一種提高預(yù)/后選器隔離度的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 紅

(陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

一種提高預(yù)/后選器隔離度的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 紅

(陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

在短波通信設(shè)備中，當(dāng)預(yù)選器工作時(shí)，會(huì)有載波信號(hào)泄漏到后選器中；反之，當(dāng)后選器工作時(shí)，也存在載波信號(hào)泄漏到預(yù)選器中。如果預(yù)/后選器隔離度低，這些泄漏的信號(hào)會(huì)和傳輸信號(hào)一同被放大，對(duì)通信設(shè)備性能造成不利影響。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種全方位提高短波預(yù)/后選器隔離度的設(shè)計(jì)方案。討論了保護(hù)電路的設(shè)計(jì)以及PCB排版時(shí)應(yīng)注意的接地問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果表明，預(yù)/后選器的隔離度達(dá)到60 dB以上，有效地解決了因載波泄漏導(dǎo)致通信設(shè)備性能不佳的問(wèn)題。

預(yù)/后選器；高隔離度；單刀雙擲開關(guān)(SPDT)；發(fā)射機(jī)；接收機(jī)

0 引言

本短波預(yù)/后選器[1]是一種用于短波跳頻電臺(tái)內(nèi)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的射頻數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日益發(fā)展,對(duì)通信干擾技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。針對(duì)通信干擾技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，短波跳頻電臺(tái)作為新一代的通信對(duì)抗設(shè)備，具有較強(qiáng)的抗干擾、抗截獲能力，使其在現(xiàn)代的電子戰(zhàn)中顯示出巨大的優(yōu)越性。預(yù)/后選器就是針對(duì)新一代通信對(duì)抗設(shè)備研制的關(guān)鍵件。預(yù)選器置于設(shè)備接收機(jī)前端，濾除工作頻帶以外的無(wú)用信號(hào)，提高其信噪比。后選器置于發(fā)射機(jī)功率放大器前端，濾除工作頻帶以外的諧波，減小其輻射干擾。因此，它對(duì)提升跳頻電臺(tái)的通話質(zhì)量具有重要的意義。

隨著預(yù)/后選器在通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，暴露出因預(yù)/后選器收/發(fā)通道間的隔離度[3]低，引起電臺(tái)發(fā)射時(shí)自激、嚴(yán)重時(shí)燒壞電臺(tái)內(nèi)的濾波單元。本文介紹了一種短波預(yù)/后選器收/發(fā)信道高隔離技術(shù)，其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：① 采用高隔離度SPDT開關(guān)，利用其特殊結(jié)構(gòu)中的等效阻抗使泄漏信號(hào)接地；② 優(yōu)化射頻信號(hào)切換策略；③ 對(duì)預(yù)/后選器中的放大器進(jìn)行供電管理，從而阻止泄漏信號(hào)被放大。該預(yù)/后選器的隔離度指標(biāo)達(dá)到60 dB以上。對(duì)于預(yù)/后選器收/發(fā)通道泄漏載波，導(dǎo)致電臺(tái)可靠性下降的問(wèn)題，提出切實(shí)可行的解決辦法，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 短波預(yù)/后選器基本組成及工作原理

本文提出的短波預(yù)/后選器由控制電路、跳頻濾波器、放大電路和轉(zhuǎn)換電路組成，預(yù)/后選器收/發(fā)通道公用跳頻濾波器?？蓪?shí)現(xiàn)預(yù)選器、后選器和直通功能。

該預(yù)/后選器主要采用了數(shù)字調(diào)諧式跳頻濾波器技術(shù)[4]、低噪聲寬帶放大器技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)[5]、射頻信號(hào)切換技術(shù)和軟件技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了2～30 MHz短波全波段覆蓋的多頻點(diǎn)窄帶濾波功能。其工作原理如圖1所示。

