一種提高預/后選器隔離度的設計及應用

李 紅

(陜西烽火通信集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

一種提高預/后選器隔離度的設計及應用

李 紅

(陜西烽火通信集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

在短波通信設備中，當預選器工作時，會有載波信號泄漏到后選器中；反之，當后選器工作時，也存在載波信號泄漏到預選器中。如果預/后選器隔離度低，這些泄漏的信號會和傳輸信號一同被放大，對通信設備性能造成不利影響。針對這一問題，提出了一種全方位提高短波預/后選器隔離度的設計方案。討論了保護電路的設計以及PCB排版時應注意的接地問題。測試結果表明，預/后選器的隔離度達到60 dB以上，有效地解決了因載波泄漏導致通信設備性能不佳的問題。

預/后選器；高隔離度；單刀雙擲開關(SPDT)；發射機；接收機

0 引言

本短波預/后選器[1]是一種用于短波跳頻電臺內接收機和發射機的射頻數字調諧跳頻濾波器。隨著現代通信技術的日益發展,對通信干擾技術提出了嚴峻的挑戰[2]。針對通信干擾技術的發展趨勢，短波跳頻電臺作為新一代的通信對抗設備，具有較強的抗干擾、抗截獲能力，使其在現代的電子戰中顯示出巨大的優越性。預/后選器就是針對新一代通信對抗設備研制的關鍵件。預選器置于設備接收機前端，濾除工作頻帶以外的無用信號，提高其信噪比。后選器置于發射機功率放大器前端，濾除工作頻帶以外的諧波，減小其輻射干擾。因此，它對提升跳頻電臺的通話質量具有重要的意義。

隨著預/后選器在通信系統中的廣泛應用，暴露出因預/后選器收/發通道間的隔離度[3]低，引起電臺發射時自激、嚴重時燒壞電臺內的濾波單元。本文介紹了一種短波預/后選器收/發信道高隔離技術，其中涉及到的關鍵技術有：① 采用高隔離度SPDT開關，利用其特殊結構中的等效阻抗使泄漏信號接地；② 優化射頻信號切換策略；③ 對預/后選器中的放大器進行供電管理，從而阻止泄漏信號被放大。該預/后選器的隔離度指標達到60 dB以上。對于預/后選器收/發通道泄漏載波，導致電臺可靠性下降的問題，提出切實可行的解決辦法，具有較強的實用性。

1 短波預/后選器基本組成及工作原理

本文提出的短波預/后選器由控制電路、跳頻濾波器、放大電路和轉換電路組成，預/后選器收/發通道公用跳頻濾波器。可實現預選器、后選器和直通功能。

該預/后選器主要采用了數字調諧式跳頻濾波器技術[4]、低噪聲寬帶放大器技術、微電子技術、數字技術[5]、射頻信號切換技術和軟件技術等，實現了2～30 MHz短波全波段覆蓋的多頻點窄帶濾波功能。其工作原理如圖1所示。

圖1 預/后選器原理

短波跳頻電臺主控信號通過預/后選器內的單片機識別其要求，輸出相應的控制信號。控制轉換電路選擇預選器或者后選器工作、同時控制跳頻濾波器選擇所需濾波器工作、或者選擇直通工作。預選器收通道通過接收機射頻載波信號，信號是先經過放大器，再經過跳頻濾波器輸出。后選器發通道通過發射機射頻載波信號，信號先經過跳頻濾波器，再經過放大器輸出。

隔離度是指信號泄漏到其他端口的功率與原有功率之比，單位dB。目前，短波預/后選器隔離度指標要求不小于40 dB。如果預/后選器收/發通道隔離度低，從圖1可以看出，發射機泄漏的載波信號可以通過預選器收通道輸入端，經過其放大電路、跳頻濾波器進入到電臺接收機。在實際使用中發現，當預/后選器收/發信道隔離度低于30 dB時，會引起電臺發射時自激，嚴重時燒壞電臺內的濾波單元，甚至燒壞預選器輸入端電路。

2 隔離度設計的關鍵問題

2.1 切換開關的選取

如圖1所示，預/后選器收/發通道公用跳頻濾波器，影響其隔離度指標的是由SPDT開關組成的收發轉換電路。在如圖2所示的轉換電路模式下，采用如圖3所示的低隔離度SPDT開關，隔離度測試結果最低為4 dB；采用如圖4所示的高隔離度SPDT開關，隔離度測試結果最低為23 dB。因此，選用高隔離度的SPDT開關很重要。

