淺談DVOR中天線互耦問題及DMN去耦網(wǎng)絡(luò)原理

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0　引言

DVOR全稱為多普勒甚高頻全向信標(biāo)，作為無線電的路基導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于航空飛行使用。在1949年VOR系統(tǒng)被國際民航組織批準(zhǔn)，作為國際標(biāo)準(zhǔn)的無線電導(dǎo)航設(shè)備。 DVOR系統(tǒng)的天線通常為48或50根Alford天線陣。本文討論了DVOR設(shè)備中的天線耦合問題以及DMN天線去耦網(wǎng)絡(luò)的原理等

1　天線耦合的基本概念

如圖1所示，兩個天線1、2均可以接收電磁波波。根據(jù)天線的特性，天線在接受外來電磁波的同時還將作為發(fā)射源產(chǎn)生反向激勵，將部分的能量輻射出去。因此，天線2接收到的信號為自由空間波和天線1的輻射波的疊加，而接收到的輻射波就是引起耦合的原因?；ヱ钏a(chǎn)生的作用能使天線的輸入阻抗產(chǎn)生變化，導(dǎo)致原有的匹配狀態(tài)改變，也可以讓天線的輻射方向圖發(fā)生改變。

圖1　天線耦合的基本概念

天線獨(dú)立單元在單獨(dú)輻射時的各類特性，如阻抗特性等與其在多天線同時輻射時的狀態(tài)（天線陣）是不一樣的。在天線各自輻射電磁波時，由于相鄰天線所產(chǎn)生的感應(yīng)電流以及感應(yīng)電動勢會改變其電流分布，一般來說，無論兩天線之間的距離多大，互耦作用都會使得天線的一些參數(shù)，如方向圖，最大輻射方向、天線諧振點(diǎn)、天線波瓣等各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生改變。

對于基本的天線輻射場有如下情況：

已知基本電流源產(chǎn)生的電場為：

通過對r的大小進(jìn)行分類，那么電場在各區(qū)有不同的近似表達(dá)式，如下：

由上式可見：當(dāng)兩天線的距離r較大時，互耦主要由于輻射場產(chǎn)生，場的幅度很小，此時對天線的輸入阻抗影響很??；而隨著r值變小的時，互耦主要就在近區(qū)場附近產(chǎn)生，此時導(dǎo)體表明面電流增強(qiáng)，場的幅度變大，此時天線的輸入阻抗影響變大了。而整個天線陣若忽略互耦效應(yīng)，則會影響DVOR系統(tǒng)輻射的信號質(zhì)量，導(dǎo)致信號發(fā)射受限，整個信號通路的駐波比增加。通常輻射出的電在天線單元的間隔大于電波的半波長時，天線之間的互耦影響比較小。以全向信標(biāo)天線，用VOR的使用頻段粗略計算：VOR使用的頻段108MHz～118MHz，波長大約為2.5m到2.8m之間，以VOR天線陣（以50根計算）直徑13.5m，兩天線之間的距離為0.84米，因此互耦現(xiàn)象不可忽略。DVOR天線之間的間距小于半個波長，相互之間的作用距離近，用于發(fā)射的天線在發(fā)射的同時也會吸收一部分相鄰單元所發(fā)出的能量，并且再將其一部分能量反射出去，這樣天線之間的互耦便產(chǎn)生了。

2　天線耦合的分析方法-散射參數(shù)法

在DVOR4000中真正的耦合情況是這樣的，在任意時刻同時發(fā)射信號的天線一共有五根，包括一根中央天線以及四根邊帶天線，四根邊帶天線兩兩一組，對稱于中央天線進(jìn)行邊帶信號的發(fā)射。中央天線由于距離邊帶天線較遠(yuǎn)，并且邊帶天線等距離環(huán)形分布在中央天線周圍，因此天線之間的互耦作用較小。而對于邊帶天線來說，相鄰的兩根天線之間由于同時輻射并且相距較近因此耦合作用影響較大，實(shí)際情況中天線左右兩邊的天線耦合作用隨著距離的增加作用逐漸減小。并且由于天線陣列的排列為環(huán)形排列，因此計算整個陣列單元之間的的耦合變化情況比較復(fù)雜。但以一對天線的耦合作用來說，其方式就比較簡單。將一對天線看為一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，可以通過分析這個雙端口的S11和S21來分析天線的輻射以及耦合特性。

若以此二端口網(wǎng)絡(luò)為例，共有四個S參數(shù)：S11，S12，S21，S22，對于互易網(wǎng)絡(luò)有S12＝S21，對于對稱網(wǎng)絡(luò)有S11＝S22，對于無耗網(wǎng)絡(luò)，有S11*S11+S21*S21＝1，即網(wǎng)絡(luò)不消耗任何能量，從端口1輸入的能量只能是被全反射回端口一，或者被全部傳輸?shù)蕉丝?。但實(shí)際情況下雙天線組成的二端口網(wǎng)絡(luò)是滿足互易條件的，總是有S12＝S21。

