CN103440016A - 大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，利用本方法可有效地提高输出高功率条件下的控制速度及控制精度。本发明通过下述技术方案予以实现：在高功放发射机的输入端，配置两个相互串联的大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器，并在高功放发射机的输出端配置大功率定向耦合器，并联高功放发射机的监控处理器构成双环路负反馈自闭环控制回路；监控处理器内设有按照大步进快速控制算法和高精度控制算法，控制改变大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器衰减值的嵌入式逻辑算法控制程序；监控处理器以输出功率与预设功率差值的三分之二为控制量，对上述两个衰减器进行双循环比较控制，使高功放发射机快速逼近输出功率的预设值。
Description
技术领域
本发明是关于在航天飞行器测控站中，固态高功放发射机输出高功率条件下，快速及高精度控制输出功率的控制处理方法。
背景技术
在微波通信领域，固态功放发射机工作在连续波状态，最大连续波输出功率10W～500W量级称为中功放（MPA），大于500W归入高功放级别（HPA）。一般的功放控制步进为1dB，控制精度为1dB，当控制精度要求达到0.1dB时，就属于高精度控制。在航天飞行器测控领域，微波高功放发射机是必不可少的关键设备。为了满足对不同轨道的卫星及飞行器进行有效控制，又要满足大动态需求，高功放发射机的输出功率需要进行快速精确的控制，对近地卫星的控制需要百瓦级功率，同步高轨道卫星的控制需要千瓦级功率，月球、火星探测及行星际飞行器的控制，需要几千瓦甚至十千瓦量级以上的高功率。
在传统领域，固态功放发射机输出功率较小，属于中小级别功放，对控制精度和控制速度的要求不高，因此控制方式相对较简单，一般的方式是采用固定增益功放，改变输入激励信号的大小来改变功放发射机的输出功率，或者采用数控衰减器进行步进控制，控制精度为1dB。如果在航天飞行器测控领域的高功放发射机中采用传统的控制方式和控制精度，很难满足要求。比如高功放发射机输出当前值为1000W时，每增加1dB，功率会增加259W，每减小1dB，功率会减小200W，步进已经达到百瓦以上，可见1dB步进控制精度难于达到测控高功放发射机需求。另外，卫星及飞行器相对于地球，其位置变化较快，就要求对测控高功放发射机输出功率进行大动态快速控制，传统的功放控制方式是简单的步进式控制，以1dB步进增加或减小的线性式控制，功率控制速度相对较慢，不能满足卫星测控高功放发射机输出功率的大动态快速控制需求。
发明内容
为了解决传统固态功放发射机不能满足航天飞行器测控的需求，本发明提供一种能够有效地提高在输出高功率条件下的控制速度及控制精度的，大动态高精度快速控制高功放发射机输出高功率的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于包括如下步骤：在所述高功放发射机的高功放输入端，配置两个相互串联，不同精度和控制特性的大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器，并在高功放输出端配置大功率定向耦合器，并联监控处理器构成双环路负反馈自闭环控制回路；监控处理器内设有用于接收用户下达输出功率控制命令，按照大步进快速控制算法和高精度控制算法，控制改变数控衰减器和模拟电调衰减器衰减值的嵌入式逻辑算法控制程序；监控处理器以输出功率与预设功率差值的三分之二为控制量，对上述两个衰减器进行双循环比较控制，使高功放发射机快速逼近输出功率的预设值；当控制的输出功率处于预设值±0.1dB范围内时，即到达高精度控制目标。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明在高功放发射机高功率放大器输入端配置两个不同精度和控制特性的衰减器，与监控处理器和大功率定向耦合器组成级联负反馈自闭环控制双环路，通过监控处理器可以对输出功率进行双循环比较控制，负反馈保证了功率控制是收敛的。
本发明配置的大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器联合控制方式，大步进快速控制算法以输出功率与预设功率差值的三分之二为控制量，对衰减器进行非线性控制，保证了高功率控制时的快速输出并达到大功率的量级。高精度控制算法控制步进小于0.1dB，高于常规功放控制精度10倍。既保证了控制的快速，也保证了控制的高精度。