圖2 收發信號切換電路

圖3 MASWSS0117電路[6]

圖4 HMC349MS8GE電路[7]

圖5 HMC241QS16電路[8]

本文提出的短波預/后選器需要進行3個頻率段直通、收發等功能的轉換。波段轉換電路采用SP4T開關，實現3個頻率段和直通功能之間的轉換。收/發轉換電路采用SPDT開關，實現預選器和后選器之間的轉換。

選擇3種MMIC開關，其主要性能(僅列舉典型值)對比如表1所示。

表1 3種開關主要性能對比表

型號名稱插損隔離度dBdB類型電路示意MASWSS0117GaAsPHEMTSPDT0．325反射式圖3HMC349MS8GEGaAsMESFETSPDT0．870吸收式圖4HMC241QS16GaAsSP4T0．845吸收式圖5

從表1可以看出，隔離度高的開關，插入損耗大，隔離度低的開關，插入損耗小。高隔離度的開關如圖4和圖5所示，當RF端口斷開時，該端口串接50 Ω電阻和電容后接地。低隔離度的開關如圖3所示，當RF端口斷開時，該端口懸空。開關端口斷開時接地比懸空隔離度分別高40 dB、20 dB，但插損也相應增加0.5 dB。盡管高隔離度的開關會使收/發通道內的有用信號有所減弱，但可通過收/發通道中的低噪聲集成寬帶放大器來彌補它的插入損耗。

經過試驗驗證，由Hittite公司生產的高隔離度射頻開關，因具有損耗小、失真性能優異、隔離度高的特點而被采用，即采用GaAs SP4T HMC241QS16[9]電路作為波段轉換電路；采用GaAs MESFET SPDT HMC349MS8GE電路作為收/發轉換電路。

HMC241QS16電路具有一路信號輸入/輸出口RFC，四路信號輸出/輸入口RF1～RF4，可實現信號波段選擇和射頻輸入端與輸出端直通的功能。波段轉換功能真值表如表2所示。

表2 波段功能真值表

波段功能AB信號通道狀態2～4MHz00RFC口和RF1口導通，與其他RF口斷開，且泄漏信號到地。4～10MHz10RFC口和RF2口導通，與其他RF口斷開，且泄漏信號到地。10～30MHz01RFC口和RF3口導通，與其他RF口斷開，且泄漏信號到地。射頻輸入端與輸出端直通11RFC口和RF4口導通，與其他RF口斷開，且泄漏信號到地。

HMC349MS8GE電路具有一路信號輸入/輸出口RFC，兩路信號輸出/輸入口RF1～RF2。可實現預選器和后選器通道選擇的功能。預/后選器功能真值表如表3所示。

表3 預/后選器功能真值表

預/后選器功能Vctl信號通道狀態預選器工作1RFC口和RF1口導通，與RF2口斷開，且泄漏信號到地。后選器工作0RFC口和RF2口導通，與RF1口斷開，且泄漏信號到地。

2.2 轉換電路設計

采用高隔離度開關，但按照如圖2所示的轉換電路設計，預/后選器的收/發隔離度指標沒有達到器件隔離度性能，主要原因是收/發通道中的放大器將泄漏的微弱信號放大所致。后改進線路，采用如圖6所示的轉換電路，隔離度測試結果最低為54 dB。

圖6 改進后收發信號切換電路

2.3 供電電路設計

改進預/后選器中2個放大器供電電路，原來的同時供電，改為分別供電，即增加供電分控電路，使得預/后選器中的放大器不同時供電。選通工作時供電，可降低產品功耗、殼體溫度，再次提高預/后選器之間的隔離度。測試結果又提高了10 dB。

原3個波段跳頻濾波器同時5 V供電，增加5 V供電分控電路，使得3個波段的跳頻濾波器不同時供電。選通工作時供電，可降低產品功耗和減小各波段之間信號干擾。

2.4 其他電路設計

在產品的實際設計中，為了保證高隔離度性能，還應采取的措施如下：

① 為了保證開關高隔離度性能，應嚴格按照其使用說明接地要求設計PCB板。如開關底部的金屬底板應良好接地，使開關斷開時，進入斷開端口的泄漏載波信號可靠到地，可保證其隔離度性能。

