濾波器在甚高頻天線共用通信系統中的應用

引言

2020年是中國共產黨全面建成小康社會決勝之年，也是中國民用航空發展第十三個五年規劃收官之年，隨著深化經濟體制改革的推進，民航業已成為國民經濟發展中具有重要戰略意義的行業。面對高速發展的行業趨勢，空中交通管制也發生了巨大的變化，管制方式優化、空中飛行流量“量級”變大、管制扇區的增多等。甚高頻地空通信是民航空管對空通信的主要手段之一，其通信質量的穩定性和可靠性對飛行、管制的安全尤為重要。隨著甚高頻通信波道不斷增加，天線場地的有限、電磁環境的復雜等因素，其所需要的硬件支撐水平也在不斷提高。這些因素致使甚高頻通信系統由傳統單電臺單天線轉變至多電臺共用天線的模式，能夠較好地保障管制的陸空通信質量和資源配置。

濾波器在甚高頻共用通信系統中的應用

甚高頻共用通信系統主要由天饋系統、濾波器、收發信機及監控系統組成。對于發射過程，管制員使用某通信頻率進行空中交通管制時，其語音信號和鍵控信號通過語音交換系統送出，經過傳輸鏈路送入甚高頻共用通信系統;在相應工作頻率的信道內，由其邏輯上的主用發射機對語音信號進行調制并輸出已調制射頻信號;該射頻信號經繼電器進入濾波器，濾除雜波后在合路器處與其它信道的射頻信號混合輸出，并通過饋線送到天線輻射出去。對于接收過程，天線接收到空中的VHF頻段的無線電波，經過分路器后，工作頻率的信號能夠通過調諧后的濾波器（非工作頻率信號被濾除），經3dB 功分器一分為二分別送入主、備兩臺VHF 收信機中進行解調，還原出語音信號后，由邏輯上的主用收信機從其線路端口輸出語音信號;經傳輸鏈路送到控制端后通過內話系統輸出供管制員收聽。甚高頻共用通信系統的組成框圖如下圖1-1所示。

濾波器在發射通路中，可以有效的抑制帶外雜散信號，抑制非工作頻率信號輻射、串擾，增大信道間射頻信號隔離度，減小發射機對其他設備的影響;在接收通路中，濾波器可以將接收機不需要的帶外信號濾除，提升接收機的抗干擾能力，信道的選擇性。

濾波器的介紹及工作原理

民航甚高頻地空通信電臺的工作頻率為118MHz～136.975MHz，信道帶寬僅為25kHz，在如此窄的信道帶寬內要求設備具有較好的抗干擾能力，必然要求窄通帶、高抑制的帶通濾波器。對于窄帶的帶通濾波器，耦合諧振腔是常用的結構，其設計過程從低通原型濾波器出發，經過頻率變換，用阻抗變換或者導納變換實現各個諧振腔的級聯，將低通原型網絡用K變換器進行變換，并用集總電感網絡來實現K變換器，從而獲得帶通濾波器的性能。應用阻抗變換器后的等效電路如圖2-1所示，應用導納變換器后的等效電路如圖2-2所示。

按照濾波器的實現方式來看，常用的濾波器有LC集總參數濾波器、腔體濾波器、微帶濾波器、介質濾波器等。從實現的難度和技術要求上來看，腔體濾波器是一種可行的方案，腔體濾波器與其他類型的濾波器相比，可以提供高的多的Q值，具有很寬的調諧范圍和較窄的通帶寬度、在通帶中具有很小的插入損耗，以及在阻帶中具有很高的抑制度和大功率處理能力。

腔體濾波器為頻率可調整的帶通濾波器，具有頻率選擇作用，其濾波特性的優劣直接關系到VHF收發信機作用的最佳發揮。不同頻率對應不同的波長，所以就可以通過改變濾波器終端短路傳輸線的長度，來達到頻率選擇的作用。在腔體諧振點，插入損耗大，耦合輸出小。如下圖2-3所示，我們選用的是單腔體濾波器，它利用矩形腔體和內部的金屬膜片、金屬諧振桿組成諧振腔，通過改變膜片的位置改變結構諧振頻率實現可調的濾波特性。其性能指標如表2-1所示。

濾波器在甚高頻共用通信系統中的作用

為了確保眾多不同頻率的電臺可以使用一根天線，既不能相互干擾，同時還要阻抗匹配，還必須使用耦合器件。天線多路耦合器必須滿足兩個方面的要求：1.從任一電臺輸出的射頻功率只能進入天線負載而不能串入其他電臺;2.任一電臺與天線之間的匹配狀況不受其他電臺工作狀態的影響。它實現主要的是通過適當的耦合網絡形式，再根據匹配的要求調整濾波器的輸出，從而確定耦合網絡的參數，最終是通道間的影響減低到最小程度。腔體濾波器的連接方式有T型串聯耦合網絡和環形耦合網絡。

環形多路耦合器由環形均勻傳輸線組成，耦合網絡與各濾波器接口在環上的電長度為λ0/2（λ0中心頻率波長），在距二接口λ0/4處放置一個與濾波器輸出特性相同的電抗調配器，如圖3-1所示。由濾波器進入耦合網絡的信號等分成兩部分，經傳輸后在天線口合成輸出。

在西北空管局目前使用的天線共用系統中，常用的耦合方式為環形耦合網絡。發射、接收耦合系統其結構如圖3-2所示。

實際應用中還有一種，如下圖所示。其開路端接50Ω負載。它的優點是結構簡單，價格便宜，便于安裝，缺點是耦合的電臺數量越多，耦合到天線端口的功率差異越大，其結構如圖3-3所示。

四、濾波器的調試

使用網絡分析儀0 dBm小信號方式調測濾波器。所有饋線、射頻接頭均使用網分校準獲取0 dBm參考基準，插入損耗、阻帶衰減、反向損耗均以參考進行計算。

濾波器插入損耗、選擇性調試。

（1）選擇中心頻率，Span為1Mhz，選擇直通校準。分別用兩根射頻線連接到輸入、輸出口，用雙通器將它們相連，然后校準。（2）校準成功后，Marker所選擇的頻率，兩根射頻線分別接入濾波器的輸入輸出口，轉動濾波器調諧桿，使波峰位置移至中心頻率，分別調節調諧桿兩側的耦合天線環，使其達到發射濾波器的范圍值內。（3）選擇性大于15dB，插入損耗小于1.5dB（如果連接上合路器調試時，插損一般在1.5-1.8dB之間）。（4）最后擰緊耦合天線環上的螺絲，并鎖死濾波器調諧桿上的旋紐扣。

濾波器駐波比調試。

（1）選擇中心頻率，Span為1Mhz，選擇直通校準。分別用兩根射頻線連接到輸入、輸出口，用雙通器將它們相連，然后校準。（2）校準成功后，連接射頻線至濾波器輸入口，濾波器輸出口連接校準件的負載端。選擇VSWR功能，進行測量。（3）Marker標記到中心頻率并旋轉旋鈕使波峰對準中信頻率，必要時調節耦合天線環使駐波比達到范圍值。（4）TX VSWR≤1.5，RX VSWR≤1.5。

五、結束語

在日益復雜的機房環境中，濾波器在甚高頻共用通信系統中的應用越發重要，有效防止了共用天線系統電臺間、波道頻率之間的干擾，使得管制員的地空通信更為安全可靠。

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