考虑功率反馈的短波发射机波束自动控制方法

石磊,张军磊

(1.国家广播电视总局九五一台,河北 石家庄 050400;2.石家庄水投集团,河北 石家庄 050051)

0 引言

短波发射机的主要作用是将信息信号通过电磁波的形式发送出去,由于电磁波的传播特性,短波发射机的波束需要精确地指向目标接收器,以保证信息的准确传输。因此,对短波发射机的波束进行自动控制有重要的实际意义,李纪涛[1]在不改变发射机结构的基础上,采用可编程逻辑控制器对中波发射机进行自动化控制,达到有人留守、无人值班的目的;陈艳慧[2]将PLC自动化控制技术应用到中短波发射机中,确保发射机始终处于安全稳定运行状态;黄嘉琦等[3]设计一种基于导频的自动偏压控制方案,将其应用于发射机自动控制,具有较高灵敏度。因此,本文以TSW2500型短波发射机为研究对象,深入研究考虑功率反馈的短波发射机波束自动控制方法。

1 构建短波发射机数学模型

为便于实现短波发射机波束自动控制,构建高精度的短波发射机数学模型十分重要,但是,对具有共发动态配置的短波发射机进行建模存在困难[4],在研究中,以TSW2500型短波发射机为对象,构建其数学模型。对于被调制信号激励的TSW2500型短波发射机,本文主要采用行为级模型进行建模[5],简单来说就是将发射机当成一个黑盒,不过多关注发射机的特性,由于传统基于OTD的行为级模型可能会引入发射机更复杂的特性,从而影响波束控制效果,本文借助强大的机器学习技术,构建一个RVTDNN模型,来描述TSW2500型短波发射机的共发动态特性。将具有共发动态配置的TSW2500型短波发射机看成一个具有多个参数的非线性模型,即将待发射信号和主瓣上采集的失真信号之间关系看成一个单输入单输出关系,二者之间的关系表达式如下:

Y(c)=f(X(c);α,β,δ)

(1)

其中,Y(c)为在采样点c采集到的短波发射机的输出信号;X(c)为在采样点c短波发射机的待发射信号;f为非线性关系函数;α、β、δ分别为短波发射机的波束角度、频率和功率。对于RVTDNN模型而言,其输入信号主要由同相R与正交Z这2部分构成,表达式如下所示:

X(c)=[Rin(c),Rin(c-1),…,Rin(c-S),Zin(c),Zin(c-1),…,Zin(c-S)]T

(2)

其中,Rin(c) 、Zin(c)分别为RVTDNN模型输入信号的同相分量与正交分量;S为模型记忆深度;T为维度。因此,本文基于RVTDNN的强大运算能力,建立一个具有共发动态配置的TSW2500型短波发射机数学模型[6],表达式如下:

Y(c)=[Rout(c),Zout(c)]T

(3)

其中,Rout(c)、Zout(c)分别为RVTDNN模型输入信号的反向分量与反交分量。

2 监测并调制短波发射机功率信号

本文提出一种考虑功率反馈的短波发射机波束自动控制方法。在短波发射机的放大器输出端安装一个功率传感器,用于实时监测发射机的输出功率信号。考虑TSW2500型短波发射机的输出功率信号特点,采取脉冲宽度调制(Pluse Width Modulation,PWM)技术进行信号调制,基于等面积原理进行信号调制。短波发射机的输出功率信号由周期固定、幅度一致的方波脉冲构成,其占空比和采样时刻的输入信号幅度成正比,如果待调制信号的幅值在高频基准信号之上,那么比较器会输出高电平信号,反之则输出低电平信号,所以在基准信号周期内,比较器输出的电平势必会出现变化,实现信号调制,表达式如下:

Q(t)=φcos(ωt)

(4)

其中,Q(t)为短波发射机输出功率信号的调制信号;φ为信号振幅;ω为信号频率。通常式(4)所求调制信号为低频信号,假设载波信号为B(t),当Q(t)与B(t)同时输入比较器内进行比较时,根据下式即可得到PWM信号:

(5)

其中,Q′(t)为PWM调制信号;A为脉冲幅值。在进行短波发射机输出功率信号调制时,只要载波频率足够高,PWM调制信号就可以将短波发射机输出功率信号Q(t)还原,不仅完成TSW2500型短波发射机的输出功率信号的调制,还可保证调制后信号失真度满足要求。

