散射高功率放大器监控系统设计

孙柏昶  吴丹  王棟良  王荆宁

摘  要：高功率放大器在散射通信系统中承担着发射信号的作用，其性能好坏影响通信链路的质量，而监控系统作为高功率放大器神经中枢，承担着设备控制、状态监测与保护的重任。针对散射通信系统对设备监控系统的远程、便捷及高可靠的要求，在MCU的硬件基础上，采用专用SLIP协议的RS485总线，分析设计了设备的工作状态及状态转移，利用循环结构及中断处理程序进行了系统实现。设备运行表明，该监控系统稳定可靠，可实时监测设备状态，对工程有一定参考意义。

关键词：散射通信；高功率放大器；监控；串行总线网际协议；回波损耗

中图分类号：TN722；TN911 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）24-0053-05

Design of Scattering High Power Amplifier Monitoring System

YANG Zuocheng， SUN Baichang， WU Dan， WANG Dongliang， WANG Jingning

（The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang  050081， China）

Abstract： High power amplifiers play a role in transmitting signals in scattering communication systems， and their performance affects the quality of communication links. As the neural center of high-power amplifiers， monitoring systems bear the heavy responsibility of equipment control， status monitoring and protection. In response to the remote， convenient， and highly reliable requirements of the scattering communication system for the equipment monitoring system， based on the hardware of MCU， a dedicated SLIP protocol RS485 bus is used to analyze and design the working status and state transition of the equipment. The system is implemented using a loop structure and interrupt processing program. The operation of the equipment indicates that the monitoring system is stable and reliable， and can monitor the equipment status in real time， which has certain reference significance for engineering.

Keywords： scattering communication; high power amplifier; monitoring; Serial Line Internet Protocol; return loss

0  引  言

散射通信是利用对流层散射信道进行通信的一种超视距无线通信方式。散射通信由于单跳通信距离远、通信容量大、天线波束锐方向性不易被截收和干扰以及具有抗核爆炸能力强、机动性好等特点，受到军方的高度重视，成为战略与战术通信网中不可缺少的一种通信手段。如今军事作战范围越来越大、作战节奏越来越快，对散射通信系统提出了高机动、高性能、低人工维护的迫切需求。

由于散射信道通信距离远、信号衰减大，因此散射通信系统往往需要功率放大器输出功率在百瓦乃至千瓦量级的补偿路径衰减。随着第三代半导体器件的快速发展，散射通信系统中高功率放大器（High-Power Amplifier， HPA）功率密度得到了快速提升，同时为了减少馈线损耗、舱内噪声，节省舱内空间，天线装载的高功率放大器（以下简称高功放）成为发展趋势。

高功放是散射通信系统中的重要组成部分，它将低电平信号放大为功率信号，通过天线辐射出去，其性能好坏直接影响链路的质量。高功放为功率设备，高温状态工作且远程舱外工作，这样对高功放的监控系统提出了更高要求。在高可靠性通信系统中，不仅要求满足系统的技术指标，而且要在复杂对抗电磁环境下对其状态进行实时监控，并根据设备状态进行告警、保护甚至无损切换。这种情况下，高功放就不仅具有放大功能，还要求实时监控输出及反射功率、温度、电流、风扇及电源状态，根据参数状态给出相应告警、保护措施，并上报本机状态同时执行上位机的开关功放等指令。

针对散射通信系统对高功放提出的这一要求，基于MCU及接口芯片的硬件设计了两层架构的监控系统，解决了复杂电磁环境下的高功放设备的高效、可靠的远程监测与控制。

1  高功放监控系统要求

随着散射设备的信息化和网络化，对高功放监控系统提出了更高要求：1）接收、解析并执行相应远程控制指令，设置或调整设备的工作状态；2）对设备的输入功率、输出功率、反射功率及各功率管的栅极电流、温度、电压等参数进行实时检测与上报；3）对所检测的参数进行判断，并分析出设备正常、故障状态，并上报过温、过流、驻波等告警信息；4）上位机软件实时显示设备工作状态及重要参数，并进行实时控制。

