散射高功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)中承擔(dān)著發(fā)射信號(hào)的作用，其性能好壞影響通信鏈路的質(zhì)量，而監(jiān)控系統(tǒng)作為高功率放大器神經(jīng)中樞，承擔(dān)著設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)的重任。針對(duì)散射通信系統(tǒng)對(duì)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程、便捷及高可靠的要求，在MCU的硬件基礎(chǔ)上，采用專用SLIP協(xié)議的RS485總線，分析設(shè)計(jì)了設(shè)備的工作狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移，利用循環(huán)結(jié)構(gòu)及中斷處理程序進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。設(shè)備運(yùn)行表明，該監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，對(duì)工程有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：散射通信；高功率放大器；監(jiān)控；串行總線網(wǎng)際協(xié)議；回波損耗

中圖分類號(hào)：TN722；TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)流層散射信道進(jìn)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(yuǎn)、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(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，受到軍方的高度重視，成為戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中不可缺少的一種通信手段。如今軍事作戰(zhàn)范圍越來越大、作戰(zhàn)節(jié)奏越來越快，對(duì)散射通信系統(tǒng)提出了高機(jī)動(dòng)、高性能、低人工維護(hù)的迫切需求。

由于散射信道通信距離遠(yuǎn)、信號(hào)衰減大，因此散射通信系統(tǒng)往往需要功率放大器輸出功率在百瓦乃至千瓦量級(jí)的補(bǔ)償路徑衰減。隨著第三代半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，散射通信系統(tǒng)中高功率放大器（High-Power Amplifier， HPA）功率密度得到了快速提升，同時(shí)為了減少饋線損耗、艙內(nèi)噪聲，節(jié)省艙內(nèi)空間，天線裝載的高功率放大器（以下簡(jiǎn)稱高功放）成為發(fā)展趨勢(shì)。

高功放是散射通信系統(tǒng)中的重要組成部分，它將低電平信號(hào)放大為功率信號(hào)，通過天線輻射出去，其性能好壞直接影響鏈路的質(zhì)量。高功放為功率設(shè)備，高溫狀態(tài)工作且遠(yuǎn)程艙外工作，這樣對(duì)高功放的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求。在高可靠性通信系統(tǒng)中，不僅要求滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，而且要在復(fù)雜對(duì)抗電磁環(huán)境下對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行告警、保護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)控輸出及反射功率、溫度、電流、風(fēng)扇及電源狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)狀態(tài)給出相應(yīng)告警、保護(hù)措施，并上報(bào)本機(jī)狀態(tài)同時(shí)執(zhí)行上位機(jī)的開關(guān)功放等指令。

針對(duì)散射通信系統(tǒng)對(duì)高功放提出的這一要求，基于MCU及接口芯片的硬件設(shè)計(jì)了兩層架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，解決了復(fù)雜電磁環(huán)境下的高功放設(shè)備的高效、可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

1? 高功放監(jiān)控系統(tǒng)要求

隨著散射設(shè)備的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)高功放監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求：1）接收、解析并執(zhí)行相應(yīng)遠(yuǎn)程控制指令，設(shè)置或調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)；2）對(duì)設(shè)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(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與上報(bào)；3）對(duì)所檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行判斷，并分析出設(shè)備正常、故障狀態(tài)，并上報(bào)過溫、過流、駐波等告警信息；4）上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示設(shè)備工作狀態(tài)及重要參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2? 高功放監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了連續(xù)波輸出2 kW功率，高功放采用24只連續(xù)波百瓦量級(jí)功放管進(jìn)行功率合成，考慮生產(chǎn)性與維修性，采用兩級(jí)合成結(jié)構(gòu)。第一級(jí)為6只功放管合成的末級(jí)功放模塊，輸出600 W功率；第二級(jí)4組末級(jí)功放模塊合成輸出2 kW。為了使設(shè)備具有良好的機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built-inTest）能力，需要設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工作狀態(tài)漏極電流、溫度、輸出及反射功率、電源狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、判斷，并在人機(jī)界面進(jìn)行的信息顯示、故障提示。根據(jù)功率放大器系統(tǒng)架構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)同樣設(shè)計(jì)為兩層結(jié)構(gòu)，即功率放大器主監(jiān)控和末級(jí)功率放大器監(jiān)控。

主監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。主監(jiān)控板采用32位MCU芯片，內(nèi)部集成多路AD，支持多路串口，指標(biāo)完全覆蓋本監(jiān)控系統(tǒng)的要求；數(shù)控衰減模塊可以程控輸入信號(hào)衰減，主監(jiān)控板通過并行LVTTL控制數(shù)控衰減量，從而實(shí)現(xiàn)控制功放輸出功率；功率檢測(cè)模塊，檢測(cè)輸入、輸出及反射功率，把射頻的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過MCU的AD把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。