圖1 預(yù)/后選器原理

短波跳頻電臺(tái)主控信號(hào)通過(guò)預(yù)/后選器內(nèi)的單片機(jī)識(shí)別其要求，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂妻D(zhuǎn)換電路選擇預(yù)選器或者后選器工作、同時(shí)控制跳頻濾波器選擇所需濾波器工作、或者選擇直通工作。預(yù)選器收通道通過(guò)接收機(jī)射頻載波信號(hào)，信號(hào)是先經(jīng)過(guò)放大器，再經(jīng)過(guò)跳頻濾波器輸出。后選器發(fā)通道通過(guò)發(fā)射機(jī)射頻載波信號(hào)，信號(hào)先經(jīng)過(guò)跳頻濾波器，再經(jīng)過(guò)放大器輸出。

隔離度是指信號(hào)泄漏到其他端口的功率與原有功率之比，單位dB。目前，短波預(yù)/后選器隔離度指標(biāo)要求不小于40 dB。如果預(yù)/后選器收/發(fā)通道隔離度低，從圖1可以看出，發(fā)射機(jī)泄漏的載波信號(hào)可以通過(guò)預(yù)選器收通道輸入端，經(jīng)過(guò)其放大電路、跳頻濾波器進(jìn)入到電臺(tái)接收機(jī)。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)/后選器收/發(fā)信道隔離度低于30 dB時(shí)，會(huì)引起電臺(tái)發(fā)射時(shí)自激，嚴(yán)重時(shí)燒壞電臺(tái)內(nèi)的濾波單元，甚至燒壞預(yù)選器輸入端電路。

2 隔離度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 切換開關(guān)的選取

如圖1所示，預(yù)/后選器收/發(fā)通道公用跳頻濾波器，影響其隔離度指標(biāo)的是由SPDT開關(guān)組成的收發(fā)轉(zhuǎn)換電路。在如圖2所示的轉(zhuǎn)換電路模式下，采用如圖3所示的低隔離度SPDT開關(guān)，隔離度測(cè)試結(jié)果最低為4 dB；采用如圖4所示的高隔離度SPDT開關(guān)，隔離度測(cè)試結(jié)果最低為23 dB。因此，選用高隔離度的SPDT開關(guān)很重要。

圖2 收發(fā)信號(hào)切換電路

圖3 MASWSS0117電路[6]

圖4 HMC349MS8GE電路[7]

圖5 HMC241QS16電路[8]

本文提出的短波預(yù)/后選器需要進(jìn)行3個(gè)頻率段直通、收發(fā)等功能的轉(zhuǎn)換。波段轉(zhuǎn)換電路采用SP4T開關(guān)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)頻率段和直通功能之間的轉(zhuǎn)換。收/發(fā)轉(zhuǎn)換電路采用SPDT開關(guān)，實(shí)現(xiàn)預(yù)選器和后選器之間的轉(zhuǎn)換。

選擇3種MMIC開關(guān)，其主要性能(僅列舉典型值)對(duì)比如表1所示。

表1 3種開關(guān)主要性能對(duì)比表

型號(hào)名稱插損隔離度dBdB類型電路示意MASWSS0117GaAsPHEMTSPDT0．325反射式圖3HMC349MS8GEGaAsMESFETSPDT0．870吸收式圖4HMC241QS16GaAsSP4T0．845吸收式圖5

從表1可以看出，隔離度高的開關(guān)，插入損耗大，隔離度低的開關(guān)，插入損耗小。高隔離度的開關(guān)如圖4和圖5所示，當(dāng)RF端口斷開時(shí)，該端口串接50 Ω電阻和電容后接地。低隔離度的開關(guān)如圖3所示，當(dāng)RF端口斷開時(shí)，該端口懸空。開關(guān)端口斷開時(shí)接地比懸空隔離度分別高40 dB、20 dB，但插損也相應(yīng)增加0.5 dB。盡管高隔離度的開關(guān)會(huì)使收/發(fā)通道內(nèi)的有用信號(hào)有所減弱，但可通過(guò)收/發(fā)通道中的低噪聲集成寬帶放大器來(lái)彌補(bǔ)它的插入損耗。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，由Hittite公司生產(chǎn)的高隔離度射頻開關(guān)，因具有損耗小、失真性能優(yōu)異、隔離度高的特點(diǎn)而被采用，即采用GaAs SP4T HMC241QS16[9]電路作為波段轉(zhuǎn)換電路；采用GaAs MESFET SPDT HMC349MS8GE電路作為收/發(fā)轉(zhuǎn)換電路。