2  高功放监控系统设计

2.1  监控系统架构设计

为了连续波输出2 kW功率，高功放采用24只连续波百瓦量级功放管进行功率合成，考虑生产性与维修性，采用两级合成结构。第一级为6只功放管合成的末级功放模块，输出600 W功率；第二级4组末级功放模块合成输出2 kW。为了使设备具有良好的机内测试（Built-inTest）能力，需要设备监控系统对工作状态漏极电流、温度、输出及反射功率、电源状态等参数进行实时监测、判断，并在人机界面进行的信息显示、故障提示。根据功率放大器系统架构，监控系统同样设计为两层结构，即功率放大器主监控和末级功率放大器监控。

主监控系统如图1所示。主监控板采用32位MCU芯片，内部集成多路AD，支持多路串口，指标完全覆盖本监控系统的要求；数控衰减模块可以程控输入信号衰减，主监控板通过并行LVTTL控制数控衰减量，从而实现控制功放输出功率；功率检测模块，检测输入、输出及反射功率，把射频的功率信号转换为电压信号，再通过MCU的AD把电压信号转换数字信号。

主监控板除连接上述模块外，还通过内部RS485总线连接功放电源及末级功放模块，每个总线上模块内部有单独MCU处理器，负责执行总线命令并收集上传模块状态信息，总线采用SLIP通信协议。主监控板与上位机同样采用SLIP协议的RS485总线。

末级功率放大器监控框图如图2所示，硬件与主监控完全一样。同样末级监控板也挂载功率检测模块，对末级功放模块的输入、输出及反射功率进行状态采集。

末级功率放大器监控板也运行着模块RS485总线，挂载着末级功放电源、漏流监测、温度监测、风扇状态监测等模块。漏流监测、温度监测分别负责检测每只功放管运行时的漏极电流及温度；风扇监测模块负责控制末级功放的风扇的转速，并检测风扇转速、故障等信息。

2.2  监控通信协议设计

SLIP的全称是Serial Line IP，是一种通用链路层协议，针对功率放大器监控系统特点，设计了一套专有协议，具体如图3所示。SLIP协议幀，帧头为0xC0，中间为变长数据帧，最后以0xC0帧尾结束；数据帧的格式，以1个字节地址开头，随后1字节命令类型，加2个字节信息长度，加可变长度的信息内容，最后加2个字节的CRC校验。

总线工作在主从应答模式下，超时时间1秒，错误重发次数3次。数据帧地址分配给总线上的固定模块，每个模块地址唯一；命令字节为命令操作符，如开启、关闭功放，设置衰减，查询状态等命令；信息内容为需要传递的参数，如功率、温度、电流、告警等信息。

2.3  设备状态分析及设计

考虑到任务可达性及设备可靠性，功率放大器设计了3种工作状态：正常模式关闭状态、正常模式开启工作状态、功放故障状态，如图4所示。功率放大器上电后进行自检，通过自检则进入正常模式关闭状态，等待下一步指令；未通过自检则进入故障模式，等待维护人员进一步判断操作。正常模式关闭状态下，设置频率、衰减等操作，正常执行命令，保持本状态；在收到开启功放命令时，打开功放并进入正常模式功放开启状态。正常模式开启状态下，设置频率、衰减等操作，正常执行命令，保持本状态；在收到功放关闭操作指令，关闭功放进入正常模式功放关闭状态；当功放参数出现异常，如过温、过流或驻波过大时，关闭功放进入功放故障模式。故障模式下，收到设置频率、衰减参数命令时，不执行命令，保持本状态；当故障排除，参数恢复正常，转入正常模式功放关闭状态。

根据上述分析，软件分两部分实现：主循环程序和通信中断处理程序。

主循环程序为无限循环结构，如图5所示，当设备参数初始化后进入循环。首先查询设备内功率检测模块、末级功放模块、电源及风扇等模块的参数状态；然后对查询到的设备参数进行故障判断；最后对故障进行相应操作，无故障时，状态指示灯置绿色，状态寄存器置0，有故障时状态指示灯置红色，状态寄存器相应位置1。