主監(jiān)控板除連接上述模塊外，還通過內(nèi)部RS485總線連接功放電源及末級(jí)功放模塊，每個(gè)總線上模塊內(nèi)部有單獨(dú)MCU處理器，負(fù)責(zé)執(zhí)行總線命令并收集上傳模塊狀態(tài)信息，總線采用SLIP通信協(xié)議。主監(jiān)控板與上位機(jī)同樣采用SLIP協(xié)議的RS485總線。

末級(jí)功率放大器監(jiān)控框圖如圖2所示，硬件與主監(jiān)控完全一樣。同樣末級(jí)監(jiān)控板也掛載功率檢測(cè)模塊，對(duì)末級(jí)功放模塊的輸入、輸出及反射功率進(jìn)行狀態(tài)采集。

末級(jí)功率放大器監(jiān)控板也運(yùn)行著模塊RS485總線，掛載著末級(jí)功放電源、漏流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、風(fēng)扇狀態(tài)監(jiān)測(cè)等模塊。漏流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)分別負(fù)責(zé)檢測(cè)每只功放管運(yùn)行時(shí)的漏極電流及溫度；風(fēng)扇監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)控制末級(jí)功放的風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并檢測(cè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、故障等信息。

2.2? 監(jiān)控通信協(xié)議設(shè)計(jì)

SLIP的全稱是Serial Line IP，是一種通用鏈路層協(xié)議，針對(duì)功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套專有協(xié)議，具體如圖3所示。SLIP協(xié)議幀，幀頭為0xC0，中間為變長數(shù)據(jù)幀，最后以0xC0幀尾結(jié)束；數(shù)據(jù)幀的格式，以1個(gè)字節(jié)地址開頭，隨后1字節(jié)命令類型，加2個(gè)字節(jié)信息長度，加可變長度的信息內(nèi)容，最后加2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)。

總線工作在主從應(yīng)答模式下，超時(shí)時(shí)間1秒，錯(cuò)誤重發(fā)次數(shù)3次。數(shù)據(jù)幀地址分配給總線上的固定模塊，每個(gè)模塊地址唯一；命令字節(jié)為命令操作符，如開啟、關(guān)閉功放，設(shè)置衰減，查詢狀態(tài)等命令；信息內(nèi)容為需要傳遞的參數(shù)，如功率、溫度、電流、告警等信息。

2.3? 設(shè)備狀態(tài)分析及設(shè)計(jì)

考慮到任務(wù)可達(dá)性及設(shè)備可靠性，功率放大器設(shè)計(jì)了3種工作狀態(tài)：正常模式關(guān)閉狀態(tài)、正常模式開啟工作狀態(tài)、功放故障狀態(tài)，如圖4所示。功率放大器上電后進(jìn)行自檢，通過自檢則進(jìn)入正常模式關(guān)閉狀態(tài)，等待下一步指令；未通過自檢則進(jìn)入故障模式，等待維護(hù)人員進(jìn)一步判斷操作。正常模式關(guān)閉狀態(tài)下，設(shè)置頻率、衰減等操作，正常執(zhí)行命令，保持本狀態(tài)；在收到開啟功放命令時(shí)，打開功放并進(jìn)入正常模式功放開啟狀態(tài)。正常模式開啟狀態(tài)下，設(shè)置頻率、衰減等操作，正常執(zhí)行命令，保持本狀態(tài)；在收到功放關(guān)閉操作指令，關(guān)閉功放進(jìn)入正常模式功放關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)功放參數(shù)出現(xiàn)異常，如過溫、過流或駐波過大時(shí)，關(guān)閉功放進(jìn)入功放故障模式。故障模式下，收到設(shè)置頻率、衰減參數(shù)命令時(shí)，不執(zhí)行命令，保持本狀態(tài)；當(dāng)故障排除，參數(shù)恢復(fù)正常，轉(zhuǎn)入正常模式功放關(guān)閉狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，軟件分兩部分實(shí)現(xiàn)：主循環(huán)程序和通信中斷處理程序。

主循環(huán)程序?yàn)闊o限循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，當(dāng)設(shè)備參數(shù)初始化后進(jìn)入循環(huán)。首先查詢?cè)O(shè)備內(nèi)功率檢測(cè)模塊、末級(jí)功放模塊、電源及風(fēng)扇等模塊的參數(shù)狀態(tài)；然后對(duì)查詢到的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行故障判斷；最后對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)操作，無故障時(shí)，狀態(tài)指示燈置綠色，狀態(tài)寄存器置0，有故障時(shí)狀態(tài)指示燈置紅色，狀態(tài)寄存器相應(yīng)位置1。