在這個雙端口網(wǎng)絡(luò)中假設(shè)端口1是輸入，端口2是輸出，則有兩個比較重要的S參數(shù)：分別是S11和S21。其中S11表示回波損耗，也就是代表有多少能量在傳輸過程中被反射回來了，這個值越小越好，一般對于VOR來說單天線不加任何匹配或者去耦網(wǎng)絡(luò)的情況下應(yīng)該有S11＜-27dB，這是在天線的諧振點(diǎn)調(diào)整時所要達(dá)到的數(shù)值。

S21為插入損耗，其表述為在傳輸過程中有多少能量被發(fā)送到端口2了，這個值如果越大就代表能量被更多的傳輸?shù)较乱欢丝诹?，S21的理想值是1（0dB），越大傳輸?shù)男试礁?。但是在?shí)際考慮耦合作用時，我們并不希望S21越大越好，因?yàn)檫@表示1天線發(fā)射的所有的能量被2吸收了回來，因此在兩天線去耦和匹配理想的情況下，這個雙端口網(wǎng)絡(luò)的S21越小越好。而在多天線的天線陣中也是同樣的道理，只是其中的情況更加復(fù)雜。在一些移動終端或者小型終端中，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備在天線設(shè)計中使用到MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)時，常常存在多天線的使用情況，因此也常常需要使用一系列的去耦方法來降低耦合，也常常使用S21作為天線之間去耦合的一個參數(shù)稱之為天線之間的隔離度，這里不再贅述。

3　DVOR4000天線耦合的去耦方法分析

在一般的設(shè)備安裝中，想要天線之間的去耦效果良好，首先就必須在天線安裝的時候做好等距離等圓心的分布，并且在天線電纜的切割上做到長度相等，這樣的話可以讓每根天線的電氣長度差別影響最小，保證其信號輸出時的相位均等，才可以使耦合的影響相對降低。由于不同廠家在不同時期推出的產(chǎn)品有不同的差別，其在去耦的實(shí)現(xiàn)上有不同的方法，現(xiàn)在主要的有以下幾種。

3.1　等效濾波器法對多天線去耦的分析

典型的阿爾福德環(huán)天線，其基本結(jié)構(gòu)為兩個偶極子天線折疊之后演變而來，阿爾福德為偶極子天線的演化，因此具有偶極子天線的基本特點(diǎn)。最初偶極子天線的雙臂每個臂為四分之一波長，且為全向天線，因此阿爾福特天線的電性能基本與偶極子相似，而單極子天線與偶極子天線基本與偶極子相似，都為360°全向輻射。在這里考慮簡單的兩單極子天線進(jìn)行雙端口的耦合分析。

一般的一些小型天線（如印刷天線，倒F天線等）的去耦方法為：通過在幾個天線之間添加或者連接一些阻抗原件，或者為中和線（短路），來將一部分電流引入另一個天線上，從而改變其面電流的分布來達(dá)到去耦?；蛘邔尤氲牟牧线M(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，來改變其諧振頻率。

1976 年J.B.Anderson和H.H.Rasmussen最早提出在天線端口和饋電端口之間加入一種去耦無源網(wǎng)絡(luò)，然后再加一個匹配網(wǎng)絡(luò)來修正去耦網(wǎng)絡(luò)引起的匹配上的改變，也就是DMN(decoupling and matching network)的結(jié)構(gòu)，從而去除天線之間的互耦影響。而老式的DVOR中以上這類DMN的去耦方式就在這類DMN網(wǎng)絡(luò)。在一些老式的4000以及432設(shè)備中使用的下圖中的四端口去耦的無源網(wǎng)絡(luò)，其中Port3為輸入端，C5為可調(diào)電容，Port1和Port2為連接相鄰天線的端口。通過調(diào)節(jié)C5進(jìn)行天線的去耦調(diào)節(jié)。

圖2　DVOR4000中去耦網(wǎng)絡(luò)的電路

從圖2可以看到，兩天線之間的去耦部分的電路為各種去耦模塊上面的兩半部分疊加，由于電路對稱，其電路為兩半部分去耦模塊的電路疊加。其他方法也可以是在天線端口之間加入一定電長度的傳輸線以及電抗元件，同時加入適當(dāng)?shù)腖型匹配網(wǎng)絡(luò)完成天線端口之間的去耦。

同時，在去耦組件的連接方式上，有如下的特點(diǎn)。在任意時刻，總是兩根相鄰的上邊帶天線（如50號和1號）與相對的兩根下邊帶天線（如25號和26號）在同時輻射。而在下一時刻，由轉(zhuǎn)換為下一組上邊帶天線（1號和2號）和下邊帶天線（26號和27號）同時輻射，因此在考慮去耦作用時，去耦組件連接為每一根天線左右相鄰天線的后一根天線。由于在后期的版本中，廠家在考慮成本以及性能需求等原因，后來的設(shè)備所帶的去耦組件通常為二端口無源網(wǎng)絡(luò)，更滿足類似雙天線組成的二端口網(wǎng)絡(luò)中S11和S21同時足夠小的條件，因此其性能更優(yōu)。

