SLF通信系统中功率放大器谐波抑制问题研究*

李　斌　王永斌

(1.海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)(2.91919部队　罗田　438600)

LI Bin1,2　WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan　430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)



SLF通信系统中功率放大器谐波抑制问题研究*

李斌1,2王永斌1

(1.海军工程大学电子工程学院武汉430033)(2.91919部队罗田438600)

论述了SLF通信系统中开关功率放大器谐波产生的机理，分析了目前SLF通信系统中采用LC滤波方案来抑制谐波的优点和局限性。结合SLF通信系统的实际，提出了APF和波形合成两种进一步抑制谐波的方案，并论证了其可行性。

开关功率放大器; 谐波抑制; LC滤波; APF; 波形合成

LI Bin1,2WANG Yongbin1

(1.College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2.No.91919 Troops of PLA, Luotian 438600)

Class NumberTN839

1　引言

超低频(SLF 30Hz-300Hz)通信[1]是目前对潜艇进行远距离、大深度、不间断通信的唯一有效手段，具有十分重要的战略意义。超低频对潜通信系统因其系统庞大复杂、技术含量高，目前世界上只有美国、俄罗斯等少数国家掌握了超低频对潜通信技术。SLF通信系统中，受天线效率低下的影响，为达到通信要求，不得不提高发信功率。在SLF实际通信系统中，其发信功率已经达到兆瓦级别，如此大的功率让系统必须十分注意效率问题。随着电子电力技术的发展，开关型功率放大器因为其极高的功率转化效率(80%以上)，在SLF通信系统中得到了应用。但是，开关型功率放大器作为非线性器件，在提高效率的同时也产生了谐波问题。本文就SLF通信中开关功率放大器件产生的谐波问题进行研究，分析了目前SLF通信系统中采用LC滤波方案来抑制谐波的优点和局限性。结合SLF通信系统的实际，提出了有源滤波器( Active Power Filter，APF)和波形合成两种进一步抑制谐波的方案，并论证了其可行性。

2　SLF通信系统中开关功率放大器的谐波及其危害

2.1谐波产生机理

在SLF通信系统中，大量非线性器件的使用，使得谐波广泛存在于系统的各个模块。按谐波来源的不同可以分为电源谐波、输电线路谐波、通信用电设备谐波三种谐波源[2]。电源和输电线路上的谐波在电力电气方向上有非常多的研究，实际中也采用了一系列消除抑制措施，对通信的影响很小。通信用电设备在功率放大器之前通信信号功率很小，产生的谐波功率可以忽略不计。因此，本文重点讨论功率放大器产生的谐波问题。

SLF通信系统由发信系统，收信系统两部分组成。开关功率放大器主要工作于其发信系统。SLF发信系统基本原理如图1所示。

图1　SLF发信系统基本原理图

由图1可知，功率放大器的作用是将小信号进行功率放大，大功率信号经调谐滤波后送至天线。理想的功率放大器[3]是比照输入的原始信号，将直流电源提供的直流功率转换为功率放大后的输出信号的功率，只进行功率放大，放大后的波形质量不受影响。目前，按功放管的工作状态把功率放大器分为模拟类功率放大器和开关型功率放大器。模拟类功率放大器的功放管工作于线性放大状态，所以输出线性度是比较好的。但由于其功放管工作于线性放大状态，其损耗很大。在大功率通信系统中，为提高效率，功放模块会选择效率更高的开关型功率放大器。开关管“放大”的基本思路是:从输入信号的波形中采集有关信息(如频率)，利用这些信息去分别控制各功率开关，输出幅度相同且含有特定相位的矩形脉冲，把这些相位按特定要求的矩形脉冲有序地叠加起来，经滤波而得到与输入波形相似、但功率非常大的输出。在开关功率放大器中，输入信号不是线性放大，而是经过一系列非线性变换，因此开关型放大器的失真较大，产生了大量谐波。

2.2谐波产生的危害

理想情况下，经过功率放大器功率后，放大后的信号与输入信号波形相同，功率变大。在SLF通信中，信号采用MSK调制方式，开关功率放大器在信号波形上可以看成把小功率MSK信号变成大功率矩形脉冲信号。通过Matlab软件，选取60Hz和70Hz两个频率对经过开关功放的MSK方波信号进行仿真和傅里叶变换，得到图2和图3。

如图2所示，MSK信号经过功率放大器以后变成相位连续，频率变化的方波。如图3所示，对仿真信号进行傅里叶变换后发现，仿真信号产生了奇次(3，5，7…)谐波。这些谐波消耗了能量，造成了功率的浪费。

