官 飛

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000)

耦合匹配網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)源微波網(wǎng)絡(luò)，習(xí)慣稱為耦合網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)采用星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)，是可調(diào)多路耦合器[1-2]的重要部件，它有若干個(gè)輸入端，各連接1個(gè)可調(diào)帶通濾波器，濾波器經(jīng)若干并聯(lián)的等長(zhǎng)傳輸線枝節(jié)，以星點(diǎn)狀的形式連接到電抗對(duì)消匹配網(wǎng)絡(luò)，完成電抗對(duì)消和寬頻帶阻抗匹配[3-6]，解決多信道合路時(shí)插損、駐波比、紋波等性能指標(biāo)惡化的問(wèn)題，最終經(jīng)過(guò)1個(gè)輸出端連接到寬帶天線，這樣就實(shí)現(xiàn)了多路耦合。該耦合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是可調(diào)多路耦合器的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用該技術(shù)構(gòu)建的多路耦合器，可稱為星點(diǎn)式多路耦合器。

1 星點(diǎn)式多路耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

星點(diǎn)式多路耦合網(wǎng)絡(luò)[7]主要由近似等長(zhǎng)傳輸線以及電抗對(duì)消耦合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。近似等長(zhǎng)傳輸線作為匹配枝節(jié)，連接相應(yīng)濾波器到匯接點(diǎn)，以及參與匹配其他濾波器通道的阻抗，保證4個(gè)射頻通道性能良好，電抗對(duì)消網(wǎng)絡(luò)保證4個(gè)射頻通道匯接在一起后，各個(gè)射頻通路之間的電抗影響被降到最低，保證各個(gè)通路的射頻通帶性能。原理如圖1所示，圖中4個(gè)濾波器要保持一定頻率間隔，一方面是利用濾波器帶外抑制保證各通道間的隔離度，另一方面所工作的通頻帶要處在耦合網(wǎng)絡(luò)匹配良好的頻段，避開(kāi)其他濾波器的過(guò)渡帶。

圖1 星點(diǎn)式多路耦合網(wǎng)絡(luò)原理

傳統(tǒng)經(jīng)典的電抗對(duì)消網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，各段傳輸線的阻抗不同，并且采用集總電容實(shí)現(xiàn)匹配。這樣的實(shí)現(xiàn)方案需要特殊加工特定特性阻抗以及電長(zhǎng)度的傳輸線，因此，加工難度大，成本高。

圖2 傳統(tǒng)經(jīng)典的星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)消電路

本設(shè)計(jì)中星點(diǎn)式多路耦合網(wǎng)絡(luò)的電抗對(duì)消網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。依據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論和傳輸線分布式電路理論，采用四路星點(diǎn)連接帶通濾波器，運(yùn)用各種射頻仿真工具全局優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電抗對(duì)消耦合網(wǎng)絡(luò)電參數(shù)，改進(jìn)仿真模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物之精準(zhǔn)工藝，進(jìn)而較好地完成電抗對(duì)消和阻抗匹配。整個(gè)電抗對(duì)消網(wǎng)絡(luò)的傳輸線阻抗或匹配枝節(jié)，均為50 Ω，采用分布式電路實(shí)現(xiàn)。用分布式器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)對(duì)消網(wǎng)絡(luò)中的集總電容，分布式器件主要是高性能同軸傳輸線:一是能夠在更寬的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的電抗對(duì)消性能;二是其等效串聯(lián)電阻比一般的集總電容更低，熱損方面更優(yōu);三是其等效電抗可以隨著頻率的變化而變化，從而使耦合網(wǎng)絡(luò)特性隨著頻率的變化更加穩(wěn)定;四是利于加工、調(diào)試、獲得更好的一致性以及控制成本。

圖3 本方案中星點(diǎn)式多路耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)消電路

2 基于SPnT射頻開(kāi)關(guān)的星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)及多路耦合器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的星點(diǎn)式多路耦合器中耦合網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的多個(gè)等長(zhǎng)傳輸線枝節(jié)無(wú)斷點(diǎn)地在分支接頭處直接焊在一起，這樣帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)某一路機(jī)械可調(diào)濾波器[8-11]正在調(diào)諧時(shí)，其中心頻率連續(xù)變化，常與其他并聯(lián)濾波器發(fā)生頻率交疊，在交疊的短時(shí)間內(nèi)造成其他并聯(lián)濾波器嚴(yán)重失諧，影響相應(yīng)電臺(tái)的連續(xù)正常通信。為徹底解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出在滿足耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指標(biāo)、保持工作頻段內(nèi)阻抗匹配持續(xù)合格和不影響其他濾波通道性能的前提下，把待調(diào)諧的濾波器從傳輸線并聯(lián)枝節(jié)匯合星點(diǎn)處斷開(kāi)，直到其調(diào)諧備妥再重新接入。本質(zhì)是在并聯(lián)枝節(jié)末端即匯合星點(diǎn)處選取射頻通路的斷點(diǎn)位置，創(chuàng)新性地基于常開(kāi)式單刀多擲射頻同軸開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)。

