復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備功率監(jiān)測技術(shù)

林高源 李四明 孫英華

摘要：目前，某設(shè)備大多有功率監(jiān)測和指示功能，但受設(shè)備內(nèi)某些功率器件影響， AD采樣電路易受強(qiáng)電磁輻射信號干擾，使得采樣計算值與實(shí)際功率值在整個工作頻帶內(nèi)存在不同偏差，難以保證全頻段內(nèi)設(shè)備正常工作和功率降低時的指示準(zhǔn)確性。本文通過硬件設(shè)計、軟件設(shè)計提出一種基于復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備功率監(jiān)測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)備;AD采樣;功率;監(jiān)測

引言

解決大功率復(fù)雜電磁環(huán)境下設(shè)備輸出功率監(jiān)測信息準(zhǔn)確、可靠采樣，是設(shè)備健康管理功能實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，也是設(shè)備監(jiān)控的技術(shù)難點(diǎn)。

設(shè)備完成功率采樣基本流程如下：將功率輸出端的射頻信號轉(zhuǎn)換為低頻檢波脈沖送給功率檢測電路。通過運(yùn)算放大器將接收的檢波脈沖信號放大，使得脈沖信號的幅度變化在合適范圍內(nèi);AD轉(zhuǎn)換芯片將檢波脈沖幅度轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)送給處理器。送給處理器的8位AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是功率值計算的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性對最終結(jié)果至關(guān)重要。用于功率監(jiān)測的故障檢測單元工作在設(shè)備中，設(shè)備內(nèi)微帶電路、微波功率管等輻射到空間的能量會感應(yīng)到線路上形成較強(qiáng)干擾。故障檢測單元在檢測射頻信號時，對于輸入信號及采樣后的信號穩(wěn)定性都有著較高要求，否則容易出現(xiàn)檢測不穩(wěn)定的狀況。

為獲得準(zhǔn)確、可靠采樣功率值，主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

①采樣鏈路抗干擾：設(shè)備輸出峰值功率比較大，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，如何解決故障檢測單元內(nèi)功率采樣鏈路抗干擾是技術(shù)難點(diǎn);

②采樣數(shù)據(jù)脈沖過沖處理：要確保采樣功率穩(wěn)定性必須在采樣時對檢波脈沖信號的穩(wěn)定性進(jìn)行控制?；诰€路上的干擾及過脈沖的存在，直接對檢波脈沖采用常規(guī)的采樣處理方法，不能保證采樣AD值的穩(wěn)定性，達(dá)不到功率上報的穩(wěn)定性。如何對采樣數(shù)據(jù)脈沖過沖進(jìn)行處理是技術(shù)難點(diǎn);

③功率擬合處理：故障檢測單元處于設(shè)備微波環(huán)境中，檢波脈沖線路上存在干擾且合成濾波耦合器的耦合度及衰減器的衰減量在頻帶內(nèi)存在波動，對數(shù)檢波器轉(zhuǎn)換的檢波電平輸入不同量級的功率也并非完美的對數(shù)關(guān)系。為確保設(shè)備在全頻帶、全功率范圍內(nèi)實(shí)時精確上報功率值，對得到的AD選用何種擬合運(yùn)算方式，是得到精確功率值的技術(shù)難點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備功率監(jiān)測在全頻段內(nèi)精確指示，硬件上采取負(fù)反饋電路設(shè)計和抗干擾性設(shè)計;軟件上對采樣數(shù)據(jù)脈沖做過沖處理，對采取經(jīng)過運(yùn)放輸出的檢波脈沖信號進(jìn)行平滑處理，對得到的平滑后AD值采用最小二乘擬合方式算得實(shí)時功率值，確保擬合指示功率值與功率計實(shí)測功率值近似相等。

1 硬件設(shè)計

1.1電路設(shè)計

硬件電路主要采用負(fù)反饋設(shè)計和濾波設(shè)計[1]。負(fù)反饋設(shè)計使運(yùn)放工作在穩(wěn)定線性工作區(qū)，去耦電容C20設(shè)計主要消除運(yùn)放產(chǎn)生的自激。

硬件部分主要電路框圖如下圖1所示。

如上圖，A端為檢波電平輸入端，C端為檢波電平經(jīng)過負(fù)反饋運(yùn)放電路的輸出端，將檢波電平放大后送到AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)負(fù)反饋運(yùn)放電路，由上圖可得公式（1）、（2）

， ……….（1）

，  ， ………….（2）

由公式（1）、（2）得公式（3）。

……………….（3）

AD芯片AD9064的VREFOUT端提供 ，得 ，

經(jīng)過實(shí)際電路設(shè)計 ， ， ， ，得到 ?。AD9064的有效輸入電平為2V～3V，根據(jù)檢波電平 得出 ，并將 送入AD模塊進(jìn)行量化數(shù)字AD值，進(jìn)行功率運(yùn)算處理。

