基于射頻開關(guān)的星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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)是一種無源微波網(wǎng)絡(luò)，習(xí)慣稱為耦合網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計采用星點式耦合網(wǎng)絡(luò)，是可調(diào)多路耦合器[1-2]的重要部件，它有若干個輸入端，各連接1個可調(diào)帶通濾波器，濾波器經(jīng)若干并聯(lián)的等長傳輸線枝節(jié)，以星點狀的形式連接到電抗對消匹配網(wǎng)絡(luò)，完成電抗對消和寬頻帶阻抗匹配[3-6]，解決多信道合路時插損、駐波比、紋波等性能指標(biāo)惡化的問題，最終經(jīng)過1個輸出端連接到寬帶天線，這樣就實現(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，可稱為星點式多路耦合器。

1 星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)[7]主要由近似等長傳輸線以及電抗對消耦合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。近似等長傳輸線作為匹配枝節(jié)，連接相應(yīng)濾波器到匯接點，以及參與匹配其他濾波器通道的阻抗，保證4個射頻通道性能良好，電抗對消網(wǎng)絡(luò)保證4個射頻通道匯接在一起后，各個射頻通路之間的電抗影響被降到最低，保證各個通路的射頻通帶性能。原理如圖1所示，圖中4個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，避開其他濾波器的過渡帶。

圖1 星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)原理

傳統(tǒng)經(jīng)典的電抗對消網(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現(xiàn)匹配。這樣的實現(xiàn)方案需要特殊加工特定特性阻抗以及電長度的傳輸線，因此，加工難度大，成本高。

圖2 傳統(tǒng)經(jīng)典的星點式耦合網(wǎng)絡(luò)對消電路

本設(shè)計中星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)的電抗對消網(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)和電抗對消耦合網(wǎng)絡(luò)電參數(shù)，改進(jìn)仿真模型轉(zhuǎn)化為實物之精準(zhǔn)工藝，進(jìn)而較好地完成電抗對消和阻抗匹配。整個電抗對消網(wǎng)絡(luò)的傳輸線阻抗或匹配枝節(jié)，均為50 Ω，采用分布式電路實現(xiàn)。用分布式器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)對消網(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)實現(xiàn)良好的電抗對消性能;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 本方案中星點式多路耦合網(wǎng)絡(luò)對消電路

2 基于SPnT射頻開關(guān)的星點式耦合網(wǎng)絡(luò)及多路耦合器設(shè)計

傳統(tǒng)的星點式多路耦合器中耦合網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)的多個等長傳輸線枝節(jié)無斷點地在分支接頭處直接焊在一起，這樣帶來一個問題：當(dāng)某一路機(jī)械可調(diào)濾波器[8-11]正在調(diào)諧時，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)電臺的連續(xù)正常通信。為徹底解決上述技術(shù)問題，提出在滿足耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計指標(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)匯合星點處斷開，直到其調(diào)諧備妥再重新接入。本質(zhì)是在并聯(lián)枝節(jié)末端即匯合星點處選取射頻通路的斷點位置，創(chuàng)新性地基于常開式單刀多擲射頻同軸開關(guān)設(shè)計星點式耦合網(wǎng)絡(luò)。

2.1 具體實施方式和工作原理

針對星點式耦合網(wǎng)絡(luò)的工作特點，本設(shè)計解決方法將常開式單刀多擲射頻同軸開關(guān)嵌入到新型星點式耦合網(wǎng)絡(luò)中，突破開關(guān)的傳統(tǒng)用法，在其控制端多路同時上電，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)的常開式單刀多擲射頻開關(guān)，理解成常開式多個單刀單擲射頻開關(guān)[12-15]的一體化集成體，它們共用1個射頻口，如圖4所示。這種四路星點式多路耦合器的射頻系統(tǒng)工作流程為：多路耦合器開機(jī)后，完成初始化，默認(rèn)耦合網(wǎng)絡(luò)中單刀四擲射頻開關(guān)的4個支路呈斷開狀態(tài)；按電臺要求，某個濾波器調(diào)諧完畢，射頻開關(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，電臺可以開始收信或發(fā)信；按電臺要求，若增加接入濾波器或已接入的濾波器需要更換頻率，首先使射頻開關(guān)上對應(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，待該濾波器調(diào)諧完畢，再閉合對應(yīng)射頻支路，這樣就避免了調(diào)諧中的濾波器對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，保證電臺連續(xù)正常地通信。

圖4 四路星點式耦合網(wǎng)絡(luò)與四路星點式多路耦合器原理

2.2 實測結(jié)果和分析

四路星點式耦合網(wǎng)絡(luò)的各段傳輸線長度和電抗對消匹配網(wǎng)絡(luò)需要仿真設(shè)計和優(yōu)化后確定。設(shè)計時，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度和其他集總參數(shù)都由所需設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)來具體決定。利用射頻電路仿真設(shè)計軟件，可以獲得滿足星點式耦合網(wǎng)絡(luò)需要特性的設(shè)計。