2.1 具體實(shí)施方式和工作原理

針對(duì)星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)的工作特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)解決方法將常開(kāi)式單刀多擲射頻同軸開(kāi)關(guān)嵌入到新型星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)中，突破開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)用法，在其控制端多路同時(shí)上電，選通閉合多條射頻支路。這種新型用法是基于創(chuàng)新的理解：將傳統(tǒng)的常開(kāi)式單刀多擲射頻開(kāi)關(guān)，理解成常開(kāi)式多個(gè)單刀單擲射頻開(kāi)關(guān)[12-15]的一體化集成體，它們共用1個(gè)射頻口，如圖4所示。這種四路星點(diǎn)式多路耦合器的射頻系統(tǒng)工作流程為：多路耦合器開(kāi)機(jī)后，完成初始化，默認(rèn)耦合網(wǎng)絡(luò)中單刀四擲射頻開(kāi)關(guān)的4個(gè)支路呈斷開(kāi)狀態(tài)；按電臺(tái)要求，某個(gè)濾波器調(diào)諧完畢，射頻開(kāi)關(guān)的控制端上電，相應(yīng)射頻支路閉合，這樣多路耦合器整機(jī)射頻通道完成備妥，電臺(tái)可以開(kāi)始收信或發(fā)信；按電臺(tái)要求，若增加接入濾波器或已接入的濾波器需要更換頻率，首先使射頻開(kāi)關(guān)上對(duì)應(yīng)控制端電平復(fù)位到斷電狀態(tài)，相應(yīng)射頻支路為斷開(kāi)，待該濾波器調(diào)諧完畢，再閉合對(duì)應(yīng)射頻支路，這樣就避免了調(diào)諧中的濾波器對(duì)其他已接入的正在工作的濾波器的干擾，即使調(diào)諧頻率交疊也能避免其他濾波器帶內(nèi)受擾失諧，保證電臺(tái)連續(xù)正常地通信。

圖4 四路星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)與四路星點(diǎn)式多路耦合器原理

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果和分析

四路星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)的各段傳輸線長(zhǎng)度和電抗對(duì)消匹配網(wǎng)絡(luò)需要仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化后確定。設(shè)計(jì)時(shí)，在給定分布式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前提下，各段傳輸線的物理長(zhǎng)度和其他集總參數(shù)都由所需設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)來(lái)具體決定。利用射頻電路仿真設(shè)計(jì)軟件，可以獲得滿足星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)需要特性的設(shè)計(jì)。

據(jù)此設(shè)計(jì)方法實(shí)施后的四路星點(diǎn)式多路耦合器，選取頻率范圍105～173 MHz中的110 MHz、130 MHz、150 MHz、170 MHz 4個(gè)中心頻率進(jìn)行性能測(cè)試，如圖5所示，4個(gè)通道合路同時(shí)工作，可見(jiàn)基本無(wú)互擾，有巨大改善。

圖5 四路星點(diǎn)式多路耦合器的1組性能測(cè)試曲線

2.3 改進(jìn)后解決方法的特點(diǎn)和有益效果

針對(duì)星點(diǎn)式可調(diào)多路耦合器的工作特點(diǎn)，在星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)枝節(jié)匯合結(jié)點(diǎn)處，引入SPnT射頻同軸開(kāi)關(guān)，使并聯(lián)枝節(jié)通斷變得可控，這樣在滿足耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指標(biāo)、保持工作頻段內(nèi)阻抗匹配持續(xù)合格和不影響其他濾波通道性能的前提下，解決了多路耦合器中1個(gè)濾波器調(diào)諧頻率交疊造成其他濾波器帶內(nèi)失諧的干擾問(wèn)題，這種方法相比于傳統(tǒng)解決方法有以下有益效果：

