電調(diào)濾波器自動校頻技術(shù)

衷 潔，韓 軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

軍事通信裝備，如微波通信設(shè)備、散射通信設(shè)備和數(shù)字化電臺等大量采用電調(diào)濾波器以實現(xiàn)ECCM功能。早期電調(diào)濾波器工作于UHF頻段，采用λ/4諧振濾波器，調(diào)諧桿的行程比較長，經(jīng)過長期運行產(chǎn)生的腔體、傳動、回零、調(diào)諧桿以及溫度等的變化導致調(diào)諧頻率變化的幅度比較小，在設(shè)計時留有一定的帶寬余量即可滿足長期使用要求。而隨著頻段不斷提高，如C、X、Ku波段，最大問題就是隨著波長的縮短，電調(diào)諧器件的行程變得非常短，也就是調(diào)諧靈敏度非常高。長期工作老化和溫度變化導致的等效行程變化嚴重影響濾波器的穩(wěn)定性。每次記錄的脈沖—頻率對應表格隨著外界應力變化而不同，給電調(diào)濾波器在高頻段應用帶來了困難。針對該技術(shù)難點，提出了一套電調(diào)濾波器自動校頻程序，在通信設(shè)備中運行該專用程序，即可實現(xiàn)電調(diào)濾波器的頻率校準，由于每次運行該程序?qū)崿F(xiàn)的是實時校準，外界應力已經(jīng)全部考慮進來，從而徹底解決電調(diào)濾波器的頻率偏移問題。

1 電調(diào)濾波器原理

1.1 電調(diào)濾波器組成

以微波腔體電調(diào)濾波器為例，電調(diào)濾波器由腔體濾波器、步進電機、驅(qū)動電路和傳動裝置等部分組成，組成原理框圖如圖1所示。

圖1 電調(diào)濾波器組成原理

1.2 電調(diào)濾波器調(diào)諧原理

文獻［1，2］指出:根據(jù)工作頻段、功率容量以及電調(diào)濾波器的實現(xiàn)難易程度，腔體選擇λ/4同軸腔結(jié)構(gòu)，工作頻率隨著內(nèi)導體長度的增加，頻率由高到低逐漸變化。

以某濾波器設(shè)計為例:外腔橫截面為邊長為30 mm的正方形，當同軸腔的外、內(nèi)導體直徑比為3.591時，同軸腔的Qe值最高，即同軸腔導體損耗最小。內(nèi)導體頂端與腔體壁之間距離10 mm以上，產(chǎn)生的端電容很微弱，對頻率不會有影響，因此腔體的高度選擇為65 mm。在HFSS中建立單諧振腔模型，用本征模求解仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，調(diào)諧范圍大致在41 ～53 mm，可覆蓋1 300 ～1 600 MHz，調(diào)諧行程約有12 mm，每25 MHz調(diào)程是0.1 mm，按照目前的加工情況，能夠較好地滿足調(diào)諧精度。

從測試結(jié)果可知，內(nèi)導體的長度與頻率成單調(diào)一一對應關(guān)系，通過改變內(nèi)導體的長度就可以改變?yōu)V波器工作頻率。

1.3 電調(diào)濾波器調(diào)諧方式

由于通過改變內(nèi)導體長度即可改變工作頻率，將頻率變化轉(zhuǎn)化為內(nèi)導體長度變化。為了精確實現(xiàn)內(nèi)導體長度變化，采用步進電機與傳動裝置結(jié)合的方式。

如圖1所示［3，4］，步進電機用于把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或者角位移。如果電機沒有超載時，當一個電脈沖信號發(fā)送至步進電機的驅(qū)動器時，按照預先設(shè)定的方向，驅(qū)動器就可以驅(qū)動步進電機按照設(shè)置的方向進行轉(zhuǎn)動，以此類推，步進電機就可以按照固定的角度進行運行。脈沖信號的脈沖數(shù)、頻率決定了步進電機的行程和轉(zhuǎn)動速度。

1.4 步進電機實現(xiàn)頻率改變

步進電機控制由監(jiān)控及其驅(qū)動電路組成。對于傳統(tǒng)的電調(diào)濾波器，當需要頻率改變時，通過監(jiān)控鍵盤輸入需要改變的頻率值，監(jiān)控讀取該頻率值，并通過查表轉(zhuǎn)換成相應的驅(qū)動方向和脈沖數(shù)量，發(fā)送該脈沖到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路即驅(qū)動步進電機達到相應的行程，該行程轉(zhuǎn)換為腔體濾波器調(diào)諧內(nèi)導體的長度改變，從而實現(xiàn)工作頻率的改變。當然，為了克服步進電機驅(qū)動方向不同帶來的回零現(xiàn)象，在實際應用中要加回零程序和防止失控程序。

以上為傳統(tǒng)電調(diào)濾波器的調(diào)諧原理，由于基于外界應力條件對于濾波器工作頻率影響可以忽略或忍受的前提，因此一般在調(diào)諧內(nèi)導體行程比較長的低頻段應用比較合適。

當頻率升到C波段、X波段以上時，由于無法忽略外界調(diào)諧內(nèi)導體對頻率的影響，傳統(tǒng)的脈沖數(shù)與頻率的對應表格不再是一個恒量，而是疊加了外界應力因素，導致傳統(tǒng)的電調(diào)濾波器控制出現(xiàn)技術(shù)難題，無法正常使用。

2 電調(diào)濾波器自動校頻

為了能夠在更高頻率上正常使用電調(diào)濾波器，下面提出了一套自動校頻方法，該方法不再依賴脈沖數(shù)與頻率的對應表格，而是通過現(xiàn)場測試電調(diào)濾波器的通帶特性，將實時測試的通帶特性與實時脈沖數(shù)一一對應，通過分析脈沖數(shù)在通帶內(nèi)的分布情況，實時驅(qū)動步進電機到達濾波器的通帶范圍，實現(xiàn)電調(diào)濾波器的自動校頻。