② 接地[10]。接地是電子設備的一個很重要問題，是抑制噪聲防止干擾的主要方法。電路接地方式基本上有3類：單點接地、多點接地和混合接地。設計采用大面積接地方案，減小接地電阻，其中模擬信號地、數字信號地、干擾性大信號地、敏感性小信號地分別單點相連，減小地線串擾。

③ 屏蔽。屏蔽是對2個部件空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。產品結構件設計時，采用整個腔體工藝，各單元安裝在各自腔體中。另外，收/發通道中射頻信號線采用衰減常數小的SFF屏蔽同軸射頻電纜，某些敏感器件采用單獨屏蔽，增加抗電磁干擾能力。

④ 為了使預選器輸入端在很強的電磁干擾下能繼續良好地工作，免受強信號環境影響而造成其隔離度性能下降，甚至燒壞，應增加保護電路。

3 試驗結果

在上述設計原理基礎上研制的短波預/后選器，以短波高端頻率29 MHz為例(頻率越高，隔離度越差)，4個端口之間的隔離度測試結果如表4所示。

表4 29 MHz隔離度測試結果 (dB)

從表4可以看出，本文提出的短波預/后選器隔離度指標最低達到68 dB，優于目前40 dB的要求，相比其他同類產品的隔離度指標提升近20 dB，適應短波通訊設備高性能的發展需要。

4 結束語

短波預/后選器在應用中，引起短波跳頻電臺自激、燒壞其濾波單元等問題，嚴重影響到通信系統的性能和可靠性。本文針對這一問題，利用高隔離度SPDT開關、射頻信號切換設計技巧、接地和收保護電路等多項技術，提出一種高隔離度的短波預/后選器設計方法。該隔離度技術具有電路簡單、體積小和成本低等特點，對解決短波預/后選器中收/發通道隔離度差的問題具有實際意義。

[1] 李紅，包真明，馮菊芬,等.一種短波預/后選器[P].中國.ZL 2014 1 0457936.7，2016-05-25.

[2] 解靜.基于數字濾波器組的寬帶數字陣列干擾技術[J].無線電通信技術,2014，40(5)：6-8.

[3] 王玉章，田殷．寬帶小型化高隔離度SPDT開關的研制[J].現代電子技術，2011(2)：154-156.

[4] 莊永河，孟堅.數字調諧濾波器原理及方案[J].現代電子技術，2009(17)：75-78.

[5] 張建偉，展雪梅.FIR數字濾波器的設計與實現[J].無線電工程，2010，40(6)：54-56.

[6] MASWSS0117.MACOM公司射頻開關數據手冊[S].

[7] HMC349MS8GE.Hittite公司射頻開關數據手冊[S].

[8] HMC241QS16.Hittite公司射頻開關數據手冊[S].

[9] 張振宇.1.6MHz～30MHz電調濾波器的設計與實現[J].無線電工程，2016，46(8)：61-64.

[10] 張威，金宏興．超短波電臺電磁兼容設計[J].通信與廣播電視，2005(1)：17-21.

ADesignforImprovingPre/Post-selectorIsolationandItsApplication

LI Hong

(ShaanxiFenghuoCommunicationGroupCo.,Ltd,BaojiShaanxi721006,China)

In the shortwave communication device,when the pre-selector is operating,a carrier signal can leak into the post-selector;on the other hand,when the post-selector is working,a carrier signal leaks into the pre-selector as well.If the pre/post selector isolation is low,these leaked signals can be amplified together with the transmitted signal,becoming strong enough to damage the performance of the communication device.In order to solve this problem,a design scheme is proposed to improve the isolation of shortwave pre/post selector.The protection circuit design and grounding problem in PCB layout are discussed.The test results show that the isolation of the pre/post selector can reach more than 60 dB.The weak performance problem of communication device caused by the carrier leakage can be effectively solved in this way.

pre/post selector;high isolation;SPDT switch;transmitter;receiver

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.18

李紅.一種提高預/后選器隔離度的設計及應用[J].無線電工程,2017,47(12):79-82.[LI Hong.A Design for Improving Pre/Post-selector Isolation and Its Application[J].Radio Engineering,2017,47(12):79-82.]

TN405.95

A

1003-3106(2017)12-0079-04

2017-08-30

李紅女，(1967—)，工程師。主要研究方向：濾波器件的研發設計。