HMC241QS16電路具有一路信號(hào)輸入/輸出口RFC，四路信號(hào)輸出/輸入口RF1～RF4，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)波段選擇和射頻輸入端與輸出端直通的功能。波段轉(zhuǎn)換功能真值表如表2所示。

表2 波段功能真值表

波段功能AB信號(hào)通道狀態(tài)2～4MHz00RFC口和RF1口導(dǎo)通，與其他RF口斷開，且泄漏信號(hào)到地。4～10MHz10RFC口和RF2口導(dǎo)通，與其他RF口斷開，且泄漏信號(hào)到地。10～30MHz01RFC口和RF3口導(dǎo)通，與其他RF口斷開，且泄漏信號(hào)到地。射頻輸入端與輸出端直通11RFC口和RF4口導(dǎo)通，與其他RF口斷開，且泄漏信號(hào)到地。

HMC349MS8GE電路具有一路信號(hào)輸入/輸出口RFC，兩路信號(hào)輸出/輸入口RF1～RF2?？蓪?shí)現(xiàn)預(yù)選器和后選器通道選擇的功能。預(yù)/后選器功能真值表如表3所示。

表3 預(yù)/后選器功能真值表

預(yù)/后選器功能Vctl信號(hào)通道狀態(tài)預(yù)選器工作1RFC口和RF1口導(dǎo)通，與RF2口斷開，且泄漏信號(hào)到地。后選器工作0RFC口和RF2口導(dǎo)通，與RF1口斷開，且泄漏信號(hào)到地。

2.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

采用高隔離度開關(guān)，但按照如圖2所示的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，預(yù)/后選器的收/發(fā)隔離度指標(biāo)沒(méi)有達(dá)到器件隔離度性能，主要原因是收/發(fā)通道中的放大器將泄漏的微弱信號(hào)放大所致。后改進(jìn)線路，采用如圖6所示的轉(zhuǎn)換電路，隔離度測(cè)試結(jié)果最低為54 dB。

圖6 改進(jìn)后收發(fā)信號(hào)切換電路

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

改進(jìn)預(yù)/后選器中2個(gè)放大器供電電路，原來(lái)的同時(shí)供電，改為分別供電，即增加供電分控電路，使得預(yù)/后選器中的放大器不同時(shí)供電。選通工作時(shí)供電，可降低產(chǎn)品功耗、殼體溫度，再次提高預(yù)/后選器之間的隔離度。測(cè)試結(jié)果又提高了10 dB。

原3個(gè)波段跳頻濾波器同時(shí)5 V供電，增加5 V供電分控電路，使得3個(gè)波段的跳頻濾波器不同時(shí)供電。選通工作時(shí)供電，可降低產(chǎn)品功耗和減小各波段之間信號(hào)干擾。

2.4 其他電路設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證高隔離度性能，還應(yīng)采取的措施如下：

① 為了保證開關(guān)高隔離度性能，應(yīng)嚴(yán)格按照其使用說(shuō)明接地要求設(shè)計(jì)PCB板。如開關(guān)底部的金屬底板應(yīng)良好接地，使開關(guān)斷開時(shí)，進(jìn)入斷開端口的泄漏載波信號(hào)可靠到地，可保證其隔離度性能。

② 接地[10]。接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要問(wèn)題，是抑制噪聲防止干擾的主要方法。電路接地方式基本上有3類：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。設(shè)計(jì)采用大面積接地方案，減小接地電阻，其中模擬信號(hào)地、數(shù)字信號(hào)地、干擾性大信號(hào)地、敏感性小信號(hào)地分別單點(diǎn)相連，減小地線串?dāng)_。

③ 屏蔽。屏蔽是對(duì)2個(gè)部件空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，采用整個(gè)腔體工藝，各單元安裝在各自腔體中。另外，收/發(fā)通道中射頻信號(hào)線采用衰減常數(shù)小的SFF屏蔽同軸射頻電纜，某些敏感器件采用單獨(dú)屏蔽，增加抗電磁干擾能力。