3 考虑功率反馈控制发射机波束指向

由于短波发射机的自动调谐控制器主要作用是将发射机放大器调整在最佳工作状态,本文采用了CPLD作为调谐控制器,整体结构为可编程I/O模块、基本逻辑模块、布线池以及其他辅助功能模块,其中I/O模块被单独配置了输入、输出以及双向这3种工作模式;逻辑阵列块由16个宏单元构成,通过可编程连线阵和全局总线连接。在利用自动调谐控制器进行短波发射机波束指向自动控制时,主要分为2个阶段。第一阶段为粗调。通常短波发射机装备11个标准频带的频率,所以自动调谐控制器中配置了100个频率预设值,由调试人员在试运行时设定,预设值主要包含短波发射机调谐过程的详细数据,其中最重要的是理论电容电感值的计算,在短波发射机自动调谐结构的等效电路中,假设网络品质因数为P,公式如下所示:

(6)

(7)

其中,K0为短波发射机等效电路中的感抗值;R0为短波发射机等效电路中与电感串联的电阻值;H0为短波发射机等效电路中的容抗值。联立式(6)与式(7)进行运算后,即可求出短波发射机容抗值H0,在此基础上,即可计算出理论电容电感值,表达式如下所示:

(8)

其中,G为短波发射机中电抗元器件的电容电感理论计算值;F为频率。

根据固化预设值与调试者预设值,可以将短波发射机的机械调谐元件控制就位,此时粗调就会自动启动。第二阶段为细调。将上述内容所求数据作为标准,确定发射机粗调位置,加高压后进行细调,简单来说就是根据载波频率和天线负载对短波发射机进行反复调谐,直到各级回路前部调谐,负载匹配调整结束,接触对短波发射机调制的封锁。最后,在自动调谐状态下,将监测到的输出功率通过反馈线路传输到控制器,此时控制器会将监测到的输出功率与目标功率进行比较,根据偏差值来调整放大器的增益,这样不仅可以实现对输出功率的实时控制,而且通过调整放大器的增益,可以对发射机波束指向进行精确控制。

4 实验分析

4.1 实验准备

为验证设计方法对发射机波束的控制性能,将以TSW2500型短波发射机为对象,展开仿真对比实验。首先,结合我国短波发射机的实际情况,短波发射机波束自动控制实验方案如图1所示。

图1 短波发射机波束自动控制实验方案

如图1所示,本次实验中利用多通道信号产生板卡来生成10路激励信号,再通过TSW2500型短波发射机将各路激励信号耦合至信号采集卡中,读取采集数据即可计算出所求实验结果。然后,分别采用本文设计方法、李纪涛[1]的方法以及陈艳慧[2]的方法进行短波发射机波束的自动控制,并在控制后对各方法下的波束控制结果进行统计,以验证本文设计方法的控制性能。

4.2 结果分析

本次实验主要测试设计方法对短波发射机波束自动控制的精度,将多通道信号产生板卡中10个通道的信号设置为参数一致的单频信号,并在波束控制发射后,以波束指向偏差为实验指标。由于实验条件的限制,本文主要通过矢网来测定各通道内是否产生了波束指向偏移,分别获取上述3种方法控制下的短波发射机波束指向偏移数据,统计结果如表1所示。

表1 短波发射机波束指向偏移数据对比 单位:°

从表1中以看出,本文设计方法不仅实现了对TSW2500型短波发射机波束的自动控制,而且与李纪涛[1]的方法和陈艳慧[2]的方法相比,控制精度更高。根据实际测量数据可知,本文设计方法下各通道中的短波发射机波束指向偏差均在0～1°,平均偏移量为0.6°,较对照组方法分别降低了0.9°、1.1°。实验结果表明,本文设计的考虑功率反馈的短波发射机波束自动控制方法是有效且正确的。

5 结语

针对现有短波发射机波束自动控制方法精度低、稳定性差等问题,本文提出了一种考虑功率反馈的短波发射机波束自动控制方法。通过引入功率反馈机制,实现了对发射机输出功率的实时监测与控制,提高了发射机的波束指向精度和稳定性。实验结果表明该方法具有较高的实用价值,为实际应用提供了有益的参考。虽然本文已经取得一定研究成果,但目前主要采用的是本地控制方式,今后将通过设置中央主机来实现短波发射机波束的远程自动控制。