而在安裝老式的四端口去耦網(wǎng)絡(luò)后，通常會對原先天線的匹配造成影響，因此廠家增加了一個簡單的L 型匹配網(wǎng)絡(luò)，來補(bǔ)償去耦后的影響，它通過一個串聯(lián)電抗和并聯(lián)電抗元件實(shí)現(xiàn)。在只有去耦網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下，天線的諧振頻率會因?yàn)榧尤肓藥в凶杩沟娜ヱ罹W(wǎng)絡(luò)之后發(fā)生頻偏，而匹配網(wǎng)絡(luò)的存在可以使其達(dá)到匹配并在應(yīng)有的頻率上發(fā)生諧振。并且在整個電路的先后順序上，天線的去耦模塊與天線的匹配模塊的先后并不影響整個天線的電氣性能。

泰雷茲公司設(shè)計的這個簡單的L 支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，它是采用兩個電抗元件組成的電路來使任意負(fù)載阻抗和傳輸線匹配。由于這個電路可以由不同的電感或者電容組成，因此有八種可能的匹配電路。其基本電路形式見圖3所示：

圖3　匹配電路的基本組成形式為L型

在泰雷茲公司生產(chǎn)的DVOR中，我們可以看見這種基本的匹配電路結(jié)構(gòu)。信號從發(fā)射機(jī)最后一級中輸出至去耦模塊，在其輸出端連接到匹配變換器，最后傳輸至天線。邊帶信號經(jīng)過交叉線進(jìn)入天線單元由此產(chǎn)生交替變換的極性電流，通過調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電容CA以及匹配電路中的電容CTr,使天線在108-118MHz范圍內(nèi)發(fā)生諧振，并達(dá)到天線的回波損耗不小于26dB的匹配要求。

圖4　DVOR4000中邊帶天線匹配電路基本形式

圖5　DVOR4000中邊帶天線匹配電路

圖5中可調(diào)電容為C5（即可調(diào)電容Ctr），其范圍為0.8-11pf，其等效電路為L型。在中央天線中，因?yàn)榫嚯x邊帶天線較遠(yuǎn)，因此沒有去耦組件，只有匹配組件用來調(diào)整諧振頻率。在DVOR4000的實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著設(shè)備運(yùn)行時間的推移，設(shè)備的老化，天線性能的變化。其中去耦組件和匹配組件也會隨之發(fā)生變化，因此在長年累月的運(yùn)行之后，可能會造成邊帶9960信號的畸變增加。因此，如果在定期飛行校驗(yàn)中出現(xiàn)問題，則可能需要對天線的匹配和去耦環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2　目前用于DVOR天線的去耦方法簡析

在一般情況下，有在設(shè)備內(nèi)部，如MOD-SBB類板件內(nèi)存在的定向耦合器可以去除信號耦合的情況，通過MOD-SBB板件內(nèi)的一個3dB耦合器Z1，改變90°的相位差達(dá)到去耦，并且為了補(bǔ)償相位，在后端加上一根90°的電纜，這是機(jī)內(nèi)去耦的一些措施。

圖6　DVOR4000中的MOD-SBB部分前級電路圖

在國內(nèi)使用的其他型號的DVOR有些則是通過修剪天線電纜的長度，來達(dá)到去耦的目的，其原理是通過減小每個天線的電氣長度以及相位的影響來降低天線之間的耦合情況。在Dvor4000出現(xiàn)之后的型號中，432設(shè)備使用的去耦組件較前幾代的設(shè)備有了升級。在功能上去耦效果更好，而且在安裝時廠家除了在出廠時對天線饋線就進(jìn)行統(tǒng)一的切割，保證其電氣長度的一致。在去耦組件簡化的同時，擁有很多優(yōu)良特征，第一是來自發(fā)射機(jī)的信號（正向）傳輸擁有良好的匹配性能，第二是天線的接受信號（反向）傳輸擁有很大的阻礙。由于理想情況下去耦組件的正向傳輸負(fù)載阻抗應(yīng)該為50歐姆，而反向信號應(yīng)該為開路。目前泰雷茲設(shè)備這一無源的射頻網(wǎng)絡(luò)可以在一定程度上擁有這樣的性能。通過調(diào)整電容C4來達(dá)到調(diào)整不同的工作頻率，并且可以通過廠家給出的C4的調(diào)整圈數(shù)對應(yīng)頻率的曲線來調(diào)整去耦組件的工作頻率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的去耦效果。

4　總結(jié)

本文首先從天線原理是講述了天線的一般特性，分析了天線互耦的機(jī)制，并且通過散射參數(shù)來分析在DVOR中存在的常見的去耦方法以及DMN網(wǎng)絡(luò)的基本特性，介紹了其去耦組件的連接方法及其原因。由于時間有限，本文中很多工作還未完成，如在散射參數(shù)在的實(shí)際設(shè)備測量以及在各類設(shè)備型號上對比分析，在今后的工作學(xué)習(xí)中我會將發(fā)現(xiàn)的一些問題進(jìn)行深入的思考和實(shí)際的測試。

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