全可調(diào)折線式超短波多路耦合器設(shè)計(jì)*

李賢明 孫 剛 鐘熙宇

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

多路耦合器可以使多個(gè)收發(fā)設(shè)備同時(shí)共用一副天線，能大大減少系統(tǒng)的天線數(shù)量，降低通信設(shè)備的成本，提高通信系統(tǒng)的電磁兼容性能。隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在限定的空間（如艦船、飛機(jī)和通信塔頂）內(nèi)，需要放置越來(lái)越多不同用途的通信設(shè)備，這樣就不可避免要在同一地點(diǎn)有多臺(tái)收發(fā)設(shè)備同時(shí)工作，多路耦合技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)的超短波多路耦合器設(shè)計(jì)方案有并聯(lián)星點(diǎn)式方案和折線式方案，并聯(lián)星點(diǎn)式方案的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是通道數(shù)量受到濾波器失諧時(shí)殘存電納的影響，通道數(shù)量越多指標(biāo)越差；同時(shí)濾波器連接到公共端的電纜長(zhǎng)度也是制約設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于寬帶寬調(diào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)全頻段進(jìn)行匹配，而同軸傳輸線的線長(zhǎng)對(duì)匹配效果影響巨大［2］。折線式方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入損耗小，可以實(shí)現(xiàn)超多信道的合路，比較適合通道相鄰?fù)◣Ч潭ǘ喙て鞯脑O(shè)計(jì)，但對(duì)于可調(diào)濾波通道，固定通道與可調(diào)窄帶通道合路等復(fù)雜應(yīng)用情況，其設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜程度將顯著提高，對(duì)頻率設(shè)置的限制較多，同時(shí)需要引入龐大的開(kāi)關(guān)矩陣，使系統(tǒng)可靠性降低。

為了克服傳統(tǒng)折線式多路耦合器方案濾波器必須頻率從高到低依次接入短路枝節(jié)、容易產(chǎn)生頻率碰撞、前級(jí)需要龐大的開(kāi)關(guān)矩陣、與固定寬帶濾波器合路困難等缺點(diǎn)，本文提出一種全可調(diào)折線形多路耦合方案，保證無(wú)論濾波器頻率如何排布都能進(jìn)行最佳匹配，與固定寬帶濾波器合路容易，輸入輸出開(kāi)關(guān)矩陣比較簡(jiǎn)單，插損和可靠性可控。

2 傳統(tǒng)折線式超短波多路耦合器方案簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)折線式多路耦合器各個(gè)通道僅有一個(gè)帶通濾波器，接入到主干的特殊位置，其方案框圖如圖1所示［3］，如果保證在通道接入點(diǎn)以下的電抗無(wú)窮大，則信號(hào)流向天線方向。通常情況下，主干末端短路，各個(gè)通道接入點(diǎn)在其四分之一波長(zhǎng)的位置，即實(shí)現(xiàn)主干在接入點(diǎn)以下為開(kāi)路。當(dāng)然，各個(gè)通道帶通濾波器的殘余電納會(huì)改變?cè)摾硐肭闆r，實(shí)際中要綜合考慮所有濾波器的相互影響。該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入損耗??；缺點(diǎn)是需要綜合設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)和調(diào)試相對(duì)復(fù)雜很多，需要同時(shí)考慮各通道濾波器的相互影響，濾波器本身或者其位置的改變都會(huì)對(duì)應(yīng)一組不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此該結(jié)構(gòu)是一種針對(duì)性設(shè)計(jì)。隨著通道數(shù)的增多，這種方法的設(shè)計(jì)和調(diào)試難度更大。

圖1 傳統(tǒng)折線式超短波多路耦合器方案框圖

由于該方案中沒(méi)有定向元件或隔離元件（環(huán)形器，混合電橋），所有信道的濾波器通過(guò)幾乎無(wú)耗的傳輸線相互連接在一起。因此傳統(tǒng)折線式設(shè)計(jì)需要全局考慮，不能只考慮單個(gè)信道。