本发明通过对衰减器的非线性式快速控制，及以输出功率与预设功率差值的三分之二为控制量，保证了高功率控制时的快速输出并达到接近大功率的量级。配合高精度模拟电调衰减器控制，快速逼近输出功率的预设值。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1是本发明双环路负反馈自闭环控制回路框图。
图2是本发明监控处理器逻辑算法控制程序的控制流程框图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，在以下描述的实施例中，高功放输入端配置一个数控衰减器和一个高精度模拟电调衰减器，在高功放输出端配置一个大功率定向耦合器，与高功放监控处理器组成级联负反馈自闭环控制双环路。在高功放的监控处理器内，设计整个输出功率嵌入式逻辑算法控制程序，用于接收用户下达的输出功率控制命令，按照大步进快速控制算法和高精度控制算法控制改变数控衰减器和高精度模拟电调衰减器的衰减值，完成高功放输出功率的大步进快速粗控和高精度快速控制逻辑算法控制程序。逻辑算法控制程序包括，大步进快速控制算法和逻辑算法控制程序两个子程序。双环路负反馈自闭环控制回路中的衰减器受嵌入式逻辑算法控制程序，分别进行大步进快速控制算法和高精度控制算法的控制。数控衰减器的工作频率为S/C/X频段,总衰减量为31dB，步进1dB，5位TTL电平控制的衰减器。高精度模拟电调衰减器是工作频率为S/C/X频段,总衰减量为5dB,模拟电压（DC0～5V）控制，控制量连续可调的衰减器。TTL电平:输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V.在室温下,一般输出高电平是3.5V,输出低电平是0.2V。
大功率定向耦合器的耦合功率信号送监控处理器进行检测，监控处理器根据检测结果，按照逻辑算法控制程序依次控制级联双环路中两个不同特性的衰减器程序。当监控处理器接收到控制指令后，循环检测大功率定向耦合器的功率值，同时按照快速算法控制减小数控衰减器衰减值，当检测到输出功率值进入粗控范围时，启动快速算法控制高精度模拟电调衰减器，使大功率定向耦合器输出功率快速逼近预设值，直到满足控制精度0.1dB要求为止，最后锁定数控衰减器和模拟电调衰减器。
监控处理器中的大步进快速控制算法子程序，首先检测大功率定向耦合器的输出功率Pn-1，计算当前定向耦合器的输出功率值Pn-1与预设值P0的分贝数差值，然后控制数控衰减器减小该差值的三分之二，快速控制高功放发射机高功率，然后再次检测定向耦合器的输出功率Pn。计算Pn-Pn-1的值，判断该值是否小于等于1dB的粗控范围，满足就退出，不满足又重复上述步骤控制一次。
监控处理器中的高精度控制算法子程序，在完成大步进粗控循环后启动，首先检测定向耦合器的输出功率Pm-1，计算当前定向耦合器的输出功率值Pm-1与预设值P0的分贝数差值，然后控制模拟电调衰减器减小该差值的三分之二，快速控制高功放发射机高功率，然后再次检测定向耦合器的输出功率Pm。计算Pm-Pm-1的值，判断该值是否小于等于0.1dB的高精度范围，满足就退出，不满足又重复上述步骤控制一次。
参阅图2。监控处理器中的逻辑算法控制程序具体实施控制流程是：具备下达输出功率控制命令功能的应用软件下达输出功率预设值P0命令后，由监控处理器嵌入式程序接收该命令，启动并自动组织完成整个控制过程。监控处理器逻辑算法控制程序在控制过程中，先进行大步进快速粗控：嵌入式程序首先控制数控衰减器和模拟电调衰减器初始值分别为S0、A0，然后检测一次大功率定向耦合器的输出功率值P1,然后计算P1与预设值P0的差值S1，然后将差值S1乘与2/3，作为控制量2/3S1，对数控衰减器进行一次控制，之后，再检测一次定向耦合器的输出功率值P2,判断P1-P2≤1dB是否成立，如果条件不成立，程序循环一次大功率定向耦合器的检测及对数控衰减的进行控制，如果条件成立，则快速粗控程序结束，转入快速高精度控制。
快速高精度控制的流程与大步进快速粗控流程基本一致，不同点在于高精度模拟电调衰减器的控制方式不同。高精度模拟电调衰减器的控制是通过监控处理器输出一个DC0～5V直流电压进行连续控制，控制量连续可调，理论上可控制电调衰减器步进无限小，工程应用中，设定控制量为0.1dB，即可达到航天飞行器测控需求。
当快速高精度控制的流程满足控制精度0.1dB的退出条件，逻辑算法控制程序两个子程序对数控衰减器和模拟衰减器进行末值锁定后，退出程序，完成整个控制过程。