通信中斷處理程序，如圖6所示。接收到SLIP幀數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行SLIP解包；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)失敗退出中斷，校驗(yàn)成功進(jìn)入數(shù)據(jù)幀命令解析；數(shù)據(jù)幀命令解析程序判斷執(zhí)行命令，并進(jìn)入相應(yīng)命令處理程序；命令處理程序執(zhí)行相應(yīng)的設(shè)置、查詢等操作，操作完成后進(jìn)入回復(fù)應(yīng)答程序，對(duì)接收到的SLIP幀進(jìn)行回復(fù)操作；最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出中斷。

2.4? 功率檢測(cè)設(shè)計(jì)

功率放大器的功率檢測(cè)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(tǒng)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性，是監(jiān)控設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)方面。功率檢測(cè)包括輸出功率檢測(cè)及反射功率檢測(cè)。電路可測(cè)量最高達(dá)20 dB的回波損耗，電路的一個(gè)獨(dú)有特點(diǎn)是可以利用來自RF檢波器的數(shù)字化電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單比值來計(jì)算回?fù)p，因而無須系統(tǒng)校準(zhǔn)。

如圖7所示，正向及反向輸出功率檢測(cè)系統(tǒng)包括雙定向耦合器、射頻開關(guān)、功檢器及A/D、MCU五部分組成，其中A/D與MCU為集成一個(gè)芯片內(nèi)。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(hào)進(jìn)行耦合取樣，轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l開關(guān)及功檢器可以承受的小信號(hào)；射頻開關(guān)受MCU控制，分別選通輸出取樣信號(hào)或者反射取樣信號(hào)；功檢器把射頻開關(guān)傳送過來的取樣射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D可以識(shí)別的模擬電壓信號(hào)；然后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送到MCU中進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算。

2.4.1? 輸出功率計(jì)算

檢波器在其線性工作區(qū)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以用直線等式來表示：

其中，m為斜率，c為截距。

用實(shí)際電路參數(shù)表示：

這里，我們選用檢波器m標(biāo)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(zhuǎn)換為功率：

再把式（4）換算為對(duì)數(shù)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(hào)鏈的斜率，c′為檢波器和ADC組合信號(hào)鏈的截距。

通過實(shí)際兩點(diǎn)輸出功率的測(cè)試得到Pout1（dBm）、Pout2（dBm）及CODE1、CODE2，帶入式（6）可以得到兩個(gè)關(guān)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(cè)碼CODE就得到當(dāng)前功率值。

2.4.2? 回波損耗計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于c′，所以，公式可簡(jiǎn)化為：

推導(dǎo)的式（9）表明，無須校準(zhǔn)即可計(jì)算回波損耗，因?yàn)楣讲话ㄐ盘?hào)鏈的斜率m′或截距c′。

2.5? 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件如圖8所示。軟件界面分為3部分，最上面是接口參數(shù)配置部分，設(shè)置通信端口相關(guān)參數(shù)；左下部分為參數(shù)設(shè)置部分，提供開關(guān)功放、設(shè)置衰減、設(shè)置頻率等操作按鈕；右下部分為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)顯示部分，提供功放整機(jī)、模塊的參數(shù)顯示及告警信息。

3? 結(jié)? 論

高功放監(jiān)控系統(tǒng)采用主監(jiān)控、末級(jí)功放監(jiān)控分層式架構(gòu)，采用抗干擾的簡(jiǎn)捷、高效SLIP協(xié)議RS485總線實(shí)現(xiàn)了功率放大器遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)、可靠控制與數(shù)據(jù)傳輸；分析并設(shè)計(jì)高功放3種工作狀態(tài)，通過簡(jiǎn)單高效的循環(huán)結(jié)構(gòu)程序及中斷處理程序，實(shí)現(xiàn)了功率放大器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷隔離與實(shí)時(shí)保護(hù)。提高了設(shè)備的健壯性、測(cè)試性及維修性。

功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，具有可擴(kuò)展性、可復(fù)制性，不僅用于高功放的系統(tǒng)監(jiān)控而且可以適用于需要參數(shù)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)控制的各型設(shè)備，是一種可為設(shè)備研發(fā)人員借鑒的低成本、實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控解決方案。

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

收稿日期：2023-05-05

基金項(xiàng)目：河北省省級(jí)科技計(jì)劃資助（20370402D）