一種電控可調(diào)雙工器的研究與設(shè)計(jì)

王清芬，馬延爽，王　燁

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

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一種電控可調(diào)雙工器的研究與設(shè)計(jì)

王清芬1，馬延爽1，王燁2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

針對(duì)通信系統(tǒng)對(duì)射頻前端雙工器高可靠工作、高通道選擇性的要求，基于雙工器的組成原理，提出了一種電控可調(diào)雙工器的解決方案。利用商業(yè)上成熟的電控開(kāi)關(guān)選擇頻率，環(huán)形器+固定濾波器組的形式組成雙工器，達(dá)到全頻段“無(wú)縫”覆蓋。固定濾波器利用“耦合帶寬法”進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到多個(gè)不同頻段的固定濾波器共用一套設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可靠性好，模塊化程度高。根據(jù)工程實(shí)踐，給出一個(gè)六通道設(shè)計(jì)實(shí)例，應(yīng)用效果良好。

可調(diào)雙工器；電控開(kāi)關(guān)；固定濾波器；耦合帶寬法

0　引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，大功率無(wú)線通信系統(tǒng)在遠(yuǎn)程遙感通信和功率傳輸?shù)确矫娴玫皆絹?lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)通道的選擇性要求也越來(lái)越高[1]。針對(duì)多通道通信系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)雙向通信以及收發(fā)通道只使用一個(gè)天線的要求，就必須在系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)多工器[2]。多工器是用于合成或者分離不同頻率信號(hào)的通信器件[3]，應(yīng)用于衛(wèi)星通信、中繼通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)、遙感、微波測(cè)量和太空技術(shù)等方面。

最簡(jiǎn)單的多工器是雙工器[4]，根據(jù)工作頻率是否可調(diào)，組成多工器的濾波器又分為固定濾波器和可調(diào)濾波器。隨著未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日益復(fù)雜化，頻率自適應(yīng)改變成為新型電子通信系統(tǒng)的需求趨勢(shì)，其應(yīng)用需求也進(jìn)一步促進(jìn)了可調(diào)濾波器的研究。但對(duì)于中功率以上系統(tǒng)，目前的工藝水平和自動(dòng)控制設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，仍難以滿足可調(diào)濾波器的要求，射頻器件研發(fā)工程師們也在努力地尋找折中的辦法。本文提出的使用商用電控開(kāi)關(guān)加固定濾波器的雙工器是比較有效的一種方法，用于在降低工藝要求的情況下達(dá)到類電調(diào)的能力。

1　雙工器組成

通過(guò)分析現(xiàn)有雙工器的研究和使用情況，其組成和實(shí)現(xiàn)形式主要有以下幾種：

① 環(huán)形器+收發(fā)濾波器[5]，其組成示意圖如圖1所示。這種雙工器一般適用于低損耗要求的中低功率(幾十W或數(shù)百W以下)的2路合路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便。

② 分枝節(jié)耦合雙工器，其組成示意圖如圖2所示。分枝節(jié)耦合雙工器收發(fā)信道之間存在相移線段，用來(lái)分隔發(fā)射信道的位置，設(shè)計(jì)比較靈活，能實(shí)現(xiàn)最佳的絕對(duì)插入損耗、幅值和群時(shí)延響應(yīng)。但這種分枝節(jié)耦合雙工器不能適應(yīng)任意頻率分配場(chǎng)合，信道的任何改變都需要當(dāng)成新的雙工器來(lái)設(shè)計(jì)。

③ 公共接頭雙工器，比較常見(jiàn)的是用于較低頻段的同軸雙工器，其中接頭在濾波器輸出腔體的內(nèi)部緊湊連接，形成T型結(jié)構(gòu)，因此工程上又叫做“T型頭”。這種雙工器類型，與前述多枝節(jié)雙工器類似，只是沒(méi)有匹配的相移線段，收發(fā)信道直接匯集到公共接口。

④ 橋式雙工器，其組成示意圖如圖3所示。

圖3　3dB耦合電橋雙工器示意

這種形式的雙工器由2個(gè)相同的帶通濾波器和2個(gè)90°(正交)混合電橋組成[6]。由于傳輸模式或反射模式的總功率經(jīng)過(guò)混合電橋后，其中的一半入射到每個(gè)濾波器輸入端，使得功率容量增加一倍。但缺點(diǎn)是2路濾波器的幅相一致性要求高，體積和重量大。

