一種最優(yōu)化瞬態(tài)響應的功率控制技術

顧漢清，盛勝君

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)

0 引言

在大功率發(fā)射機中，采用閉環(huán)自動電平控制(Automatic Level Control，ALC)實現發(fā)射功率的控制，使得發(fā)射機在不同環(huán)境條件和負載條件下輸出功率穩(wěn)定并達到額定值。ALC的設計需保證在瞬態(tài)響應過程中，避免功率放大器由于過激勵形成大功率瞬態(tài)脈沖造成的損壞;瞬態(tài)響應時間設計應遵循在保證發(fā)射機工作可靠的條件下盡量快，使發(fā)射機能滿足不同工作體制如快速跳頻通信體制。模擬電路的閉環(huán)控制如果未進行最優(yōu)化設計，雖然響應時間快，但環(huán)路響應有較大的幅度過沖(振鈴)有可能造成功率放大器損壞。采用DSP的無過沖功率控制技術在寬帶功率放大器開環(huán)增益平坦度變化很大的情況下，會導致增益小的頻點瞬態(tài)響應時間過慢，從而影響整個發(fā)射機的性能［1，2］。本文闡述了利用開關電容積分放大電路解決大功率發(fā)射機ALC電路的過沖問題，電路簡單，并采用零極點計算法，得到了環(huán)路的穿越頻率，利用相位補償，實現大功率發(fā)射機瞬態(tài)響應速度和穩(wěn)定性的最優(yōu)化。

1 利用開關電容解決發(fā)射機過沖問題的方法

傳統的ALC閉環(huán)控制電路如圖1所示，其實現過程如下:輸出信號經定向耦合器取樣和檢波后得到輸出電壓:

輸出電壓送去參考比較得到比較電壓:

比較電壓控制電調衰減器:

經功放放大后，得到:

可以得到:

式5中，K1K4都是常量，所以輸出功率大小只是與Vref相關的量，從而形成ALC閉環(huán)控制的過程。

由于積分電路零輸入響應的直流增益特別大，導致輸出ALC初始電壓無法收斂，接近于運放的飽和電壓，過高的ALC電壓使電調衰減器幾乎無衰減。所以，上述ALC控制過程初始狀態(tài)的過沖很難避免。

開關電容積分電路如圖2所示。在傳統積分電路的基礎上引入開關S，使積分電路變成開關電容放大器。在穩(wěn)態(tài)電路分析中，開關S的工作方式是當t=0時閉合，積分電路成了簡單的電壓跟隨器，ALC電壓保持一個合理的初始值，當t＞0時，開關S打開，形成一個穩(wěn)定的時域響應，只要環(huán)路參數設計得當，環(huán)路穩(wěn)定無振蕩，就可以避免過沖的產生。

采用開關電容積分的ALC控制方法，對一個發(fā)射通路建模仿真得到的ALC控制電壓響應過程如圖3所示，電壓過沖小于5%，相應的功率過沖小于10%，指標滿足工程使用要求。

圖1 ALC閉環(huán)控制電路

圖2 開關電容積分電路

圖3 ALC電壓穩(wěn)定過程

2 利用相位補償優(yōu)化功率控制技術的瞬態(tài)響應

在發(fā)射功率ALC控制過程中，其動態(tài)性能可用開環(huán)頻域指標——穿越頻率和相位裕量來衡量。其中穿越頻率反映了系統的快速性，相位裕量反映了系統的穩(wěn)定性［3］。一般地，相位裕量可由穿越頻率求得。要想加快ALC響應速度，就必須提高環(huán)路的穿越頻率，但同時要保證有足夠相位裕量使環(huán)路穩(wěn)定。穿越頻率的計算比較復雜［4］，這里采用零極點計算法，更適合工程上的應用。在圖2中，其傳遞函數的表達式為:

該傳遞函數的幅頻和相頻響應如圖4所示，其零點頻率fz為:

極點頻率fp為:

圖4 環(huán)路濾波器的幅頻響應和相頻響應

基于環(huán)路濾波器的穿越頻率在工程上的計算方法和圖表［5］，對于有源2次環(huán)路濾波器:

式中，k1、k2為歸一化頻率因子，fm表示穿越頻率，計算為:

這樣，在確定環(huán)路設計常數的情況下，選擇相位裕量帶寬fdL/fdH最優(yōu)值，從而實現瞬態(tài)響應的最優(yōu)值。

3 設計實例

按照上述發(fā)射機ALC控制環(huán)路濾波器的設計方法，給出一個UHF頻段100W發(fā)射機的實例，主要設計參數為:相位裕量60°，相位裕量帶寬比5，穿越頻率15kHz，計算可得 fZ≈3.2kHz，fp≈73kHz，設計直流增益10dB，則:R1=1kΩ，R2=10kΩ，C2=5 000pF，C1=230pF。

經實測，實際ALC電路起控時間30μs，射頻包絡響應如圖5所示。

圖5 ALC射頻包絡響應

4 結束語

本文提出了利用開關電容和相位補償實現最優(yōu)化瞬態(tài)響應的功率控制技術，并給出了設計實例，實測結果顯示該方法具有良好的性能，證明了這種方法的可行性。

［1］黎劍，章煜.一種無過沖RF功率控制技術的研究和實現［J］.通信對抗，2008，(4):42－45.

［2］王姜鉑，藍永海，張向杰.基于DSP的射頻功率數字控制研究［J］.通信對抗，2008，(1):54－57.

［3］孫凡才.自動控制原理和系統［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1987:79－82.

［4］Brian Butterfield.優(yōu)化帶前饋電容的內置補償DC－DC轉換器的瞬態(tài)響應［R］.Texas:Texas Instruments，2008.

［5］遠坂俊昭.鎖相環(huán)(PLL)電路的設計與應用［M］.北京:科學出版社，2006:270－279.