整个控制过程是一键式操作的，仅需要应用软件下达一个控制命令，即可全自动实现整个控制流程。
Claims (9)
1.一种大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于包括如下步骤：在功放发射机的输入端，配置两个相互串联，不同精度和控制特性的大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器，并在高功放发射机输出端配置大功率定向耦合器，并联监控处理器构成双环路负反馈自闭环控制回路；监控处理器内设有用于接收用户下达输出功率控制命令，按照大步进快速控制算法和高精度控制算法，控制改变大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器衰减值的嵌入式逻辑算法控制程序；监控处理器以输出功率与预设功率差值的三分之二为控制量，对上述两个衰减器衰减值进行双循环比较控制，使高功放发射机快速逼近输出功率的预设值；当控制的输出功率处于预设值±0.1dB范围内时，即到达高精度控制目标。
2.如权利要求1所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：逻辑算法控制程序包括，大步进快速控制算法和高精度控制算法两个子程序，双环路负反馈自闭环控制回路中的大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器，分别受大步进快速控制算法和高精度控制算法的控制。
3.如权利要求1所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：大步进数控衰减器的工作频率为S/C/X频段,总衰减量为31dB，步进1dB，5位TTL电平控制的衰减器；高精度模拟电调衰减器是工作频率为S/C/X频段,总衰减量为5dB,模拟电压DC0～5V控制，控制量连续可调的衰减器。
4.如权利要求1所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：大功率定向耦合器的耦合功率信号送监控处理器进行检测，监控处理器根据检测结果，按照逻辑算法控制程序依次控制级联的双环路负反馈自闭环控制回路中大步进数控衰减器和高精度模拟电调衰减器。
5.如权利要求4所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：当监控处理器接收到控制指令后，循环检测大功率定向耦合器的功率值，同时按照快速算法控制减小数控衰减器衰减值，当检测到输出功率值进入粗控范围时，启动快速算法控制高精度模拟电调衰减器，使大功率定向耦合器输出功率快速逼近预设值。
6.如权利要求2所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：监控处理器中的大步进快速控制算法子程序，首先检测大功率定向耦合器的输出功率Pn-1，计算当前定向耦合器的输出功率值Pn-1与预设值P0的分贝数差值，然后控制数控衰减器减小该差值的三分之二，快速控制高功放发射机高功率，然后再次检测定向耦合器的输出功率Pn。计算Pn-Pn-1的值，判断该值是否小于等于1dB的粗控范围，满足就退出，不满足又重复上述步骤控制一次。
7.如权利要求2所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：监控处理器中的高精度控制算法子程序，在完成大步进粗控循环后启动，首先检测定向耦合器的输出功率Pm-1，计算当前定向耦合器的输出功率值Pm-1与预设值P0的分贝数差值，然后控制模拟电调衰减器减小该差值的三分之二，快速控制高功放发射机高功率，然后再次检测定向耦合器的输出功率Pm。计算Pm-Pm-1的值，判断该值是否小于等于0.1dB的高精度范围，满足就退出，不满足又重复上述步骤控制一次。
8.如权利要求1所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：监控处理器输出一个0～5V直流电压对模拟电调衰减器进行连续控制，工程应用中，设定控制量为0.1dB。
9.如权利要求6或7所述的大动态快速控制高功放发射机输出功率的方法，其特征在于：当快速高精度控制的流程满足控制精度0.1dB的退出条件，逻辑算法控制程序两个子程序对数控衰减器和模拟衰减器进行末值锁定后，退出程序，完成整个控制过程。
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