驻波达到危险值才响应。其软件处理流程如图7 所示。

图7 软件流程图

温度、电流等检测模块也采用同样的处理流程(对于电流检测，还可以同时进行各模块电流比较，及时发现电流不平衡现象，并给出明确的故障定位信息)，其核心思想就是对各状态参数的变化趋势而非实时值进行监测，根据趋势在达到危险状态之前就由CPLD 自行作出故障判断，尽早保护，将损失降到最小化。而且一旦发生故障，会立即将此时各种电流、驻波值等相关参数写入“黑匣子”——铁电存储器(FRAM)内以方便快速查找及修复故障。之所以选择FRAM，主要是考虑到了FRAM 工作可靠，读写访问速度比FLASH 更快，数据保存更稳定，因此也更加适合于恶劣环境和高性能应用。CPLD 软件架构如图8 所示。

图8 CPLD 软件架构

2.3 自适应智能控制技术

在通信对抗系统中，宽带大功率放大器一直以来就伴随有输出功率随温度、频率变化而大幅度波动的问题，对干扰效果及与功放直接相连的设备可靠性影响极大。而这可以通过在控制电路中采用环境自适应技术来解决。

传统的方案是采用对功率检波电压按温度和按频率造表的办法。但是，如果采用该方法，对于宽带大功率设备来说，由于工作频率和工作温度范围之宽，数据量将是非常之大。若选点较少，又不可避免的会出现输出的不连续现象，变化较大。因此，在本设计中，没有机械的造海量数据表，而是对检波器的特性造表。如前所述的几种检波器件一般都给出了随温度和频率的变化曲线(可做近似线性处理)。若以常温下对应检波电压值为基准，温度、频率信息为两入口参数，再结合检波器特性曲线就可以自行计算出当前温度与环境情况下的合适检波电压值，使功率输出始终保持在同一水平，不至于随环境等的变化而大幅度波动。

这样，借助温度传感器及由激励器告知的频率信息，功率放大器不再是盲目的能量放大设备，而是有了自己的大脑，可以实时的根据环境变化调整输出功率。MCU 可以根据不同的实际温度信息和频段信息，在每次做ALC 功率控制过程时都调用不同的功率检波电压基准值代入ALC 算法中运算，从而实现了对温度、频率的自适应控制。

而且，由于数字器件的运用，还可以连接仪器，使用电脑控制，通过Labview 等技术来实现调试造表过程的自动化，从而极大的方便调试过程。

3 结 语

综上所述，由于采用了独立于ALC 电路的信息总线进行功放的实时状态监测和故障预判，采用特性图斜率逼近并配合使用优化PID 算法进行ALC 控制及加入了温度、频率的智能自适应技术等一系列的创新性技术应用，使得功率放大器的可靠性和稳定性及一系列相关指标均获得了极大提升，取得了质的飞跃，从而也极大的提高了通信对抗系统的可靠性。

在某型号的宽带大功率功放的研制中，已经成功应用了该智能自适应控制技术。实测结果表明，该功放功率输出平稳，工作稳定可靠，对环境的自适应能力强。所属通信对抗系统相关设备的可靠性也较以前的设备有了极大的提高。

未来，还可以在此基础上进一步加入双端口RAM、更高速MCU 器件以提高速度;对连接CPLD与外围器件的信息总线进行规范化、固定化;同时进一步完善自动调试系统，从而使电子对抗系统中的功率放大器具有更高的稳定性和抗干扰性。

［1］《电子战技术与应用——通信对抗篇》编写组.电子战技术与应用——通信对抗篇［M］. 北京:电子工业出版社，2005.

［2］戴忠达.自动控制理论基础［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］LT5537 datasheet Linear 公司［Z］.

［4］邹炜，赵柱平，刘荣辉.射频功放的无过冲环路控制技术研究［C］//第十一届通信对抗年会论文集，2008.

［5］王姜铂，蓝永海. 基于DSP 的射频功率数字化研究［J］.通信对抗，2008.

［6］杨霖，等.利用对数检波器实现射频功放过驻波保护［J］.电子产品世界，2008(12):36－38.