C频段收发前端高隔离环形器设计与实现技术*

马美霞，段斌，赵慧敏，张波

(中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术国家级重点实验室，陕西 西安 710100)

C频段收发前端高隔离环形器设计与实现技术*

马美霞，段斌，赵慧敏，张波

(中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术国家级重点实验室，陕西 西安 710100)

介绍了微位移测量系统微波收发信道微波前端高隔离环形器的具体设计方法、实现形式以及测试结果。微位移收发信道是同频、同时、同天线的工作体制，所以发射信号会通过环形器泄露到接收信道中，造成接收通道饱和，接收信道对有用信号的信噪比，影响最后的系统测量精度；或者使得整个系统的测量距离很小，无法实际工程应用。为了在接收信道中将发射信号通过环形器泄露到接收信道中的信号进行抑制，采用的方法是在发射信道末端通过耦合器耦合一定信号能量，并使耦合信号进过可调衰减器和移相器对其幅度和相位进行调整，使耦合信号与泄露信号的幅度相等、相位相差180°，从而达到对环形器泄露信号的抑制抵消。该高隔离环形器指标要求工作频段是5 750～5 850 MHz，发射端输出电平高于30 dBm,接收端口对发射端口隔离度110 dB(最大)，稳态大于88 dB，噪声系数小于3.5 dB。

微位移；对消；信噪比；隔离度；环形器；三同

0 引言

近年来全国多地地震、洪涝等灾害频发，对人民生命财产、大型公共设施造成巨大的损失和破坏，为了能有效降低由此带来的不良影响，有效的方法是加强预警机制。对于大型水库的库岸边坡，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害，桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微位移、微变形。微位移量是危险报警的主要监测参数。

1 微位移测量系统原理

微位移基本测量系统如图1所示，由安放在被测点上的角反射器和测点上的微波比相设备构成。并设微位移方向与电波传播方向近似平行。角发射器由3块铝板构成，对微波有较强的反射力，把入射到它的微波按原路径全反射回来[1-4]。微位移同频、同时、同天线的工作体制实现，主要取决于关键电路环形器的高隔离度。

微位移测量系统工作原理如下：

如图1所示，晶体振荡器产生的200 kHz单频信号经过发射信道变频到5.8 GHz，再过后端高隔离环形器、收发天线发射出去，经过角发射器发射后，在经过收发天线、高隔离环形器以及后端接收信道变频到200 kHz。将此变频后信号与晶体振荡器产生另一路200 kHz信号在鉴相器PD中比相，得到表示相位差的电平U=kφ，k为比例常数(V/(°))，φ为相位差(°)，由电平指示器显示，或把此电路经A/D变换后数字显示，如位移太大，使相位差φ超过360°，则由整周计数器作整周计数计，设整周数为N[1]。同时，为了消除不同参考源频率与相位漂移导致的相位测量误差，收发信道采取同参考源。

2 高隔离环形器设计

高隔离环形器结构框图如图2所示[5]，根据隔离度实现的高低，可分为一级对消形式和两级对消形式。以下就具体电路设计、仿真和计算作出详细介绍。

图2 高隔离环形器结构Fig.2 High isolation circulator’s structure

2.1 一级对消电路

一级对消电路的组成如图3所示：隔离度为25 dB环形器，耦合度10 dB耦合器，隔离器，0°～360°模拟移相器，0～50 dB模拟衰减器，放大器。其工作原理是，通过调整移相器和衰减器相位与幅度，使耦合到端口2的信号VAPe-jθAP与经过环形器泄露到端口2信号Ve-jθ幅度相等V=VAP，相位差θ=θAP±n·180°(n为奇数)，两者达到对消，从而实现理想的高隔离度[6-10]。

考虑元器件实际精度普遍水平，即移相器精度是1°，衰减器精度0.1 dB，仿真隔离度达-74.01 dB，仿真原理图和结果如图3。

由于在工程应用中，元器件的绝对相移量和衰减量会随环境温度变化而较大偏离，其中移相器相位温度稳定度为1.0°/10℃，衰减器衰减温度稳定度为0.2 dB/10℃，天线端口阻抗偏离为(50±3)Ω，因此根据以上3种工程情况，仿真出环形器隔离度敏感度特性，3种工程情况：衰减量固定(取值17 dB)时相位(180±10)°变化，相位固定(取值180°)时衰减量(17±1)dB变化，衰减量和相位固定时天线端口阻抗偏离(50±3)Ω，如表1～3所示。

