CN107196617B

CN107196617B - 基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路及稳幅方法

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Publication number: CN107196617B
Application number: CN201710391509.7A
Authority: CN
Inventors: 王涛; 宁曰民
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CETC 41 Institute
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2037-05-27
Also published as: CN107196617A

Abstract

本发明涉及稳幅环路设计技术领域，具体涉及一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路及稳幅方法，稳幅环路包括压控衰减器、驱动放大器、功率放大器、定向耦合器、检波器和CPU稳幅控制模块，射频信号依次通过压控衰减器、驱动放大器、功率放大器完成功率信号的放大，并由定向耦合器的信号输出端输出，定向耦合器的耦合输出端输出的耦合信号依次通过检波器、CPU稳幅控制模块，输出到压控衰减器；CPU稳幅控制模块包括功率转换模块、功率值比较模块和自适应计算模块。本发明具有高稳幅速度和稳幅精度，并具有高集成度和环境适应性的优点。

Description

基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路及稳幅方法

技术领域

本发明涉及稳幅环路设计技术领域，具体涉及一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路及稳幅方法。

背景技术

随着雷达、通信、电子对抗、导航和航空航天等应用领域的不断发展，对功率放大器性能也提出了越来越高的要求，不仅要求功率放大器能够具有更高的功率输出，而且要求具有功率稳幅输出功能，即在特定的工作频率范围内输出功率平坦度良好，该性能指标的好坏，直接影响了功率放大器输出信号的稳定性，因此，必须采用新技术来实现功率放大器的稳幅输出功能。

目前，广泛应用的功率稳幅技术是带有反馈控制的闭环功率控制系统，该系统的工作原理是将输出功率的反馈信号和参考信号进行比较，利用所得偏差信息对放大器通路内的压控衰减器进行调节，从而实现功率的稳幅输出。功率稳幅技术的关键指标主要包括稳幅精度和稳幅速度两个方面，传统的功率稳幅技术采用模拟稳幅电路搭建稳幅环路，其原理框图如图1所示。该稳幅环路主要包括压控衰减器、驱动放大器、功率放大器、定向耦合器、检波器和稳幅电路(双斜率对数放大电路、积分电路和功率调制电路等)。其中，射频信号依次通过压控衰减器、驱动放大器以及功率放大器后完成了功率信号的放大，并由定向耦合器的输出端输出，同时定向耦合器的正向耦合端输出的功率耦合信号进入检波器，功率信号被转换为模拟电压信号，该电压信号通过稳幅电路与参考信号进行比较，并将偏差信息调制为压控衰减器的增益调节信号，从而实现放大器功率的稳幅输出。该技术虽然具有较高的稳幅精度和稳幅速度，但由于模拟电路本身集成度不高，占用空间大等限制因素，导致其无法满足现代化电子测量设备小型化和高集成化的发展需求。

传统的功率稳幅技术是采用模拟电路搭建稳幅环路，其缺点主要包括以下几点：

1.电路原理复杂，集成度不高，因此通常需要占用较大空间，不利于软件集成和程控操作，大大限制了放大器的小型化；

2.电路对参考信号的稳定度及动态范围要求较高，环境温度的变化会对稳幅精度产生较大影响，环境适应性较差；

3.由于功率放大器本身的特殊性，导致其稳幅环路的一致性较差，对于不同型号放大器，通常需要经过反复调试，才能发挥其稳幅环路的最佳效果，生产成本较高。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路及稳幅方法，具有高稳幅速度和稳幅精度，并具有高集成度和环境适应性。

本发明的基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路，包括：压控衰减器、驱动放大器、功率放大器、定向耦合器、检波器和CPU稳幅控制模块，射频信号依次通过压控衰减器、驱动放大器、功率放大器完成功率信号的放大，并由定向耦合器的信号输出端输出；

其中，所述定向耦合器还包括耦合输出端，耦合输出端输出的耦合信号依次通过检波器、CPU稳幅控制模块，输出到压控衰减器；所述CPU稳幅控制模块包括功率转换模块、功率值比较模块和自适应计算模块，所述功率转换模块用于将检波器产生的模拟电压信号转换为输出功率值，所述功率值比较模块用于将输出功率值与稳幅目标功率值进行比较，所述自适应计算模块利用所述输出功率值与所述稳幅目标功率值的偏差信息进行自适应计算，将运算结果转换为增益调节信号，所述增益调节信号用于控制完成对压控衰减器的自动设置。

