电调滤波器自动校频技术

2013-09-19衷洁，韩军

无线电工程 2013年1期

衷洁，韩军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

军事通信装备，如微波通信设备、散射通信设备和数字化电台等大量采用电调滤波器以实现ECCM功能。早期电调滤波器工作于UHF频段，采用λ/4谐振滤波器，调谐杆的行程比较长，经过长期运行产生的腔体、传动、回零、调谐杆以及温度等的变化导致调谐频率变化的幅度比较小，在设计时留有一定的带宽余量即可满足长期使用要求。而随着频段不断提高，如C、X、Ku波段，最大问题就是随着波长的缩短，电调谐器件的行程变得非常短，也就是调谐灵敏度非常高。长期工作老化和温度变化导致的等效行程变化严重影响滤波器的稳定性。每次记录的脉冲—频率对应表格随着外界应力变化而不同，给电调滤波器在高频段应用带来了困难。针对该技术难点，提出了一套电调滤波器自动校频程序，在通信设备中运行该专用程序，即可实现电调滤波器的频率校准，由于每次运行该程序实现的是实时校准，外界应力已经全部考虑进来，从而彻底解决电调滤波器的频率偏移问题。

1 电调滤波器原理

1.1 电调滤波器组成

以微波腔体电调滤波器为例，电调滤波器由腔体滤波器、步进电机、驱动电路和传动装置等部分组成，组成原理框图如图1所示。

图1 电调滤波器组成原理

1.2 电调滤波器调谐原理

文献［1，2］指出:根据工作频段、功率容量以及电调滤波器的实现难易程度，腔体选择λ/4同轴腔结构，工作频率随着内导体长度的增加，频率由高到低逐渐变化。

以某滤波器设计为例:外腔横截面为边长为30 mm的正方形，当同轴腔的外、内导体直径比为3.591时，同轴腔的Qe值最高，即同轴腔导体损耗最小。内导体顶端与腔体壁之间距离10 mm以上，产生的端电容很微弱，对频率不会有影响，因此腔体的高度选择为65 mm。在HFSS中建立单谐振腔模型，用本征模求解仿真，根据仿真结果可以看到，调谐范围大致在41 ～53 mm，可覆盖1 300 ～1 600 MHz，调谐行程约有12 mm，每25 MHz调程是0.1 mm，按照目前的加工情况，能够较好地满足调谐精度。

从测试结果可知，内导体的长度与频率成单调一一对应关系，通过改变内导体的长度就可以改变滤波器工作频率。

1.3 电调滤波器调谐方式

由于通过改变内导体长度即可改变工作频率，将频率变化转化为内导体长度变化。为了精确实现内导体长度变化，采用步进电机与传动装置结合的方式。

如图1所示［3，4］，步进电机用于把电脉冲信号转换为线位移或者角位移。如果电机没有超载时，当一个电脉冲信号发送至步进电机的驱动器时，按照预先设定的方向，驱动器就可以驱动步进电机按照设置的方向进行转动，以此类推，步进电机就可以按照固定的角度进行运行。脉冲信号的脉冲数、频率决定了步进电机的行程和转动速度。

1.4 步进电机实现频率改变

步进电机控制由监控及其驱动电路组成。对于传统的电调滤波器，当需要频率改变时，通过监控键盘输入需要改变的频率值，监控读取该频率值，并通过查表转换成相应的驱动方向和脉冲数量，发送该脉冲到驱动电路，驱动电路即驱动步进电机达到相应的行程，该行程转换为腔体滤波器调谐内导体的长度改变，从而实现工作频率的改变。当然，为了克服步进电机驱动方向不同带来的回零现象，在实际应用中要加回零程序和防止失控程序。

以上为传统电调滤波器的调谐原理，由于基于外界应力条件对于滤波器工作频率影响可以忽略或忍受的前提，因此一般在调谐内导体行程比较长的低频段应用比较合适。

当频率升到C波段、X波段以上时，由于无法忽略外界调谐内导体对频率的影响，传统的脉冲数与频率的对应表格不再是一个恒量，而是叠加了外界应力因素，导致传统的电调滤波器控制出现技术难题，无法正常使用。