1)首先，最重要的一點(diǎn)是斷點(diǎn)設(shè)置在并聯(lián)枝節(jié)末端即匯合星點(diǎn)處，有效地減小了射頻開(kāi)關(guān)內(nèi)部傳輸線的等效電長(zhǎng)度，使耦合網(wǎng)絡(luò)每根并聯(lián)枝節(jié)等效短路線的總長(zhǎng)度L下降到多路耦合器工作頻段的中心頻率的1/4波長(zhǎng)以下。這樣保證了當(dāng)頻率間隔大于規(guī)定最小值時(shí)，多路耦合器各射頻通路以任意頻率組合，各通頻帶內(nèi)的插入損耗、紋波、駐波比3項(xiàng)性能的持續(xù)優(yōu)良與穩(wěn)定合格，即不降低各濾波通路合路時(shí)的帶內(nèi)性能，解決了濾波器合路時(shí)的相互干擾問(wèn)題。

2)其次，減少了開(kāi)關(guān)數(shù)量(繼電器線包數(shù)量)，提高了耦合網(wǎng)絡(luò)可靠性，降低了開(kāi)關(guān)成本，使整機(jī)的安裝固定變得更簡(jiǎn)單方便，提高了可維修性。

3 耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要關(guān)注的問(wèn)題

3.1 信道頻率碰撞規(guī)則

為了獲取良好帶內(nèi)性能和通道間隔離度(能量從發(fā)射通道到接收通道的抑制，防止燒毀接收前端)，多路耦合器各信道要保持一定的頻率間隔，通常在超短波頻段，信道頻率間隔要5%f0(f0是窄帶通道中心頻率)以上，該間隔取決于：

1)濾波器自身帶外抑制度的實(shí)現(xiàn)情況，其通過(guò)諧振電路的級(jí)數(shù)或采用交叉耦合、調(diào)整濾波器通頻帶寬可以改變。

2)耦合網(wǎng)絡(luò)性能(插損和駐波比)的實(shí)現(xiàn)情況，其通過(guò)濾波器帶寬或耦合網(wǎng)絡(luò)自身的電路拓?fù)浜蛥?shù)進(jìn)行調(diào)整。濾波器和耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，其各自貢獻(xiàn)插損，共同影響多路耦合器設(shè)備的插損，設(shè)計(jì)上要求各自插損、駐波比盡量?jī)?yōu)良，以保障級(jí)聯(lián)后的整體性能。

3.2 仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)物的準(zhǔn)確性

在仿真電路圖中，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)面的存在，對(duì)DUT的1端口和2端口的測(cè)試起始點(diǎn)的定義與理解將影響與之相連接的同軸線纜的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的定義，直接影響同軸線纜的實(shí)物加工長(zhǎng)度，若直接使用仿真數(shù)據(jù)中同軸線纜的長(zhǎng)度，將導(dǎo)致實(shí)物測(cè)試的S21曲線(幅頻、相頻特性曲線)嚴(yán)重偏離仿真曲線，如圖6所示(其中，DB(|S(14，13)|)shice為實(shí)測(cè)曲線，DB(|S(2，1)|)fang zhen 為仿真曲線)，影響模型轉(zhuǎn)換實(shí)物的有效性。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，采用仿真后再調(diào)試的方式，在實(shí)物中調(diào)試同軸線纜長(zhǎng)度，使之與仿真模型擬合。

圖6 傳統(tǒng)方法中實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線對(duì)比

此時(shí)，由于對(duì)VNA的校準(zhǔn)面問(wèn)題沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有準(zhǔn)確找出校準(zhǔn)面的位置，因此，傳統(tǒng)方法中存在部分缺點(diǎn)：

1)無(wú)法建立仿真模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物的良好橋梁，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期變長(zhǎng)；

2)使得整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程變得被動(dòng)而復(fù)雜，計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)將不足為實(shí)物生產(chǎn)提供有效的數(shù)據(jù)支撐；

3)間接失去了計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

本設(shè)計(jì)提出了一種應(yīng)用于實(shí)頻仿真設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和方法，其中，同軸線纜的特性阻抗Zc=50 Ω。首先通過(guò)VNA校準(zhǔn)面的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)定位VNA的校準(zhǔn)面位置，測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 應(yīng)用于定位 VNA 校準(zhǔn)面的測(cè)試系統(tǒng)

(1)