作为优选，所述CPU稳幅控制模块还包括液晶显示模块，用于将输出功率值显示在液晶面板上。

作为优选，所述CPU稳幅控制模块还包括定时刷新模块，用于设置定时刷新功能。稳幅输出功率一旦设置完毕，即可保证长时间稳定工作，输入信号和环境温度等的变化均不会对放大器的输出功率产生影响。

作为优选，所述CPU稳幅控制模块还设置有网络接口、GPIB接口、USB接口、VGA接口。可以利用数据共享技术，通过多种接口实现输出功率远程控制、内稳幅及失配保护等多项功能，大大增强了功率放大器的实用性和整机工作的可靠性。

在基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路的基础上，本发明还提供了一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅方法，包括依次执行的如下步骤：

步骤1：根据压控衰减器的频响特性，获得两个初始参考点M_k(X_k,Y_k)和M_j(X_j,Y_j)，其中，X_k和X_j代表参考点的对应电压值，Y_k和Y_j代表参考点的对应增益值。

步骤2：根据参考点M_k和M_j，拟合后获得线性频响曲线为：

步骤3：假定目前功率放大器的输出功率为P₁，对应的压控衰减器电压值和增益值为M₁(X₁,Y₁),稳幅目标输出功率值为P_x，通过CPU稳幅控制模块进行第一次迭代运算，得到增益调节值为ΔY＝P_x-P₁，压控衰减器的目标增益值Y′＝Y₁+ΔY，将y＝Y′代入公式(1)，得到目标电压值x＝X′，并将压控衰减器的电压调节至目标电压值x＝X′。

步骤4：判断第一次迭代运算后得到的稳幅输出功率值与稳幅目标输出功率值的误差是否小于预先设定的误差允许值，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则进行第二次迭代运算。

步骤5：根据第一次迭代运算结果，可得到当前压控衰减器的电压值和增益值M₂(X₂,Y₂)，并以M_k(X_k,Y_k)和M₂(X₂,Y₂)，重新作为参考点，获得二次拟合线性频响曲线：

步骤6：假定目前功率放大器的输出功率为P₂，稳幅目标输出功率值依然为P_x，通过CPU稳幅控制模块进行第二次迭代运算，得到增益调节值为ΔY＝P_x-P₂，压控衰减器的目标增益值Y″＝Y₂+ΔY，将y＝Y″代入公式(1)，得到目标电压值x＝X″，并将压控衰减器的电压调节至目标电压值x＝X″。

步骤7：判断第二次迭代运算后的得到的稳幅输出功率值与稳幅目标输出功率值的误差是否小于预先设定的误差允许值，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则依据步骤5和步骤6的算法，进行第三次迭代运算，以此类推，直至第n次运算后，误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕。

作为优选，所述两个参考点M_k(X_k,Y_k)和M_j(X_j,Y_j)选取位于频响特性曲线段两端附近的点。

本发明的基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路，利用功率放大器显示电路中的高集成度数字电路，将编译的稳幅控制程序写入其中的CPU模块，并与功率放大器、压控衰减器、定向耦合器以及检波器组成稳幅环路，通过自动调节压控衰减器的衰减量来实现放大器功率的稳幅输出。基于软件控制的稳幅环路，可以将压控衰减器、放大器、定向耦合器和检波器的频率响应非线性、幅度响应非线性等特征一并作为一个非线性特征量来处理，克服了基于硬件电路的方案中各种非线性特征量带来的误差，大大提高了稳幅精度。

本发明的基于动态自适应算法的智能功率稳幅方法，可以将压控衰减器、放大器、定向耦合器和检波器的频率响应特性和功率响应特征，综合为一个非线性响应特征量，进行自适应运算，从而将放大器的输出功率快速设置到目标功率值，有效减少CPU的运算次数，大大节省放大器电路调试初期的数据采集量，提高了功率稳幅速度，并能够保证较高的稳幅精度和稳定度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一是使用基于高集成化数字电路的软件控制稳幅环路取代原有基于全硬件电路的技术，大大缩小了稳幅电路的体积尺寸，提高了集成度，有利于功率放大器的小型化；

二是利用智能功率稳幅方法，在功率逼近过程中，迭代算法体现了深度学习思想，实现了自适应运算，即每一步运算均是以上一步运算结果为依据，从而有效减少了CPU运算次数，大大提高稳幅速度的同时能够保证较高的稳幅精度；

三是该CPU稳幅控制模块不仅能够实现稳幅功能，而且可以利用数据共享技术，通过多种接口实现输出功率远程控制、内稳幅及失配保护等多项功能，大大增强了功率放大器的实用性和整机工作的可靠性。