2 电调滤波器自动校频

为了能够在更高频率上正常使用电调滤波器，下面提出了一套自动校频方法，该方法不再依赖脉冲数与频率的对应表格，而是通过现场测试电调滤波器的通带特性，将实时测试的通带特性与实时脉冲数一一对应，通过分析脉冲数在通带内的分布情况，实时驱动步进电机到达滤波器的通带范围，实现电调滤波器的自动校频。

设备在自动对准状态，发送单载波信号f1给被测滤波器，该单载波信号频率f1即为该滤波器工作频率，给电调滤波器连续发送步进脉冲，并实时检测通过滤波器后的单载波电平数值，当滤波器到达某个位置达到设置电平门限时，如图2所示，该时刻t0作为脉冲数记录的零点，开始记录脉冲数;继续发送脉冲，直至该电调滤波器第二次达到电平门限，如图3所示，记录该时刻t1脉冲数为N，发脉冲停止。

图2 电调滤波器t0时刻

图3 电调滤波器t1时刻

此时需要反向发脉冲，脉冲数为:N/2，在不考虑回零效应时，滤波器对准到f1预设频率，如图4所示，实现电调滤波器自动校频。

图4 电调滤波器自动校频操作

由于f1频率与滤波器状态频率位置不确定，存在滤波器左边进入、右边进入和单边进入等情况，通过编程可分别识别并自动调整。

下面分别结合TDD和FDD不同双工模式的设备进行详细分析。

2.1 在TDD设备中的自动校频技术

TDD设备采用时分双工方式，射频前端采用电调滤波器，当需要进行自动校频时，设备监控执行自动校频程序流程如图5所示［5］。

图5 TDD设备组成

预置发频率到指定频率，判断频率是否改变，若改变，则将发信机改为该频率单载波波形，功率放大器置于最小输出电平，设备设为射频自环状态，天线口接匹配负载，实时检测接收电平，确定预设电平门限L(典型值)。

如果是首次开机，则驱动步进电机向归零方向调谐，在此过程中，如果出现超过预设电平门限L值，则从该时刻开始计数脉冲数，直至再次出现电平门限L，停止计数。将计数N除以2，反方向驱动电机N/2脉冲，滤波器调谐完成;如果只出现一次电平门限L值，则从归零点反方向连续发送脉冲信号，出现2次L电平，按照以上算法对准。

如果监控记忆有上次频率值，则计算频率差Δ(新频率－旧频率)，当Δ为负，则向归零方向驱动电机;当Δ为正，则向相反方向驱动电机，在此过程中，如果出现超过预设电平门限L值，则从该时刻开始计数脉冲数，直至再次出现电平门限，停止计数。将计数N除以2，反方向驱动电机走N/2脉冲，滤波器改频完成。

而后，监控按照逆向操作，回复改频前各个单元的状态，自动校频完成。

2.2 在FDD设备中的自动校频技术

如图6所示［6］，FDD设备采用时分双工方式，有收发电调滤波器构成双工器，需要分别进行收发电调滤波器的自动校频才能够完成设备频率改变。

图6 FDD设备组成

与TDD设备相比，发电调滤波器自动对准时的流程基本相似;而收滤波器则需要借助发信机信号作为源，对收滤波器进行自动频率对准，由于收发频率不同，需要采用FDD射频自环的移频模块来实现设备监控执行自动校频程序，其他原理则相同。

3 可行性技术分析

如图2所示，实际电调滤波器幅频特性响应在单边为单调曲线，这样才能够确保预置电平门限的单边唯一性，而对于切比雪夫相应或最大平坦响应滤波器中，在3～6 dB带宽内，均可以满足要求。实际电平检测均采用探针耦合方式，因此要求收发电调滤波器探针耦合分量与滤波器幅频特性保持一致。自环器到接收机的信号与外界信号相比，应该是一个高信噪比的电平信号，否则会受到外界干扰而使频率对准不准或失败。滤波器驱动时，按照程序达到一个自动校频过程，无论频率改变的Δ正与负，总有一次正驱动和一次反驱动，可以认为螺杆机械应力误差基本相同，不需进行单方向调整。在FDD设备实际应用中，调整收发滤波器驱动时，总有某时刻收发滤波器同频的状态，程序上需要避免损毁LNA等前端器件。