設(shè)備在自動對準狀態(tài)，發(fā)送單載波信號f1給被測濾波器，該單載波信號頻率f1即為該濾波器工作頻率，給電調(diào)濾波器連續(xù)發(fā)送步進脈沖，并實時檢測通過濾波器后的單載波電平數(shù)值，當濾波器到達某個位置達到設(shè)置電平門限時，如圖2所示，該時刻t0作為脈沖數(shù)記錄的零點，開始記錄脈沖數(shù);繼續(xù)發(fā)送脈沖，直至該電調(diào)濾波器第二次達到電平門限，如圖3所示，記錄該時刻t1脈沖數(shù)為N，發(fā)脈沖停止。

圖2 電調(diào)濾波器t0時刻

圖3 電調(diào)濾波器t1時刻

此時需要反向發(fā)脈沖，脈沖數(shù)為:N/2，在不考慮回零效應時，濾波器對準到f1預設(shè)頻率，如圖4所示，實現(xiàn)電調(diào)濾波器自動校頻。

圖4 電調(diào)濾波器自動校頻操作

由于f1頻率與濾波器狀態(tài)頻率位置不確定，存在濾波器左邊進入、右邊進入和單邊進入等情況，通過編程可分別識別并自動調(diào)整。

下面分別結(jié)合TDD和FDD不同雙工模式的設(shè)備進行詳細分析。

2.1 在TDD設(shè)備中的自動校頻技術(shù)

TDD設(shè)備采用時分雙工方式，射頻前端采用電調(diào)濾波器，當需要進行自動校頻時，設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻程序流程如圖5所示［5］。

圖5 TDD設(shè)備組成

預置發(fā)頻率到指定頻率，判斷頻率是否改變，若改變，則將發(fā)信機改為該頻率單載波波形，功率放大器置于最小輸出電平，設(shè)備設(shè)為射頻自環(huán)狀態(tài)，天線口接匹配負載，實時檢測接收電平，確定預設(shè)電平門限L(典型值)。

如果是首次開機，則驅(qū)動步進電機向歸零方向調(diào)諧，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預設(shè)電平門限L值，則從該時刻開始計數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限L，停止計數(shù)。將計數(shù)N除以2，反方向驅(qū)動電機N/2脈沖，濾波器調(diào)諧完成;如果只出現(xiàn)一次電平門限L值，則從歸零點反方向連續(xù)發(fā)送脈沖信號，出現(xiàn)2次L電平，按照以上算法對準。

如果監(jiān)控記憶有上次頻率值，則計算頻率差Δ(新頻率－舊頻率)，當Δ為負，則向歸零方向驅(qū)動電機;當Δ為正，則向相反方向驅(qū)動電機，在此過程中，如果出現(xiàn)超過預設(shè)電平門限L值，則從該時刻開始計數(shù)脈沖數(shù)，直至再次出現(xiàn)電平門限，停止計數(shù)。將計數(shù)N除以2，反方向驅(qū)動電機走N/2脈沖，濾波器改頻完成。

而后，監(jiān)控按照逆向操作，回復改頻前各個單元的狀態(tài)，自動校頻完成。

2.2 在FDD設(shè)備中的自動校頻技術(shù)

如圖6所示［6］，F(xiàn)DD設(shè)備采用時分雙工方式，有收發(fā)電調(diào)濾波器構(gòu)成雙工器，需要分別進行收發(fā)電調(diào)濾波器的自動校頻才能夠完成設(shè)備頻率改變。

圖6 FDD設(shè)備組成

與TDD設(shè)備相比，發(fā)電調(diào)濾波器自動對準時的流程基本相似;而收濾波器則需要借助發(fā)信機信號作為源，對收濾波器進行自動頻率對準，由于收發(fā)頻率不同，需要采用FDD射頻自環(huán)的移頻模塊來實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控執(zhí)行自動校頻程序，其他原理則相同。

3 可行性技術(shù)分析

如圖2所示，實際電調(diào)濾波器幅頻特性響應在單邊為單調(diào)曲線，這樣才能夠確保預置電平門限的單邊唯一性，而對于切比雪夫相應或最大平坦響應濾波器中，在3～6 dB帶寬內(nèi)，均可以滿足要求。實際電平檢測均采用探針耦合方式，因此要求收發(fā)電調(diào)濾波器探針耦合分量與濾波器幅頻特性保持一致。自環(huán)器到接收機的信號與外界信號相比，應該是一個高信噪比的電平信號，否則會受到外界干擾而使頻率對準不準或失敗。濾波器驅(qū)動時，按照程序達到一個自動校頻過程，無論頻率改變的Δ正與負，總有一次正驅(qū)動和一次反驅(qū)動，可以認為螺桿機械應力誤差基本相同，不需進行單方向調(diào)整。在FDD設(shè)備實際應用中，調(diào)整收發(fā)濾波器驅(qū)動時，總有某時刻收發(fā)濾波器同頻的狀態(tài)，程序上需要避免損毀LNA等前端器件。

4 結(jié)束語

電調(diào)濾波器自動校頻是解決電調(diào)濾波器頻率漂移的最根本方法。上述方法在不增加硬件的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備監(jiān)控軟件設(shè)計即可實現(xiàn)電調(diào)濾波器自動校頻功能，從根本上克服了外界應力導致頻率漂移的問題，簡化了電調(diào)濾波器繁瑣的調(diào)試工作，尤其在C、X等高頻段電調(diào)濾波器應用中，將會起到非常重要的作用。

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