附图说明

图1为现有技术的模拟稳幅电路搭建的稳幅环路原理框图；

图2为本发明的基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路原理框图；

图3为本发明的基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路的CPU稳幅控制模块的内部结构原理框图；

图4为本发明与现有技术的压控衰减器的频响特性曲线对比图。

图中，1：压控衰减器；2：驱动放大器；3：功率放大器；4：定向耦合器；41：信号输出端；42：耦合输出端；5：检波器；6：CPU稳幅控制模块，61：功率转换模块；62：功率值比较模块；63：自适应计算模块；64：液晶显示模块；65：定时刷新模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2、3所示，本实施例的基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路，包括：压控衰减器1、驱动放大器2、功率放大器3、定向耦合器4、检波器5和CPU稳幅控制模块6，射频信号依次通过压控衰减器1、驱动放大器2、功率放大器3完成功率信号的放大，并由定向耦合器4的信号输出端41输出；

其中，所述定向耦合器4还包括耦合输出端42，耦合输出端42输出的耦合信号依次通过检波器5、CPU稳幅控制模块6，输出到压控衰减器1；所述CPU稳幅控制模块6包括功率转换模块61、功率值比较模块62和自适应计算模块63，所述功率转换模块61用于将检波器5产生的模拟电压信号转换为输出功率值，所述功率值比较模块62用于将输出功率值与稳幅目标功率值进行比较，所述自适应计算模块63利用所述输出功率值与所述稳幅目标功率值的偏差信息进行自适应计算，将运算结果转换为增益调节信号，所述增益调节信号用于控制完成对压控衰减器1的自动设置。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中的CPU稳幅控制模块6还包括液晶显示模块64，用于将输出功率值显示在液晶面板上。

实施例3：

在实施例1或2的基础上，本实施例中的CPU稳幅控制模块6还包括定时刷新模块65，用于设置定时刷新功能，稳幅输出功率一旦设置完毕，即可保证长时间稳定工作，输入信号和环境温度等的变化均不会对放大器的输出功率产生影响。

实施例4：

在实施例1或2或3的基础上，本实施例中的CPU稳幅控制模块6还设置有网络接口、GPIB接口、USB接口、VGA接口。可以利用数据共享技术，通过多种接口实现输出功率远程控制、内稳幅及失配保护等多项功能，大大增强了功率放大器的实用性和整机工作的可靠性。

实施例5：

一般的基于线性算法的调节方式(如二分法)无法快速准确的根据参考电压值对其进行设置，通常需要经过多次运算才能得到目标值。

图4为本实施例与现有技术的压控衰减器的频响特性曲线对比图，图中的实线为常用压控衰减器的非线性频响特性曲线(增益与频率的对应关系)；图中的虚线为本实施例的基于动态自适应算法的智能功率稳幅方法中压控衰减器1的拟合线性频响曲线。

本实施例以实施例1-4中的任一项为基础，提供了一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅方法，可以根据压控衰减器1的频响特性，实现自适应运算，得到拟合线性频响曲线，有效减少CPU运算次数，大大提高稳幅速度的同时，能够保证较高的稳幅精度，包括依次执行的如下步骤：

步骤1：根据压控衰减器1的频响特性，获得两个初始参考点M_k(X_k,Y_k)和M_j(X_j,Y_j)，其中，X_k和X_j代表参考点的对应电压值，Y_k和Y_j代表参考点的对应增益值。

步骤2：根据参考点M_k和M_j，拟合后获得线性频响曲线为：

步骤3：假定目前功率放大器3的输出功率为P₁，对应的压控衰减器1电压值和增益值为M₁(X₁,Y₁),稳幅目标输出功率值为P_x，则增益调节信号值为ΔY＝P_x-P₁，压控衰减器1的目标增益值为Y′＝Y₁+ΔY，将y＝Y′代入公式(1)，可得到压控衰减器1对应的目标电压值x＝X′，第一次迭代运算结束，CPU稳幅控制模块6根据运算结果，将压控衰减器1电压调至目标电压值。

步骤4：由于拟合后的线性频响曲线与实际频响曲线并不一致，CPU稳幅控制模块6将输出功率值与稳幅目标输出功率值之间的误差与预设的误差允许值进行比较，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则进行第二次迭代运算。

步骤5：根据第一次迭代运算结果，可得到当前压控衰减器1的电压值和增益值M₂(X₂,Y₂)，并以M_k(X_k,Y_k)和M₂(X₂,Y₂)，重新作为参考点，获得二次拟合线性频响曲线：