電容C20為耦合電容，主要消除運(yùn)放AD8041可能產(chǎn)生的自激振蕩對AD9064芯片產(chǎn)生的干擾。

1.2抗干擾設(shè)計

①屏蔽設(shè)計

設(shè)備故障檢測單元及功分檢波單元均采用屏蔽設(shè)計，屏蔽盒用一體化殼體制造工藝。屏蔽盒分為蓋板和殼體兩部分，殼體使用整個鋁塊銑制而成，避免了拼裝造成的縫隙，屏蔽效果良好;蓋板與殼體之間使用導(dǎo)電襯墊，減小接縫不平或變形產(chǎn)生電磁干擾;設(shè)備故障檢測單元采用了一個25芯的微矩型濾波連接器和一個SMA的高頻濾波連接器，其內(nèi)部采用π型濾波電路，降低電纜上產(chǎn)生的干擾。

②電路布板及接地設(shè)計

設(shè)備故障檢測單元印制板，采用多層印制板電路設(shè)計。由于工作環(huán)境處于大功率微波組件內(nèi)，存在較強(qiáng)電磁干擾，因此布板設(shè)計時將電源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下，這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源平滑電容[2]，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用;原則上表層和底層盡量少走線，與功率檢測相關(guān)的信號線不允許走在表層和底層;在表層的邊緣增加一條外露的銅皮，用過孔與地層連接，印制板表層和底層空余處也用過孔與地層連接，盡可能將電磁輻射吸收到地層上;數(shù)字信號與模擬信號在電路板布板時在物理上通過地線進(jìn)行分開布板，印制板正面3.5mm接地裸漏銅皮上固定三角屏蔽條，三角屏蔽條用螺釘固定在印制板上。電源電路設(shè)置濾波電容和去耦電容;數(shù)字電路和模擬電路分開及分層排布，分別設(shè)置模擬信號地和數(shù)字信號地、電源地;時鐘電路和高頻電路單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路，以減少干擾和輻射。

③減小設(shè)備干擾信號設(shè)計

設(shè)備內(nèi)功率電路為微帶線結(jié)構(gòu)，工程上不可避免的存在輻射信號，由于設(shè)備輸出功率較高，輻射信號比較強(qiáng)，對工作在設(shè)備內(nèi)的功率采樣鏈路有比較強(qiáng)的輻射干擾。為了減小輻射干擾，一方面優(yōu)化設(shè)備各微波電路的駐波，另一方面將輻射較大的設(shè)備功率放大電路設(shè)計成單獨(dú)的金屬隔墻，減小相互串?dāng)_，同時在組件蓋板的每個末級放大器頂部增加微波吸收材料，大幅降低輻射信號的能量。

2 軟件設(shè)計

功率運(yùn)算處理將經(jīng)過負(fù)反饋運(yùn)放放大及濾波后的檢波電平進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣時鐘采用10MHz，對采樣的AD值進(jìn)行平滑處理得到該時刻處理后激勵脈沖的AD值。根據(jù)當(dāng)前脈沖的16位頻率碼信息提取相應(yīng)的系數(shù)a，b，c，經(jīng)過功率最小二乘擬合運(yùn)算處理得到當(dāng)前峰值功率值，并對正常模式下功率進(jìn)行運(yùn)算處理。具體數(shù)據(jù)處理時序如圖2所示。

AD采樣時鐘采用10兆赫茲時鐘，GATE上升沿后延時2微秒即t1時刻對檢波電平進(jìn)行采樣，GATE下降沿前2微秒即t2時刻對檢波電平采樣結(jié)束，t1時刻到t2時刻對檢波電平采樣量化出來的AD值進(jìn)行平滑處理，得到該脈沖下的AD值。GATE下降沿延時10微秒即t3時刻開始接收該脈沖的數(shù)據(jù)碼，每4微秒接收一位數(shù)據(jù)碼，經(jīng)過64微秒即t4時刻接收完16位數(shù)據(jù)碼，同時t4時刻根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)碼開始接收從RAM發(fā)過來的相應(yīng)6個字節(jié)3個系數(shù)a，b，c，其中2字節(jié)系數(shù)a是功率最小二乘擬合計算的二次方系數(shù)，2字節(jié)系數(shù)b是功率最小二乘擬合計算的一次方系數(shù)，2字節(jié)系數(shù)c是功率最小二乘擬合計算的零次方系數(shù)，t5時刻接收完a，b，c三個系數(shù)。根據(jù)接收到的a，b，c三個系數(shù)在t6時刻進(jìn)行功率二次方計算得到該時刻的實(shí)時峰值功率值。

3結(jié)論

經(jīng)過環(huán)境實(shí)驗(yàn)及可靠性實(shí)驗(yàn)，電路上未采取抗干擾措施且軟件上對AD值只做一次曲線擬合，設(shè)備全頻帶內(nèi)擬合上報的功率值與用功率計實(shí)測的功率值在高功率頻帶內(nèi)誤差比較大，部分頻點(diǎn)擬合功率與上報功率誤差大于1000W;硬件電路上采取負(fù)反饋電路設(shè)計及抗干擾設(shè)計，軟件上對采樣數(shù)據(jù)脈沖做過沖處理，對采樣數(shù)據(jù)做平滑處理及對處理后的AD值做最小二乘擬合處理，設(shè)備全頻帶內(nèi)擬合上報的功率值與用功率計實(shí)測的功率值基本相等。

參考文獻(xiàn)

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社.2006

[2] 薛 璐. 電路板級的電磁兼容設(shè)計. 電子世界.2012

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