基于開環(huán)功率補(bǔ)償?shù)恼}沖調(diào)制信號(hào)穩(wěn)幅技術(shù)

楊永軍 何攀峰 左永鋒

（中國電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島 266555）

0 引言

隨著無線電通信和雷達(dá)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，信號(hào)源的脈沖調(diào)制尤其是窄脈沖調(diào)制得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而如何保證窄脈沖調(diào)制下信號(hào)源的功率準(zhǔn)確度一直是困擾設(shè)計(jì)人員的一個(gè)難題。

當(dāng)前信號(hào)源的穩(wěn)幅方式大都采用ALC（Auto Level Control）系統(tǒng)，受ALC 環(huán)路帶寬的限制，信號(hào)源在窄脈沖調(diào)制調(diào)制中將處于保持狀態(tài)。保持狀態(tài)下的信號(hào)源存在兩個(gè)問題：首先，隨著積分電容的持續(xù)放電，信號(hào)源的輸出功率會(huì)不斷漂移，這就是功率漂移現(xiàn)象；其次，在保持狀態(tài)下進(jìn)行射頻開關(guān)切換等操作會(huì)導(dǎo)致功率突然放大，本文稱之為功率突變現(xiàn)象。功率漂移和功率突變問題的存在對窄脈沖調(diào)制信號(hào)的功率準(zhǔn)確度構(gòu)成了挑戰(zhàn)。先前的解決方法是使用搜索方式，然而搜索方式下測試效率較低且不支持載波信號(hào)為掃頻的應(yīng)用。本文在對信號(hào)源在窄脈沖調(diào)制下所遇問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的開環(huán)功率補(bǔ)償方法，并通過試驗(yàn)對補(bǔ)償效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 脈沖調(diào)制時(shí)的穩(wěn)幅環(huán)路分析

在微波信號(hào)源中ALC 系統(tǒng)主要由振蕩器、線性調(diào)制器、定向耦合器、檢波器、積分器等部分組成。其基本原理是由檢波器對定向耦合器的耦合輸出進(jìn)行檢波，獲得攜帶功率信息的檢波電壓，檢波電壓經(jīng)過對數(shù)放大后與功率參考電平求和得到誤差電壓，誤差電壓通過積分器對加到線性調(diào)制器的電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終獲得準(zhǔn)確穩(wěn)定的輸出功率。

脈沖調(diào)制是一種特殊的幅度調(diào)制，要求脈沖為高電平時(shí)輸出幅度應(yīng)為信號(hào)源的設(shè)定值，脈沖為低時(shí)輸出幅度越低越好。脈沖為低電平時(shí)射頻輸出信號(hào)被關(guān)死，因而這時(shí)的檢波器的檢波電壓無法反映脈沖為高電平時(shí)是無效的。為了避免ALC 環(huán)路對錯(cuò)誤的求和結(jié)果響應(yīng)而造成脈沖為高電平時(shí)的初始功率紊亂，通常需要增加一個(gè)取樣/保持開關(guān)，使用脈沖信號(hào)控制開關(guān)的通斷的方式使ALC 環(huán)路積分器與脈沖調(diào)制信號(hào)同步。受元器件特性限制，信號(hào)源的檢波器、對數(shù)放大器等硬件電路需要一定的時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定輸出狀態(tài)，而在此之前過渡狀態(tài)下的檢波電壓是無效的。為了避免ALC 環(huán)路受到無效信號(hào)的干擾，需要給脈沖同步信號(hào)的上升沿一定的延遲時(shí)間，延遲時(shí)間要求盡可能短以提高閉環(huán)調(diào)制的脈寬范圍，又必須大于所有相關(guān)硬件疊加的反應(yīng)時(shí)間。在AV1487 合成源中這個(gè)延遲時(shí)間為1.5us。

當(dāng)脈沖寬度小于電路的反應(yīng)時(shí)間時(shí)，信號(hào)源ALC 環(huán)路將斷開，環(huán)路積分器處于保持狀態(tài)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下兩個(gè)問題：

功率漂移問題：由于積分電容存在放電效應(yīng)，信號(hào)源在脈沖為高電平時(shí)的功率會(huì)逐步漂移，直至完全消失。

1）功率漂移問題：由于積分電容存在放電效應(yīng)，信號(hào)源在脈沖為高電平時(shí)的功率會(huì)逐步漂移，直至完全消失。

2）功率突變問題：窄脈沖調(diào)制下進(jìn)行切換射頻開關(guān)等操作會(huì)造成輸出功率達(dá)到最大輸出功率，會(huì)對功率敏感設(shè)備造成嚴(yán)重后果。

功率漂移和功率突變現(xiàn)象在使用中會(huì)造成測試結(jié)果不準(zhǔn)確甚至?xí)斐杀粶y件和其他測試設(shè)備的損壞。因此，引入一種專門針對窄脈沖調(diào)制的穩(wěn)幅技術(shù)顯得尤為迫切。

2 搜索方式的原理及其局限性

針對信號(hào)源在窄脈沖調(diào)制下無法穩(wěn)幅的問題，現(xiàn)有的解決方法是功率搜索，其基本原理是先閉合ALC 環(huán)路找到并保持恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制器驅(qū)動(dòng)電流，然后再斷開ALC 環(huán)路。這種方法雖然能夠解決窄脈沖調(diào)制的功率漂移問題，但是局限性也非常的明顯。

