一種電控可調雙工器的研究與設計

王清芬，馬延爽，王　燁

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

?

一種電控可調雙工器的研究與設計

王清芬1，馬延爽1，王燁2

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

針對通信系統對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雙工器的解決方案。利用商業上成熟的電控開關選擇頻率，環形器+固定濾波器組的形式組成雙工器，達到全頻段“無縫”覆蓋。固定濾波器利用“耦合帶寬法”進行設計，達到多個不同頻段的固定濾波器共用一套設計數據，可靠性好，模塊化程度高。根據工程實踐，給出一個六通道設計實例，應用效果良好。

可調雙工器；電控開關；固定濾波器；耦合帶寬法

0　引言

隨著信息技術的快速發展，大功率無線通信系統在遠程遙感通信和功率傳輸等方面得到越來越廣泛的應用，對通道的選擇性要求也越來越高[1]。針對多通道通信系統需要實時雙向通信以及收發通道只使用一個天線的要求，就必須在系統的前端設計多工器[2]。多工器是用于合成或者分離不同頻率信號的通信器件[3]，應用于衛星通信、中繼通信、電子對抗、雷達、遙感、微波測量和太空技術等方面。

最簡單的多工器是雙工器[4]，根據工作頻率是否可調，組成多工器的濾波器又分為固定濾波器和可調濾波器。隨著未來信息化戰場電磁環境日益復雜化，頻率自適應改變成為新型電子通信系統的需求趨勢，其應用需求也進一步促進了可調濾波器的研究。但對于中功率以上系統，目前的工藝水平和自動控制設計現狀，仍難以滿足可調濾波器的要求，射頻器件研發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關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到類電調的能力。

1　雙工器組成

通過分析現有雙工器的研究和使用情況，其組成和實現形式主要有以下幾種：

① 環形器+收發濾波器[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或數百W以下)的2路合路，結構簡單經濟，設計和調試方便。

② 分枝節耦合雙工器，其組成示意圖如圖2所示。分枝節耦合雙工器收發信道之間存在相移線段，用來分隔發射信道的位置，設計比較靈活，能實現最佳的絕對插入損耗、幅值和群時延響應。但這種分枝節耦合雙工器不能適應任意頻率分配場合，信道的任何改變都需要當成新的雙工器來設計。

③ 公共接頭雙工器，比較常見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部緊湊連接，形成T型結構，因此工程上又叫做“T型頭”。這種雙工器類型，與前述多枝節雙工器類似，只是沒有匹配的相移線段，收發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個相同的帶通濾波器和2個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過混合電橋后，其中的一半入射到每個濾波器輸入端，使得功率容量增加一倍。但缺點是2路濾波器的幅相一致性要求高，體積和重量大。

⑤ 用電控開關實現的雙工器，其組成示意圖如圖4所示。

圖4　電控開關雙工器方案1

通過引入電控開關，采用一系列中心頻率不同的固定濾波器，可以在ms量級內實現變頻功能。根據需要設計固定濾波器的數量，完成工作頻率范圍內的無縫切換。適合于中功率以上要求的通信系統。

綜上，從設計和實現方式上來說，第②種、第③種和第④種只適合設計固定雙工器。對第①種進行可調還是固定取決于所采用的收發濾波器是可調的還是固定的；目前，可現場改頻的通信系統中，傾向于采用這種方式的可調雙工器，但對于切換時間要求較高的自適應改頻系統來說，其響應時間還不能達到要求，而且當前加工工藝和機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，通過電控開關實現多個中心頻率的調整，可以達到類電調雙工器的抗干擾能力，頻率利用率高，且對加工工藝的要求不高，改頻速度快，成為中功率以上自適應改頻系統的優選方案。

2　總體設計方案

2.1總體要求

根據系統總體要求，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。為了增加系統的抗干擾性，雙工器帶寬為不小于100MHz，收發通道工作頻點，在保證隔離度要求的情況下隨機選擇，插入損耗要求小于1.5dB，收發通道隔離度大于70dB(f0±200MHz)，承受功率要求達到100W以上。

2.2方案對比分析

綜合現有的工程實現，采用的方案主要有以下幾種：

① 采用環形器+固定濾波器組成雙工器，收發兩端采用A、B機形式，如A機高發低收，則B機低發高收，或者相反。全頻段范圍內需要留足夠的頻率間隙，以達到收發通道隔離度的要求。頻率劃分如圖5所示。