當(dāng)輸出電抗為Xout時(shí)，計(jì)算出從VNA的校準(zhǔn)面到開(kāi)路同軸線纜開(kāi)路端長(zhǎng)度L2。其差值LΔ=L2-L1，即為同軸線纜轉(zhuǎn)化為實(shí)物時(shí)需要補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)度。而此LΔ是仿真模型順利轉(zhuǎn)化為實(shí)物的關(guān)鍵值。制作與DUT端口相連接的同軸線纜及射頻連接器時(shí)，實(shí)物制作總長(zhǎng)度需要將仿真長(zhǎng)度加上LΔ，才能得到較準(zhǔn)確設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，若無(wú)法采用相同介電常數(shù)的同軸線纜和射頻連接器，則將介電常數(shù)轉(zhuǎn)換至相同，所使用的同軸線纜和射頻連接器作相應(yīng)的長(zhǎng)度折算后，仍然可以使用本方法。VNA校準(zhǔn)面的測(cè)試系統(tǒng)中所使用的射頻連接器和開(kāi)路同軸線纜，若兩者介電常數(shù)相等，則直接相加長(zhǎng)度得到L1；若不相等，則需要將其轉(zhuǎn)換為相同的介電常數(shù)，長(zhǎng)度作對(duì)應(yīng)的折算后，再相加折算后的長(zhǎng)度才是L1。

4 多路耦合器保障通信系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 多路耦合器插入損耗測(cè)試

通過(guò)改變多路耦合器工作頻點(diǎn)，測(cè)試多路耦合器在不同頻點(diǎn)處工作時(shí)給系統(tǒng)引入的插入損耗，測(cè)試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試變量為S21，如圖8所示。

圖8 多路耦合器插入損耗測(cè)試

插入損耗測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 多路耦合器不同通道插入損耗隨頻率變化情況

結(jié)果可見(jiàn)，在不同頻點(diǎn)處，插入損耗均小于2 dB，且隨著頻率的變化插入損耗的值在1 dB范圍內(nèi)變化，波動(dòng)幅度較小。滿足實(shí)際使用情況下對(duì)多路耦合器插損的要求。

4.2 超短波通道單鏈路遠(yuǎn)距離通信模擬試驗(yàn)

保持收發(fā)電臺(tái)工作在數(shù)據(jù)鏈設(shè)備測(cè)試模式，觀察并記錄數(shù)據(jù)鏈設(shè)備通信時(shí)的誤碼率，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器改變信號(hào)衰減量，當(dāng)誤碼率剛好臨界變?yōu)?時(shí)，記錄衰減器的數(shù)值，此時(shí)衰減值即對(duì)應(yīng)于空間對(duì)信號(hào)的衰減，該數(shù)值經(jīng)換算能近似確定出實(shí)際通信情況下系統(tǒng)最遠(yuǎn)通信距離。試驗(yàn)設(shè)備連接見(jiàn)圖10。

圖10 超短波通道發(fā)射天線單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗(yàn)

單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗(yàn)結(jié)果

由于通信系統(tǒng)要求通信距離≥350 km，而實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)射天線與接收天線之間的距離為362 M。為保證實(shí)際通信距離滿足350 km，需增加至少20lg350-20lg0.362=59.707 dB的衰減，衰減器的設(shè)置值越大，表征能通信的距離越遠(yuǎn)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,衰減器的數(shù)值比理論計(jì)算值多十幾dB，扣除設(shè)備、電纜損耗、天線增益的影響，能保證實(shí)際通信距離≥350 km。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于可通斷的星點(diǎn)式耦合網(wǎng)絡(luò)，采用同軸傳輸線枝節(jié)進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1種新型射頻多路耦合器，工作于105～173 MHz，帶寬可調(diào)，窄帶≥3.8 MHz、寬帶通頻帶105～150 MHz，支持4部收/發(fā)信機(jī)以窄帶(點(diǎn)頻)、跳頻、擴(kuò)頻多種模式進(jìn)行組合同時(shí)收發(fā)，支持非業(yè)務(wù)中的信道空出以釋放頻率資源，適應(yīng)60 W/路，插入損耗≤2.7 dB，電壓駐波比≤2.3，隔離度≥45 dB，工作狀態(tài)4路窄帶或1路寬帶+3路窄帶，信道合路性能合格率≥99%，通信系統(tǒng)試驗(yàn)表明，多部電臺(tái)共用天線以不同頻率共址同時(shí)收發(fā)，通信距離達(dá)350 km以上。