一種基于正交處理提高耦合器方向性的方法

盛勝君，王姜鉑

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

一種基于正交處理提高耦合器方向性的方法

盛勝君，王姜鉑

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

在射頻寬帶發射機系統中，需要對駐波進行實時檢測。因為耦合器的方向性有限，單個取樣信號(正向耦合信號和反向耦合信號)都包括正向功率的耦合信息和反向功率的耦合信息，這造成了駐波檢測的誤差。針對這一問題，提出了一種基于對耦合信號進行正交處理的檢測方法，降低正反向功率隨頻點對耦合信號的干擾，可有效地提高寬帶耦合器的檢測精度。

反向耦合；分配器；移相網路；相位正交

0 引言

定向耦合器是射頻微波系統中重要的無源器件[1]，在電子戰、雷達工業的應用中迅速增長，耦合技術獲得了極大的發展[2]。負載駐波狀況是評估發射系統工作狀態的重要依據。通過對負載駐波狀況進行檢測,實現對發射機輸出功率的控制。目前常用的駐波檢測方法是用定向耦合器的耦合端取樣正向信號，隔離端取樣反向信號，然后利用耦合到的正向信號和反向信號來計算駐波比、反射系數等參數。

在射頻輸入端加匹配網絡可達到改善耦合端性能，達到寬帶特性[3]，但改善幅度有限[4]。在定向耦合器設計之初采用計算機綜合設計可提高耦合器各項指標[5]。當設計加工完成后，此時耦合器的方向性已確定，對于寬帶耦合器接失配負載下檢測精度下降較多的情況無能為力。為了對射頻輸出功率進行精確檢測和控制，有必要研究如何降低正、反向功率對耦合信號的干擾，使得干擾對頻率點不敏感，提高寬帶耦合器在失配負載下的檢測精度。

對耦合信號先進行同向分配，再進行移相處理，通過正交處理降低反向信號與前向信號的相位差對耦合信號的影響，達到了提高耦合器方向性的目的。

1 提高反相檢測精度的方法

在目前寬帶發射系統控制技術中，通常采用如圖1 所示的方式[6]。

圖1 常規寬帶發射系統功率檢測控制

雙定向耦合器可以對射頻通道上的正向信號或反向信號進行耦合。定向耦合器包括耦合端和隔離端這2個輸出端口，耦合端用于耦合正向信號，隔離端用于耦合反向信號[7]。

正向信號耦合到耦合端的信號幅度為A，相位為θ0，φ為耦合的反向信號與正向信號的相位差。假設耦合器方向參數為D，反射系數為Γ，則正向耦合度的電平為：

(1)

一般耦合器方向性約為20 dB，即D為10左右，式(1)右邊第2項可以忽略，第3項值較大，而且與Γ和φ有關，造成了檢測值V的不確定性。同理，反向耦合端的電平為：

(2)

從式(2)可以看出，反向耦合端檢測的信號不能準確表達反向信號的大小，受正向信號以及反向信號的相位差φ的影響較大[8]。

正交電橋法可以提高對反向信號大小的檢測精度，其中的一種改進方法[9]如圖2所示。

圖2 采用正交電橋的檢測方法原理

耦合器1反向耦合端信號的功率檢波電平為:

(3)

耦合器2反向耦合端信號的功率檢波電平為:

(4)

2路相加：

(5)

式(5)已消除式(2)的第3項，而第2項的值約為第1項的1%，可以忽略。因此式(5)比式(2)更準確表征反向信號的大小。

在實際的工程使用中該方法存在以下缺點：

① 使用雙耦合器時，必須保證A/B兩路的相移、耦合度和隔離度等參數要精準一致，在科研生產中對耦合器的要求太高，不適合批量生產；

② 引入的2個3 dB正交耦合器及電纜等無疑增加了功率損耗及電路的空間和重量，同時增加了電路復雜度，降低了可靠性。為了提高反向功率的檢測精度而引入的插損較大，不適合在大功率射頻工程中應用。

2 改進的寬帶正交處理方法

對需要處理的信號進行多路正交處理后，再進行數字化處理可提升抗干擾能力并提高檢測精度[10]。改進方法如圖3所示。其特點在于電路只有一個耦合器，插入損耗低，特別適合大功率通過，通過對耦合信號正交處理而達到較高的反向耦合檢測精度。增加的功率分配器和移相網絡用于處理耦合小信號，對主通道的射頻大功率插損指標無影響。