據(jù)此設(shè)計方法實施后的四路星點式多路耦合器，選取頻率范圍105～173 MHz中的110 MHz、130 MHz、150 MHz、170 MHz 4個中心頻率進(jìn)行性能測試，如圖5所示，4個通道合路同時工作，可見基本無互擾，有巨大改善。

圖5 四路星點式多路耦合器的1組性能測試曲線

2.3 改進(jìn)后解決方法的特點和有益效果

針對星點式可調(diào)多路耦合器的工作特點，在星點式耦合網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)枝節(jié)匯合結(jié)點處，引入SPnT射頻同軸開關(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，最重要的一點是斷點設(shè)置在并聯(lián)枝節(jié)末端即匯合星點處，有效地減小了射頻開關(guān)內(nèi)部傳輸線的等效電長度，使耦合網(wǎng)絡(luò)每根并聯(lián)枝節(jié)等效短路線的總長度L下降到多路耦合器工作頻段的中心頻率的1/4波長以下。這樣保證了當(dāng)頻率間隔大于規(guī)定最小值時，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的帶內(nèi)性能，解決了濾波器合路時的相互干擾問題。

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

3 耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要關(guān)注的問題

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現(xiàn)情況，其通過諧振電路的級數(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)的實現(xiàn)情況，其通過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)計上要求各自插損、駐波比盡量優(yōu)良，以保障級聯(lián)后的整體性能。

3.2 仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實物的準(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DUT的1端口和2端口的測試起始點的定義與理解將影響與之相連接的同軸線纜的起始點和終止點的定義，直接影響同軸線纜的實物加工長度，若直接使用仿真數(shù)據(jù)中同軸線纜的長度，將導(dǎo)致實物測試的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為實測曲線，DB(|S(2，1)|)fang zhen 為仿真曲線)，影響模型轉(zhuǎn)換實物的有效性。傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，采用仿真后再調(diào)試的方式，在實物中調(diào)試同軸線纜長度，使之與仿真模型擬合。

圖6 傳統(tǒng)方法中實測曲線與仿真曲線對比

此時，由于對VNA的校準(zhǔn)面問題沒有明確的認(rèn)識，沒有準(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：

1)無法建立仿真模型轉(zhuǎn)化為實物的良好橋梁，使得產(chǎn)品開發(fā)周期變長；

2)使得整個產(chǎn)品設(shè)計過程變得被動而復(fù)雜，計算機(jī)仿真設(shè)計將不足為實物生產(chǎn)提供有效的數(shù)據(jù)支撐；

3)間接失去了計算機(jī)仿真設(shè)計的優(yōu)勢。

本設(shè)計提出了一種應(yīng)用于實頻仿真設(shè)計的數(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VNA校準(zhǔn)面的測試系統(tǒng)來定位VNA的校準(zhǔn)面位置，測試系統(tǒng)如圖7所示。

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

(1)

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

4 多路耦合器保障通信系統(tǒng)試驗

4.1 多路耦合器插入損耗測試

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

圖8 多路耦合器插入損耗測試

插入損耗測試結(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，在不同頻點處，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，波動幅度較小。滿足實際使用情況下對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

保持收發(fā)電臺工作在數(shù)據(jù)鏈設(shè)備測試模式，觀察并記錄數(shù)據(jù)鏈設(shè)備通信時的誤碼率，通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器改變信號衰減量，當(dāng)誤碼率剛好臨界變?yōu)?時，記錄衰減器的數(shù)值，此時衰減值即對應(yīng)于空間對信號的衰減，該數(shù)值經(jīng)換算能近似確定出實際通信情況下系統(tǒng)最遠(yuǎn)通信距離。試驗設(shè)備連接見圖10。

圖10 超短波通道發(fā)射天線單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗

單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗結(jié)果見表1。

表1 單鏈路遠(yuǎn)距離模擬試驗結(jié)果

由于通信系統(tǒng)要求通信距離≥350 km，而實際試驗場實測發(fā)射天線與接收天線之間的距離為362 M。為保證實際通信距離滿足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)。從試驗結(jié)果來看,衰減器的數(shù)值比理論計算值多十幾dB，扣除設(shè)備、電纜損耗、天線增益的影響，能保證實際通信距離≥350 km。

5 結(jié)束語

基于可通斷的星點式耦合網(wǎng)絡(luò)，采用同軸傳輸線枝節(jié)進(jìn)行匹配，設(shè)計并實現(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(點頻)、跳頻、擴(kuò)頻多種模式進(jìn)行組合同時收發(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)試驗表明，多部電臺共用天線以不同頻率共址同時收發(fā)，通信距離達(dá)350 km以上。