圖5　頻率劃分示意

這種方式的優點是思路簡單，系統可靠性高，缺點是頻譜浪費，無法改頻，設備互換性差。

② 采用環形器+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，通信兩端設備可互換，存在的問題有：本端f1發，f2收時，環形器需要多繞一路，損耗增加；收發通道的隔離度為濾波器的收發抑制度加環形器的隔離度，且受限于DPDT的能力，最大值為DPDT的隔離度。

③ 采用環形器+可調濾波器的形式。這是目前較常采用的思路，這種形式在頻譜利用和現場改頻方面表現突出。但對于中功率以及以上需求，可調濾波器的結構設計、加工工藝以及與自動控制的一體化程度均需要提高，響應時間在秒級，仍無法滿足現代通信系統自適應改頻的要求。

鑒于以上方案中的問題，本文提出采用電控開關+環形器+固定濾波器組來實現雙工器。商用成熟的電控開關，切換時間在ms量級，大大提高了頻率切換時間；固定濾波器組的設計對加工工藝的要求降低，有利于模塊化，可生產性高；電控開關、濾波器、環形器串聯形式連接，保證了收發通道之間的隔離度。根據指標要求通道數量選為6個，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關鍵技術

2.3.1固定濾波器的設計

采用耦合帶寬法[7-8]，用內圓外圓同軸腔形式，非對稱腔體選擇不同的寬度尺寸和采用T型窗耦合結構[9]等措施，實現在一定頻率范圍內，僅通過調整頻率變量，不改變耦合結構尺寸的情況下，達到多個離散頻點中心頻率可調，絕對帶寬和幅頻特性保持不變的設計要求。

2.3.2濾波器組一體化加工設計

由于設計的不同中心頻率的濾波器的結構尺寸是完全一樣的，使加工更為簡單。為了使機箱結構更加緊湊，將6條濾波器進行一體化加工，增加了設備的模塊化程度。

3　仿真結果分析

根據指標要求，濾波器腔數為9腔。單個濾波器的結構形式如圖7所示。

圖7　單個濾波器結構

運用耦合帶寬法，設計耦合窗的位置和形狀。通過計算和高頻電磁仿真軟件(HFSS)建模[10]，并進行仿真分析。仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8　濾波器單元仿真結果1

圖9　濾波器仿真結果2

將6條上述濾波器單元一體化設計成濾波器組件，按照如圖4所示的形式連接。電控可調的雙工器由2個濾波器組件、4個單刀六擲開關和1個環形器組成。

測試結果如下：4 400～5 000MHz內6頻段可調；插入損耗：1.4dB；切換時間：20ms；收發隔離度：81dB。

工程應用顯示，其濾波效果良好，且相比于電連續可調雙工器，加工工藝要求低，可生產性好，完全滿足系統要求。

4　結束語

本文論述了雙工器在通信系統的重要作用和地位，分析了雙工器的幾種組成原理及其優缺點。設計了一種電控可調雙工器，6個可選頻段，其模式化設計思路為目前通信系統高抗干擾要求提供了一種介于電調濾波器和固定寬帶濾波器之間的折中設計方案。后續可以在增加可選頻段數目上進一步研究，以達到逼近連續可調濾波器的性能。

[1]許瑞生,崔琦.FIR濾波器在擴頻發射機中的應用[J].無線電通信技術,2011,37(4): 62-64.

[2]張迪楊，徐仲良,多工器技術在調頻發射系統中的應用[J].電聲技術，2008,206(8)：56-57.

[3]甘本祓，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計[M].北京：科學出版社，1973.

[4]馬延爽.微波雙工器和多工器的設計[J].無線電通信技術，1997，23(4)：17-21.

[5]王琦.基于散射參數法的波導濾波器設計[J].無線電工程，2011，41(6)：62-64.

[6]張政偉,耿向羽.S頻段大功率徑向波導合成器設計[J].無線電工程,2012,42(6): 42-44.

[7]胡娟，王清芬，王燁.一種可調濾波器的設計技術[J].無線電工程,2015,45(4)；53-55.

[8]王清芬，馬延爽.耦合系數法設計微波帶通濾波器及CAD實現[J].無線電通信技術，2008，34(1)：43-44.

[9]曲永志,李德志,馬延爽.基于HFSS的微調諧腔體帶通濾波器設計[J].無線電通信技術,2012,38(3): 62-64.

[10]王清芬，馬延爽.應用HFSS設計40MHz腔體濾波器[J].無線電工程，2008，38(12)：44-46.

王清芬女，(1979—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：微波散射通信。

馬延爽男，(1956—)，高級工程師。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

國家科技重大專項基金資助項目(2012ZX03004-003)。

TP391

A

1003-3106(2016)09-0069-04

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