傳統(tǒng)折線式多路耦合器方案比較適合通道相鄰?fù)◣Ч潭ǘ喙て鞯脑O(shè)計(jì)。通過(guò)深入分析結(jié)構(gòu)模型，并以全頻段電路模型等效結(jié)構(gòu)模型，再結(jié)合初值優(yōu)選、分部?jī)?yōu)化等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)24路超多信道的合路。但由于實(shí)際工程應(yīng)用中存在大量可調(diào)通道以及固定通道與可調(diào)通道合路的場(chǎng)景，我們往往只能將傳統(tǒng)折線式多路耦合網(wǎng)絡(luò)中的固定濾波器替換為大功率窄帶可調(diào)腔體濾波器，然后電臺(tái)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣選通其中一個(gè)可調(diào)腔體濾波器，合路后輸出到天線。如果可調(diào)濾波器與固定寬帶濾波器合路比較困難，也需要通過(guò)開(kāi)關(guān)將其它枝節(jié)斷開(kāi)，再與固定寬帶濾波器進(jìn)行合路。這種方案會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：一是可調(diào)濾波器必須頻率從高到低依次接入短路枝節(jié)，意味著每個(gè)可調(diào)濾波器的有效工作頻段無(wú)法覆蓋全頻段，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)頻率設(shè)置的限制增多，另外由于每個(gè)可調(diào)濾波器接到公共端的線長(zhǎng)不等，頻率最高的可調(diào)通道經(jīng)過(guò)三通連接線較多，插入損耗不可控；二是任意一部電臺(tái)調(diào)整到新頻率點(diǎn)，其余所有電臺(tái)必須同步調(diào)高或者同步調(diào)低相同頻率差，既限制了電臺(tái)頻率的使用，容易產(chǎn)生頻率碰撞，而且增加了電機(jī)控制的復(fù)雜度，系統(tǒng)可靠性降低；三是為了實(shí)現(xiàn)任意一部電臺(tái)接入任意一個(gè)可調(diào)濾波通道，并實(shí)現(xiàn)與固定通道的合路，前級(jí)需要龐大的開(kāi)關(guān)矩陣，射頻開(kāi)關(guān)的數(shù)量和級(jí)數(shù)較高，既不利于插損和可靠性的控制，也不利于內(nèi)部空間的擺放。綜上所述，利用傳統(tǒng)的折線式方案，難以滿足可調(diào)通道以及與固定通道合路的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 全可調(diào)折線式超短波多路耦合器方案設(shè)計(jì)

全可調(diào)折線式超短波多路耦合方案，利用多部電臺(tái)分別與一個(gè)可調(diào)濾波器依次對(duì)接，每個(gè)可調(diào)濾波器覆蓋200MHz～420MHz全頻段，通過(guò)單刀開(kāi)關(guān)選擇是否接入折線式耦合網(wǎng)絡(luò)，并且每?jī)蓚€(gè)濾波器之間的連線采用可調(diào)短路枝節(jié)進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)，保證無(wú)論濾波器頻率如何排布都能進(jìn)行最佳匹配，最后輸入到公共輸出端，可以與固定寬帶通道再進(jìn)行合路，或直接輸出到天線，保證所有可調(diào)窄帶濾波器的同等工作地位。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 全可調(diào)折線式超短波多路耦合方案框圖

根據(jù)該方案構(gòu)建等效電路進(jìn)行仿真與初測(cè)，仿真結(jié)果如圖3～5所示。由圖可知，該方案在設(shè)計(jì)合路時(shí)插入損耗可以控制在較低的水平，且通道之間隔離度有保證，是一個(gè)理想的方案設(shè)計(jì)。

圖3 全可調(diào)折線式多路耦合方案低端4路窄帶合路仿真與初測(cè)曲線對(duì)比

圖4 全可調(diào)折線式多路耦合方案高端4路窄帶合路仿真與初測(cè)曲線對(duì)比

圖5 全可調(diào)折線式多路耦合方案兩邊4路窄帶合路仿真與初測(cè)曲線對(duì)比

全可調(diào)折線式超短波多路耦合方案保證了所有可調(diào)窄帶濾波器的同等工作地位，使各通道頻率設(shè)置變得靈活，避免了龐大的開(kāi)關(guān)矩陣設(shè)計(jì)，也可與固定寬帶通道如45M固定通道進(jìn)行合路，對(duì)于通道數(shù)量要求較少，寬窄帶合路單一的應(yīng)用場(chǎng)景是一種比較理想的解決方案，但通過(guò)進(jìn)一步仿真表明，如圖6所示，對(duì)于超多路及寬窄帶合路等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，該方案在控制插入損耗上還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖6 全可調(diào)折線式多路耦合方案超多路/寬窄帶合路仿真結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的折線式超短波多路耦合器設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)頻率設(shè)置的限制較多，固定通道與可調(diào)通道合路困難，為了克服傳統(tǒng)折線式方案濾波器頻率必須從高到低依次接入短路枝節(jié)、容易產(chǎn)生頻率碰撞、前級(jí)需要龐大的開(kāi)關(guān)矩陣、與固定寬帶濾波器合路困難等問(wèn)題，本文提出全可調(diào)折線式超短波多路耦合方案，利用每個(gè)可調(diào)濾波器覆蓋UHF（200MHz～420MHz）全頻段，保證無(wú)論濾波器頻率如何排布都能進(jìn)行最佳匹配，并且與固定寬帶濾波器合路容易，輸入輸出開(kāi)關(guān)矩陣比較簡(jiǎn)單，插損和可靠性都可控，是一種針對(duì)通道數(shù)量要求不是特別高的常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景下的較理想合路解決方案。但是，對(duì)于超多路及寬窄帶合路問(wèn)題上，該方案需在控制插入損耗上做進(jìn)一步優(yōu)化，為滿足實(shí)物調(diào)諧要求，其實(shí)用性及可靠性也有待進(jìn)一步提高。