开关型功率放大器产生的谐波功率很大，在实际中产生了许多不利的影响。主要有以下几点[4～5]。

图2　矩形仿真信号

图3　仿真信号频谱

1) 对通信的干扰：谐波电流会使得系统周边的有线通信线路产生干扰使得通信线路不通畅。基波信号产生的N次谐波叠加在其他频段的信号上会产生干扰。同时，谐波的电磁噪声和射频噪声会干扰小信号的稳定性，典型的例子是SLF通信会对天线附近的有线电话产生严重干扰。

2) 对电子控制设备的影响：谐波电流会造成控制设备的信号受到影响而发生紊乱，使得电脑发出误动作或发出的操作指令无法传达。继电保护装置、自动装置、电能计量及仪表指示等会受到谐波的影响，严重时会造成损害。

3) 对电器设备的影响：谐波电流作为无用的能量存在于电路中，使短路器等电气设备受到了不必要的损害，减短了设备的使用寿命。

3　SLF中开关型功率放大器谐波抑制方案

在SLF通信系统中，由于整个系统工作频率低，功率大，谐波所造成的危害巨大，谐波的抑制也就变的非常重要。在谐波的治理过程中，主要从两方面进行处理。一方面通过釆用滤波装置进行电力系统中谐波的滤除,另一方面通过改造用电设备，从而使其产生的谐波减小。

3.1LC滤波器

LC滤波器[6]是一种无源滤波器，通过对谐波进行吸收的方式来抑制谐波。目前，SLF通信系统中，正是采用了LC滤波器进行调谐滤波。釆用LC滤波器进行谐波的滤除也是当前抑制谐波的主要措施。

LC滤波器[7]由电容器、电抗器及电阻组成。通过不同的组合，LC滤波器可以实现四种滤波功能:低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。LC无源滤波器具有成本低、结构简单、便于维护等优点。

图4为一个带通滤波器，它利用C1和L1串联对谐振信号阻抗小、C2和L2并联对谐振信号阻抗大的特性，让谐振信号f容易通过，从而阻止其他频率信号通过，从而有效滤除高次谐波。SLF通信系统中使用LC滤波器消除谐波，其结构简单，消除谐波效果好，是一种简便易操作的消除谐波的方法。

图4　带通滤波电路图

但同时也存在以下不足：

1) 信号经过滤波器，能量被滤波器吸收，变成电磁能和热能，存在功率浪费的问题。

2) 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。

3) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。

3.2有源滤波

有源电力滤波器[8](Active Power Filter，APF)是由 H Sasaki 和 H Machida 于 1971 年首先提出。通过向系统中注入一个与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流，从而抵消了系统中的谐波电流。原理如下：

如图5所示，有源电力滤波器一般由四部分组成:谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。谐波电流检测电路利用谐波电流检测算法检测出负载电流中的谐波分量，同时监测有源滤波器直流侧母线电容的电压。电流跟踪控制电路根据谐波电流检测电路的检测结果，经由控制算法计算生成一系列 PWM 控制信号作为补偿电流的指令信号。经过电平转换，将指令信号送入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的开关器件。这样，由 APF 主电路产生补偿电流，注入系统中。该补偿电流与非线性负载电流的谐波分量大小相同、相位相反，从而达到滤除非线性负载产生的谐波的目的。和无源滤波器相比，有源滤波器能够对变化的谐波进行实时的跟踪补偿且补偿特性与电力系统阻抗无关。

图5　并联型有源电力滤波器系统结构框图

从原理上看，在SLF大功率系统通信时，信号的频率是实时变化的，要实现谐波实时跟踪补偿，对算法和设备的要求非常高，技术实现难度大。在大功率系统中使用APF，较高的电压水平也带来了电压隔离问题和开关的串并联连接问题。APF主要作用是消除或减少谐波电流，出于经济方面的考虑，直接采用有源逆变器实现大功率的谐波抑制不是明智之举。因此，我们考虑采用综合无源电力滤波器和有源电力滤波器的混合型有源电力滤波器，让其中的无源电力滤波器承担大部分谐波抑制功能。但从通信需求来看，采用混合滤波器只是对谐波抑制能力的进一步提升，并且设备造价较高、运行维护不太方便，须额外消耗能量，是一种性价比极低的方案。

3.3波形合成

波形合成[9]技术是一种从谐波源处来抑制谐波的方法。波形合成的原理是在不影响技术参数的情况下，通过对输入信号波形的改变，使经过功率放大器后的信号产生的谐波尽可能的小，从而达到抑制谐波辐射的目的。

在图1的通信系统中，频率是信号的载体，在不改变频率的情况下，可以通过波形合成来抑制谐波辐射。阶梯波技术就是一种能够抑制谐波的波形合成技术，它通过把输出的方波变成阶梯波来抑制谐波的产生。其抑制谐波原理如图6所示。