④ 為了使預(yù)選器輸入端在很強(qiáng)的電磁干擾下能繼續(xù)良好地工作，免受強(qiáng)信號(hào)環(huán)境影響而造成其隔離度性能下降，甚至燒壞，應(yīng)增加保護(hù)電路。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在上述設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上研制的短波預(yù)/后選器，以短波高端頻率29 MHz為例(頻率越高，隔離度越差)，4個(gè)端口之間的隔離度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 29 MHz隔離度測(cè)試結(jié)果 (dB)

從表4可以看出，本文提出的短波預(yù)/后選器隔離度指標(biāo)最低達(dá)到68 dB，優(yōu)于目前40 dB的要求，相比其他同類產(chǎn)品的隔離度指標(biāo)提升近20 dB，適應(yīng)短波通訊設(shè)備高性能的發(fā)展需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

短波預(yù)/后選器在應(yīng)用中，引起短波跳頻電臺(tái)自激、燒壞其濾波單元等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到通信系統(tǒng)的性能和可靠性。本文針對(duì)這一問(wèn)題，利用高隔離度SPDT開關(guān)、射頻信號(hào)切換設(shè)計(jì)技巧、接地和收保護(hù)電路等多項(xiàng)技術(shù)，提出一種高隔離度的短波預(yù)/后選器設(shè)計(jì)方法。該隔離度技術(shù)具有電路簡(jiǎn)單、體積小和成本低等特點(diǎn)，對(duì)解決短波預(yù)/后選器中收/發(fā)通道隔離度差的問(wèn)題具有實(shí)際意義。

[1] 李紅，包真明，馮菊芬,等.一種短波預(yù)/后選器[P].中國(guó).ZL 2014 1 0457936.7，2016-05-25.

[2] 解靜.基于數(shù)字濾波器組的寬帶數(shù)字陣列干擾技術(shù)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014，40(5)：6-8.

[3] 王玉章，田殷．寬帶小型化高隔離度SPDT開關(guān)的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(2)：154-156.

[4] 莊永河，孟堅(jiān).數(shù)字調(diào)諧濾波器原理及方案[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(17)：75-78.

[5] 張建偉，展雪梅.FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程，2010，40(6)：54-56.

[6] MASWSS0117.MACOM公司射頻開關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].

[7] HMC349MS8GE.Hittite公司射頻開關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].

[8] HMC241QS16.Hittite公司射頻開關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].

[9] 張振宇.1.6MHz～30MHz電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程，2016，46(8)：61-64.

[10] 張威，金宏興．超短波電臺(tái)電磁兼容設(shè)計(jì)[J].通信與廣播電視，2005(1)：17-21.

ADesignforImprovingPre/Post-selectorIsolationandItsApplication

LI Hong

(ShaanxiFenghuoCommunicationGroupCo.,Ltd,BaojiShaanxi721006,China)

In the shortwave communication device,when the pre-selector is operating,a carrier signal can leak into the post-selector;on the other hand,when the post-selector is working,a carrier signal leaks into the pre-selector as well.If the pre/post selector isolation is low,these leaked signals can be amplified together with the transmitted signal,becoming strong enough to damage the performance of the communication device.In order to solve this problem,a design scheme is proposed to improve the isolation of shortwave pre/post selector.The protection circuit design and grounding problem in PCB layout are discussed.The test results show that the isolation of the pre/post selector can reach more than 60 dB.The weak performance problem of communication device caused by the carrier leakage can be effectively solved in this way.

pre/post selector;high isolation;SPDT switch;transmitter;receiver

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.18

李紅.一種提高預(yù)/后選器隔離度的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):79-82.[LI Hong.A Design for Improving Pre/Post-selector Isolation and Its Application[J].Radio Engineering,2017,47(12):79-82.]

TN405.95

A

1003-3106(2017)12-0079-04

2017-08-30

李紅女，(1967—)，工程師。主要研究方向：濾波器件的研發(fā)設(shè)計(jì)。