圖3 提高功率檢測方向性的方法2原理

假設圖3中的耦合器方向性為20 dB(D=10)，其中θ2-θ1=90°，θ4-θ3=90°。其中θ4和θ2之間需存在一定的相位差φ，最佳值與相位差的變化率有關[11]。

按圖3的電路進行處理后，其正向耦合信號的大小為：

(6)

式中，消除因子K=f(φ)，是相位差φ的函數，取值范圍0～1之間，其大小由正交處理算法及精度決定。第2項和第3項的值都小于第1項值的1/D2，當D=10時最大電壓變化率為2%，功率波動幅度在0.2 dB之內。

同理，按圖3的電路進行處理后，其反向耦合信號的大小為：

(7)

當D=10時,其第3項值不到式(2)的1/20，反向信號的檢測精度明顯得到提高。圖3中的寬帶準正交移相網絡的原理電路如圖4所示。該電路可實現A′和B′兩路信號在寬頻率(2倍頻程以上)范圍內的相位正交。合理選擇電路參數可實現85°～95°范圍內的移相。

圖4 寬帶準正交移相網絡的原理電路

3 設計實例

寬帶正交處理方法對寬帶耦合器的方向性改善效果明顯，在實際工程中已得到驗證。使用的耦合器工作頻率為100 MHz～500 Hz，初始方向性為62.9 dB-40 dB=21.9 dB，按圖3和圖4的方法對耦合器信號進行數字化處理，實測結果如圖5所示。由圖5可知，方向性68.6 dB-40 dB=28.6 dB，提高了6.7 dB。

圖5 正交處理前后的方向性對比

在耦合器輸出端接駐波為2.5的失配負載，耦合信號未處理前的正向耦合度和處理后的正向耦合度實測結果如圖6所示。其帶內波動由2.6 dB降到0.5 dB，消除了在大駐波情況下正、反向耦合信號在不同頻點相差較大的情況，提高了檢測精度。

圖6 正交處理前后的耦合平坦度(駐波2.5)

4 結束語

對幾種可以改善耦合器方向性的方法進行了分析，引入的額外插損大小以及工程實現的復雜度是判斷方法優劣與否的主要評價因素。正交處理法對耦合器方向性改善程度與4路同向功率分配器相位和幅度的一致性、移相網絡精度以及正交算法都有關，其中正交處理電路的算法影響因素最大。正反向耦合信號的檢測精度與式(6)和式(7)中的消除因子K相關，K越小檢測精度越高。下一步的研究方向是優化算法減小消除因子K，采用欠采樣等技術[12]提高處理速度，實現在工作頻率點快速變化時對耦合信號的快速、精確檢測。

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[11] 高 義,高元鋒.基于相位差變化率的無源定位技術研究[J].無線電工程,2013,43(1):52-55.

[12] 張華娣.一種欠采樣實時測頻技術研究[J].通信對抗，2011，113(1)：10-13.

盛勝君 男，(1974—),高級工程師。主要研究方向：射頻功率放大技術。

王姜鉑 男，(1981—),碩士，高級工程師。主要研究方向：控制及干擾抵消技術。

A Method of Improving Coupler Directivity Based on Orthogonal Processing

SHENG Sheng-jun,WANG Jiang-bo

(The36thResearchInstituteofCETC,JiaxingZhejiang314033,China)

It’s necessary to detect the standing wave in the wideband RF transmitter system in real time.Because of the direction limit of the coupler,the single sampling signal (positive coupling signal,reverse coupling signal) covers the coupling information on both positive power and reflected power,it will cause the detection error of the standing wave.Aiming at this problem,the paper proposes a new method based on phase orthogonality of coupling signal.It can lower the interference of positive power and reflected power to the coupling signal,which effectively improves the direction detection accuracy of wideband coupler.

reverse coupling;divider;phase-shifting network;phase orthogonality

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.23

盛勝君,王姜鉑.一種基于正交處理提高耦合器方向性的方法[J].無線電工程,2017,47(5):95-97.[SHENG Shengjun,WANG Jiangbo.A Method of Improving Coupler Directivity Based on Orthogonal Processing[J].Radio Engineering,2017,47(5):95-97.]

2017-02-27

TN911.23

A

1003-3106(2017)05-0095-03