图6为取图1中的MSK方波信号，通过Matlab仿真，合成为幅度相等频率相同的八阶阶梯波波形图，图7为八阶阶梯波的频谱图。由图可以看出，阶梯波相对于方波，能量更多集中在基波上，对谐波分量的抑制作用十分明显。

下面对方波(图3)和八阶阶梯波(图7)的低次谐波进行量化分析。

图6　八阶阶梯波

图7　八阶阶梯波频谱

表1中，以基波为参考单位，列举了3次、5次、7次谐波幅度与基波幅度的比值百分比。通过上表可知，在相同输出功率即基波功率相同的情况下，3、5、7次谐波减少的能量损耗分别为26.81%、11.2%、9.2%。这说明阶梯波合成能有效抑制谐波。

表1　低次谐波的能量与基波占比分析

在技术实现上阶梯波[10]合成基于阶梯调制(Step Moldulation，SM)技术，其原理如图8所示。

如图8所示，基于SM技术的高压开关功率模块是由n个开关功率模块经功率开关串联而成，每个开关功率模块单元都可以简化为由开关管S、续流二极管D和直流电源电压UDC三部分组成。其工作原理是:当Si导通时第i个模块的直流电源接入回路，不考虑Si的导通压降时，输出电压为UDC;当Si关断时其对应的续流二极管导通为系统提供续流回路，不考虑续流二极管Di的导通压降，则第i个模块输出电压为0。在任意时刻，通过控制各模块单元开关管的导通与关断来控制n个UDC电压的叠加，从而控制输出系统电压的大小。功率模块的个数就是阶梯波所能达到的最大阶数。在SLF通信系统中通过对功率放大器的改造，选择合适的功率模块个数和相应的控制算法，可以实现阶梯波合成。

图8　基于SM技术的高压开关电源电路

相对于LC无源滤波和有源滤波，波形合成技术通过使谐波源输出波形似于正弦波来抑制谐波，是一种从谐波源处来抑制谐波的方法。相比于方波，在相同输出功率要求下，波形合成能减小输入功率，大大提高效率。与此同时，波形合成技术也存在增加设备复杂度的缺点。以阶梯波为例，阶梯级数越多，输出波形越近似于正弦波，谐波抑制效果越好，效率会越高，但同时设备复杂程度越高，可靠性越差。这要求我们在合成和控制的算法上进行优化，使谐波抑制效果、能量利用率和设备复杂程度上达到一个均衡。

波形合成技术是一种能够有效抑制谐波的方案，具有极好的经济效益。随着电力电子技术的发展和一些新的波形合成技术的出现，波形合成是一种很有应用前景的方案。

4　结语

开关型功率放大器是一种非线性器件，在大功率通信系统得到广泛应用的同时，其产生的谐波危害也需要引起我们足够的重视。在谐波治理方面， LC滤波方案因其简单高效的优点，已经广泛使用。APK虽然可以准确实时地抑制谐波产生，但通信系统频率是实时变化的，使此方案设备复杂化，性价比极低。波形合成方案是从谐波源处来抑制谐波，在抑制谐波的同时，提高了大功率通信系统电能转化效率。所以，从提高通信质量来看，波形合成是应该得到重视的一个方案。

未来波形合成和LC滤波组合来抑制谐波的

方式必将成为大功率通信系统中开关功放谐波抑制的主要手段。而在波形合成抑制谐波方面，谐波抑制效果由采用的波形合成技术和采用此技术所使用的波形合成策略决定。目前，PSM(脉冲阶梯调制技术)在谐波抑制中具有很好的发展前景。如何选择合适的波形合成策略，使设备复杂程度和谐波抑制效果达到一个均衡，从而使效益达到最大化，这是一个值得去研究的问题。

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[9] 张秀青.基于PSM级联逆变器光伏并网系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2008.

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Harmonic Restraining in Switching Power Amplifier of SLF Communication System*

The mechanism of harmonic restraining in switching Power Amplifier of SLF communication system is discussed, and the advantages and limitations of SLF ommunication system using LC filter scheme to suppress the harmonic at present are analyzed. Combined with the practical of SLF communication system, further harmonic suppression scheme with synthesis of APF and waveform is proposed, and its feasibility is proved.

switching power amplifier, harmonic restraining, LC filter, APF, waveform synthesis

2016年2月7日,

2016年3月24日

李斌,男,硕士研究生,助理工程师，研究方向：对潜通信。 王永斌,男,硕士,教授,研究方向：对潜通信。

TN839

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.007