步骤6：假定目前功率放大器3的输出功率为P₂，稳幅目标输出功率值依然为P_x，则增益调节值应为ΔY＝P_x-P₂，此时，为了达到稳幅目标输出功率值，压控衰减器1的目标增益值应为Y″＝Y₂+ΔY，将y＝Y″代入公式(1)，可得到压控衰减器1对应的目标电压值x＝X″，至此第二次迭代运算结束，CPU稳幅控制模块6根据运算结果，将压控衰减器1电压调至目标电压值。

步骤7：第二次迭代运算结束后，CPU稳幅控制模块6会再次将输出功率值与稳幅目标输出功率值之间的误差与预设的误差允许值进行比较，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则依据步骤5和步骤6的算法，进行第三次迭代运算，以此类推，直至第n次运算后，误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕。

在本实施例中，两个参考点M_k(X_k,Y_k)和M_j(X_j,Y_j)选取位于频响特性曲线段两端附近的点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应视为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路，其特征在于：包括压控衰减器、驱动放大器、功率放大器、定向耦合器、检波器和CPU稳幅控制模块，射频信号依次通过压控衰减器、驱动放大器、功率放大器完成功率信号的放大，并由定向耦合器的信号输出端输出；

其中，所述定向耦合器还包括耦合输出端，耦合输出端输出的耦合信号依次通过检波器、CPU稳幅控制模块，输出到压控衰减器；所述CPU稳幅控制模块包括功率转换模块、功率值比较模块和自适应计算模块，所述功率转换模块用于将检波器产生的模拟电压信号转换为输出功率值，所述功率值比较模块用于将输出功率值与稳幅目标功率值进行比较，所述自适应计算模块利用所述输出功率值与所述稳幅目标功率值的偏差信息进行自适应计算，将运算结果转换为增益调节信号，并通过增益调节信号完成对压控衰减器的自动设置；

所述CPU稳幅控制模块还包括定时刷新模块，用于设置定时刷新功能；所述CPU稳幅控制模块还设置有网络接口、GPIB接口、USB接口、VGA接口；

所述基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路实现智能功率稳幅方法包括依次执行的如下步骤：

步骤(1)：根据压控衰减器的频响特性，获得两个初始参考点Mk(Xk,Yk)和Mj(Xj,Yj)，其中，Xk和Xj代表参考点的对应电压值，Yk和Yj代表参考点的对应增益值；所述两个参考点Mk(Xk,Yk)和Mj(Xj,Yj)选取位于频响特性曲线段两端附近的点；

步骤(2)：根据参考点Mk和Mj，拟合后获得线性频响曲线为：

步骤(3)：假定目前功率放大器的输出功率为P1，对应的压控衰减器电压值和增益值为M1(X1,Y1),稳幅目标输出功率值为Px，通过CPU稳幅控制模块进行第一次迭代运算，得到增益调节值为ΔY＝Px-P1，压控衰减器的目标增益值Y′＝Y1+ΔY，将y＝Y′代入公式(1)，得到目标电压值x＝X′，并将压控衰减器的电压调节至目标电压值x＝X′；

步骤(4)：判断第一次迭代运算后得到的稳幅输出功率值与稳幅目标输出功率值的误差是否小于预先设定的误差允许值，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则进行第二次迭代运算；

步骤(5)：根据第一次迭代运算结果，可得到当前压控衰减器的电压值和增益值M2(X2,Y2)，并以Mk(Xk,Yk)和M2(X2,Y2)，重新作为参考点，获得二次拟合线性频响曲线：

步骤(6)：假定目前功率放大器的输出功率为P2，稳幅目标输出功率值依然为Px，通过CPU稳幅控制模块进行第二次迭代运算，得到增益调节值为ΔY＝Px-P2，压控衰减器的目标增益值Y″＝Y2+ΔY，将y＝Y″代入公式(1)，得到目标电压值x＝X″，并将压控衰减器的电压调节至目标电压值x＝X″；

步骤(7)：判断第二次迭代运算后的得到的稳幅输出功率值与稳幅目标输出功率值的误差是否小于预先设定的误差允许值，若该误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕；若该误差大于预先设定的误差区间，则依据步骤(5)和(6)的算法，进行第三次迭代运算，以此类推，直至第n次运算后，误差小于预先设定的误差允许值，则认为稳幅输出功率设置完毕。

2.如权利要求1所述的一种基于动态自适应算法的智能功率稳幅环路，其特征在于：所述CPU稳幅控制模块还包括液晶显示模块，用于将输出功率值显示在液晶面板上。