通信中断处理程序，如图6所示。接收到SLIP帧数据后，首先进行SLIP解包；然后进行数据帧的CRC校验，校验失败退出中断，校验成功进入数据帧命令解析；数据帧命令解析程序判断执行命令，并进入相应命令处理程序；命令处理程序执行相应的设置、查询等操作，操作完成后进入回复应答程序，对接收到的SLIP帧进行回复操作；最后恢复现场，退出中断。

2.4  功率检测设计

功率放大器的功率检测不仅可以提高功效、降低功耗、提高输出功率和线性度，而且可以使系统操作人员及时发现和解决问题，进而提高可靠性和可维护性，是监控设计中重要的一个方面。功率检测包括输出功率检测及反射功率检测。电路可测量最高达20 dB的回波损耗，电路的一个独有特点是可以利用来自RF检波器的数字化电压的一个简单比值来计算回损，因而无须系统校准。

如图7所示，正向及反向输出功率检测系统包括双定向耦合器、射频开关、功检器及A/D、MCU五部分组成，其中A/D与MCU为集成一个芯片内。双定向耦合器为微波射频器件，把输出的正向及反射大功率射频信号进行耦合取样，转变为射频开关及功检器可以承受的小信号；射频开关受MCU控制，分别选通输出取样信号或者反射取样信号；功检器把射频开关传送过来的取样射频信号转换为A/D可以识别的模拟电压信号；然后经由A/D转化为数字信号传送到MCU中进行数值运算。

2.4.1  输出功率计算

检波器在其线性工作区的系统传递函数可以用直线等式来表示：

其中，m为斜率，c为截距。

用实际电路参数表示：

这里，我们选用检波器m标称值为2.1，c的值通常接近于零。我们用Vin改写式（2）得到：

式（3）转换为功率：

再把式（4）换算为对数形式（dBm）：

包含A/D的话，式（5）变化为：

其中，m′为检波器和ADC组合信号链的斜率，c′为检波器和ADC组合信号链的截距。

通过实际两点输出功率的测试得到Pout1（dBm）、Pout2（dBm）及CODE1、CODE2，带入式（6）可以得到两个关于m′及c′的方程，求解方程就可得到m′及c′。这样通过式（6）及AD的检测码CODE就得到当前功率值。

2.4.2  回波损耗计算

回波损耗为输出与反射功率之差，单位为dBm：

由于c′接近0且CODEreflect和CODEout一般远远大于c′，所以，公式可简化为：

推导的式（9）表明，无须校准即可计算回波损耗，因为公式不包括信号链的斜率m′或截距c′。

2.5  上位機软件设计

上位机软件如图8所示。软件界面分为3部分，最上面是接口参数配置部分，设置通信端口相关参数；左下部分为参数设置部分，提供开关功放、设置衰减、设置频率等操作按钮；右下部分为设备运行参数显示部分，提供功放整机、模块的参数显示及告警信息。

3  结  论

高功放监控系统采用主监控、末级功放监控分层式架构，采用抗干扰的简捷、高效SLIP协议RS485总线实现了功率放大器远程的实时、可靠控制与数据传输；分析并设计高功放3种工作状态，通过简单高效的循环结构程序及中断处理程序，实现了功率放大器系统的状态监测、故障诊断隔离与实时保护。提高了设备的健壮性、测试性及维修性。

功率放大器监控系统采用总线结构，具有可扩展性、可复制性，不仅用于高功放的系统监控而且可以适用于需要参数监测及实时控制的各型设备，是一种可为设备研发人员借鉴的低成本、实时高效的监控解决方案。

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作者简介：杨作成（1980—），男，满族，内蒙古赤峰人，高级工程师，硕士，主要研究方向：微波毫米波功放技术；孙柏昶（1982—），男，汉族，河北石家庄人，高级工程师，硕士，主要研究方向：通信装备与系统；吴丹（1981—），女，汉族，河北石家庄人，高级工程师，硕士，主要研究方向：通信装备与系统。

收稿日期：2023-05-05

基金项目：河北省省级科技计划资助（20370402D）