⑤ 用電控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的雙工器，其組成示意圖如圖4所示。

圖4　電控開(kāi)關(guān)雙工器方案1

通過(guò)引入電控開(kāi)關(guān)，采用一系列中心頻率不同的固定濾波器，可以在ms量級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)變頻功能。根據(jù)需要設(shè)計(jì)固定濾波器的數(shù)量，完成工作頻率范圍內(nèi)的無(wú)縫切換。適合于中功率以上要求的通信系統(tǒng)。

綜上，從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式上來(lái)說(shuō)，第②種、第③種和第④種只適合設(shè)計(jì)固定雙工器。對(duì)第①種進(jìn)行可調(diào)還是固定取決于所采用的收發(fā)濾波器是可調(diào)的還是固定的；目前，可現(xiàn)場(chǎng)改頻的通信系統(tǒng)中，傾向于采用這種方式的可調(diào)雙工器，但對(duì)于切換時(shí)間要求較高的自適應(yīng)改頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其響應(yīng)時(shí)間還不能達(dá)到要求，而且當(dāng)前加工工藝和機(jī)電一體化程度也有待于提高。第⑤種濾波器采用固定的方式，通過(guò)電控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)中心頻率的調(diào)整，可以達(dá)到類電調(diào)雙工器的抗干擾能力，頻率利用率高，且對(duì)加工工藝的要求不高，改頻速度快，成為中功率以上自適應(yīng)改頻系統(tǒng)的優(yōu)選方案。

2　總體設(shè)計(jì)方案

2.1總體要求

根據(jù)系統(tǒng)總體要求，雙工體制為FDD，射頻工作頻率范圍為4 400～5 000MHz。射頻接收通道帶寬需要滿足傳輸要求，并以有利于功率傳輸和加工制造為原則。為了增加系統(tǒng)的抗干擾性，雙工器帶寬為不小于100MHz，收發(fā)通道工作頻點(diǎn)，在保證隔離度要求的情況下隨機(jī)選擇，插入損耗要求小于1.5dB，收發(fā)通道隔離度大于70dB(f0±200MHz)，承受功率要求達(dá)到100W以上。

2.2方案對(duì)比分析

綜合現(xiàn)有的工程實(shí)現(xiàn)，采用的方案主要有以下幾種：

① 采用環(huán)形器+固定濾波器組成雙工器，收發(fā)兩端采用A、B機(jī)形式，如A機(jī)高發(fā)低收，則B機(jī)低發(fā)高收，或者相反。全頻段范圍內(nèi)需要留足夠的頻率間隙，以達(dá)到收發(fā)通道隔離度的要求。頻率劃分如圖5所示。

圖5　頻率劃分示意

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是思路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，缺點(diǎn)是頻譜浪費(fèi)，無(wú)法改頻，設(shè)備互換性差。

② 采用環(huán)形器+固定濾波器+DPDT組成雙工器，如圖6所示。

圖6　頻率劃分示意

這種方案避免了A、B機(jī)，通信兩端設(shè)備可互換，存在的問(wèn)題有：本端f1發(fā)，f2收時(shí)，環(huán)形器需要多繞一路，損耗增加；收發(fā)通道的隔離度為濾波器的收發(fā)抑制度加環(huán)形器的隔離度，且受限于DPDT的能力，最大值為DPDT的隔離度。

③ 采用環(huán)形器+可調(diào)濾波器的形式。這是目前較常采用的思路，這種形式在頻譜利用和現(xiàn)場(chǎng)改頻方面表現(xiàn)突出。但對(duì)于中功率以及以上需求，可調(diào)濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝以及與自動(dòng)控制的一體化程度均需要提高，響應(yīng)時(shí)間在秒級(jí)，仍無(wú)法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)自適應(yīng)改頻的要求。

鑒于以上方案中的問(wèn)題，本文提出采用電控開(kāi)關(guān)+環(huán)形器+固定濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)雙工器。商用成熟的電控開(kāi)關(guān)，切換時(shí)間在ms量級(jí)，大大提高了頻率切換時(shí)間；固定濾波器組的設(shè)計(jì)對(duì)加工工藝的要求降低，有利于模塊化，可生產(chǎn)性高；電控開(kāi)關(guān)、濾波器、環(huán)形器串聯(lián)形式連接，保證了收發(fā)通道之間的隔離度。根據(jù)指標(biāo)要求通道數(shù)量選為6個(gè)，中心頻率分別為4 450MHz、4 550MHz、4 650MHz、4 750MHz、4 850MHz和4 950MHz，完成變頻需求的情況下，有效利用頻譜。