1）降低了測試效率，在搜索方式下每改變一次頻率及功率設(shè)置都要進(jìn)行一次搜索，這對于需要頻繁切換信號(hào)源頻率或功率的用戶是無法忍受的；

2）不支持掃頻應(yīng)用，功率搜索的實(shí)質(zhì)是功率的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，然而系統(tǒng)無法對掃頻狀態(tài)下大量的頻率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)全程的校準(zhǔn)，所以在列表掃描、步進(jìn)掃描及模擬掃描狀態(tài)下進(jìn)行的應(yīng)用無法使用搜索方式。

由于存在上述兩個(gè)問題，搜索方式不是一種很好的解決方法。

3 開環(huán)功率補(bǔ)償技術(shù)的原理及其算法

開環(huán)功率補(bǔ)償技術(shù)采用閉環(huán)時(shí)的檢波輸入信號(hào)做參考，先通過ADC 將檢波電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式進(jìn)行存儲(chǔ)。然后CPU 通過數(shù)據(jù)線發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)到DAC 上，這串?dāng)?shù)據(jù)通過DAC 轉(zhuǎn)化為直流，該直流信號(hào)通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)線性調(diào)制器信號(hào)源的輸出功率。ADC 再將最新的檢比較，直到兩個(gè)電壓相等或其差值在允許誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)將發(fā)送到DAC 的最終數(shù)據(jù)備份到存儲(chǔ)器中。完成一個(gè)點(diǎn)的校準(zhǔn)后，按設(shè)定的頻率步進(jìn)增加頻率，依次校準(zhǔn)各個(gè)頻率點(diǎn)并存儲(chǔ)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，直到達(dá)到終止頻率。然后將功率值按功率步進(jìn)增加，依次完成每個(gè)功率點(diǎn)下的一組頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)。

開環(huán)功率補(bǔ)償過程簡單，只需設(shè)定起始/終止頻率、起始/終止功率、頻率步進(jìn)、功率步進(jìn)和最大允誤差電壓等七個(gè)參數(shù)，在調(diào)試菜單中即可實(shí)現(xiàn)一鍵補(bǔ)償。由于不同型號(hào)的信號(hào)源頻率功率范圍不同，最大誤差電壓設(shè)定值不同，整個(gè)補(bǔ)償過程的時(shí)間也不相同，一般需要約2小時(shí)。補(bǔ)償后將信號(hào)源的ALC 環(huán)路狀態(tài)打到開環(huán)即可調(diào)用開環(huán)補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

進(jìn)行開環(huán)功率補(bǔ)償后，信號(hào)源的開環(huán)輸出功率可以靠攏到閉環(huán)輸出功率上，并將功率誤差控制在允許的范圍內(nèi)，間接實(shí)現(xiàn)了窄脈沖調(diào)制下的穩(wěn)幅功能。設(shè)置ALC 開環(huán)時(shí)，系統(tǒng)對開環(huán)補(bǔ)償數(shù)據(jù)的調(diào)用速度和閉環(huán)狀態(tài)下是相同的，不需要額外的校準(zhǔn)時(shí)間；同時(shí)由于開環(huán)功率補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中可以隨時(shí)調(diào)用，所以支持各種掃描狀態(tài)下的應(yīng)用。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證開環(huán)功率補(bǔ)償?shù)男Ч?，我們對AV1487B 信號(hào)源進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1）使用AV2434 功率計(jì)對AV1487B 信號(hào)源進(jìn)行閉環(huán)功率補(bǔ)償，以保證ALC 閉環(huán)狀態(tài)下的功率準(zhǔn)確；

2）設(shè)置信號(hào)源功率為0dBm，使用功率計(jì)以100MHz 為步進(jìn)對信號(hào)源進(jìn)行用戶功率平坦度，通過該校準(zhǔn)獲得了閉環(huán)下信號(hào)源的功率平坦度數(shù)據(jù)；

3）對信號(hào)源進(jìn)行開環(huán)功率補(bǔ)償操作，存儲(chǔ)補(bǔ)償數(shù)據(jù)；

4）將信號(hào)源ALC 環(huán)路打到開環(huán)狀態(tài)，使用功率計(jì)進(jìn)行用戶功率平坦度補(bǔ)償，得到開環(huán)狀態(tài)下的功率平坦度數(shù)據(jù)；

5）對比兩份數(shù)據(jù)的差異。

經(jīng)過對比開/閉環(huán)狀態(tài)下的功率平坦度數(shù)據(jù)，開環(huán)功率與閉環(huán)功率在功率為0dBm時(shí)的最大差值小于0.4dB，開環(huán)功率準(zhǔn)確度達(dá)到了±0.6dB。

5 結(jié)論

開環(huán)功率補(bǔ)償技術(shù)作為一種新型的信號(hào)源穩(wěn)幅技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用于AV1487、AV1461、AV1464 等型號(hào)的信號(hào)源，通過了大量用戶實(shí)際使用的檢驗(yàn)，有效解決了窄脈沖調(diào)制下信號(hào)源的功率漂移和功率突變問題，開環(huán)輸出功率準(zhǔn)確穩(wěn)定，取得了良好的效果。

［1］現(xiàn)代通信測量儀器[M].中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所.

［2］趙習(xí)智.微波信號(hào)源功率控制技術(shù)[J].科技信息，2008，18：447-448.