2.3關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1固定濾波器的設(shè)計(jì)

采用耦合帶寬法[7-8]，用內(nèi)圓外圓同軸腔形式，非對(duì)稱腔體選擇不同的寬度尺寸和采用T型窗耦合結(jié)構(gòu)[9]等措施，實(shí)現(xiàn)在一定頻率范圍內(nèi)，僅通過(guò)調(diào)整頻率變量，不改變耦合結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，達(dá)到多個(gè)離散頻點(diǎn)中心頻率可調(diào)，絕對(duì)帶寬和幅頻特性保持不變的設(shè)計(jì)要求。

2.3.2濾波器組一體化加工設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)的不同中心頻率的濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸是完全一樣的，使加工更為簡(jiǎn)單。為了使機(jī)箱結(jié)構(gòu)更加緊湊，將6條濾波器進(jìn)行一體化加工，增加了設(shè)備的模塊化程度。

3　仿真結(jié)果分析

根據(jù)指標(biāo)要求，濾波器腔數(shù)為9腔。單個(gè)濾波器的結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7　單個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)

運(yùn)用耦合帶寬法，設(shè)計(jì)耦合窗的位置和形狀。通過(guò)計(jì)算和高頻電磁仿真軟件(HFSS)建模[10]，并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8　濾波器單元仿真結(jié)果1

圖9　濾波器仿真結(jié)果2

將6條上述濾波器單元一體化設(shè)計(jì)成濾波器組件，按照如圖4所示的形式連接。電控可調(diào)的雙工器由2個(gè)濾波器組件、4個(gè)單刀六擲開(kāi)關(guān)和1個(gè)環(huán)形器組成。

測(cè)試結(jié)果如下：4 400～5 000MHz內(nèi)6頻段可調(diào)；插入損耗：1.4dB；切換時(shí)間：20ms；收發(fā)隔離度：81dB。

工程應(yīng)用顯示，其濾波效果良好，且相比于電連續(xù)可調(diào)雙工器，加工工藝要求低，可生產(chǎn)性好，完全滿足系統(tǒng)要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文論述了雙工器在通信系統(tǒng)的重要作用和地位，分析了雙工器的幾種組成原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種電控可調(diào)雙工器，6個(gè)可選頻段，其模式化設(shè)計(jì)思路為目前通信系統(tǒng)高抗干擾要求提供了一種介于電調(diào)濾波器和固定寬帶濾波器之間的折中設(shè)計(jì)方案。后續(xù)可以在增加可選頻段數(shù)目上進(jìn)一步研究，以達(dá)到逼近連續(xù)可調(diào)濾波器的性能。

[1]許瑞生,崔琦.FIR濾波器在擴(kuò)頻發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用[J].無(wú)線電通信技術(shù),2011,37(4): 62-64.

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[3]甘本祓，吳萬(wàn)春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1973.

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王清芬女，(1979—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：微波散射通信。

馬延爽男，(1956—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：微波散射通信。

The Study and Design of an Active Switch Tunable Duplexer

WANG Qing-fen1,MA Yan-shuang1,WANG Ye2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081,China;2.Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,ShaanxiXi’an710121,China)

Aiming at thehigh-reliability andhigh-selectivity requirement for RF front-end duplexer，based on the composition principle of duplexer,the solving schemes are brought forward to active switch duplexer.Commercial relay switches are used to select the working frequency.The duplexer is composed of the circulator and the filters,thus seamless coverage is achieved in the whole frequency band.Fixed filters are designed by the coupled bandwidth in order to use a set of data for all filter implementation,with the advantages ofhigh-reliability and modularization.In the end,an example is given,with good application effect.

tunableduplexer;active switch;fixed filter;coupled bandwidth

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.18

2016-05-17

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012ZX03004-003)。

TP391

A

1003-3106(2016)09-0069-04

引用格式：王清芬,馬延爽,王燁.一種電控可調(diào)雙工器的研究與設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(9):69-72.