得出结论，相移量、衰减量温度稳定度和天线端口阻抗偏离会使隔离度恶化，所以为达到高隔离度，要么必须在一级对消电路外加温控措施，确保温度变化范围小于10℃，并且确保天线端口阻抗为50 Ω，要么采取更优化的电路设计：两级对消电路。然而工程实现上，前者会带来体积、重量、功耗等成本较大增加，而后者则完全可以在部件电路内部实现，成本较低。

表1 衰减量17 dB相移量变化的隔离度Table 1 Isolation when alterable phase value and attenuator in 17 dB

表2 相移量180°固定衰减量变化的隔离度Table 2 Isolation when alterable attenuator value and phase in 180°

表3 相移量180°衰减量17 dB固定天线端口阻抗偏离的隔离度Table 3 Isolation when alterable impedance from antenna, attenuator in 17 dB and phase in 180°

经过计算、仿真一级对消电路的隔离度能达到74 dB，也即最终进入接收信道的泄露信号电平为-44 dBm，未达到指标要求的隔离度110 dB(最大)，稳态大于88 dB。在考虑工程应用成本情况下，实现高隔离度，将环形器设计为两级对消电路形式，具体方法见第2.2节内容。

2.2 两级对消电路

两级对消电路是在一级粗调对消电路(1支路)基础上再增加一级精调对消支路(2支路)，原理如图4所示。仿真调整1支路的移相器、衰减器和2支路的移相器、衰减器4个变量，仿真隔离度达到117.508 dB(考虑元器件实际精度)，达到110 dB(最大值)指标要求。

图4 两级对消模式电路图和仿真结果Fig.4 Two-stage cancellation’s circuit diagram and simulation

3 组装、测试和结果分析

3.1 组装、测试

此次完成的高隔离环形器产品是两级对消形式，由集成模块经过同轴电缆互连完成。

工程实现中，调整移相器、衰减器，会引起器件驻波变化，带来电路内微波信号反射振荡叠加，导致对消电路不稳定，所以为保证稳定性，在移相器、衰减器等模块之间增加隔离器，消除了驻波变化引入的不稳定。同时调整两支路的功率分布，让对消支路工作在线性区，达到对消稳定[11-12]。如图5所示。

图5 高隔离环形器实物照片Fig.5 Picture of high isolation circulator

测试时将环形器公共端口接天线，发射端口接微位移发射信道输出端口，信号频率5.8 GHz，电平+23.21 dBm，通过调整产品面板上4个电位器来改变2个移相器、2个衰减器的控制电压，从而调整2个对消支路相移量、衰减量。在对消完成后，在接收端口测得5.8 GHz信号电平为-91.35 dBm，经过15～20 min稳定后达到-67.68 dBm，也即高隔离环形器隔离度达到115 dB，稳定后达到91 dB。测试图如图6所示。

图6 高隔离环形器测试图Fig.6 Test pattern of high isolation circulator

3.2 结果分析

产品稳定后测试隔离度达到91 dB，而仿真隔离度可以达到117.508 dB。隔离度实物测试值与仿真结果有一定差距的主要原因：

(1) 对消电路中衰减器和移相器的控制电压是由改变电位器电阻比例进行调整，当调试好后电位器调整臂存在一定的机械位移，参与分压的电阻值变化，导致控制电压的变化。

(2) 在长时间加电过程中产品温度变化，同样控制电压下，衰减量和相移量会有变化，从表1～3隔离度敏感特性分析可以看出，衰减量和相移量有很小的变化0.1 dB和1°的变化将导致隔离度有10 dB变化，隔离度越高此变化越大。

4 结束语

本文设计了一种高隔离度环形器。阐述了其应用背景、系统中位置、实现的原理形式，并给出一级对消和两级对消形式原理电路、仿真和测试结果。产品可承受功率大于等于30 dBm，隔离度达到115 dB，稳定后达到91 dB。产品参与位移系统联试表现良好，达到系统应用需要。

[1] 曾浩，杨士中，曹海林.一种远距离大目标微位移测量系统设计[J]. 仪器仪表学报，2008，29(5)：1084-1087. ZENG Hao,YANG Shi-zhong,CAO Hai-lin.New Micro-Displacement Measurement System for Large Object in Lang Distance[J].Chinese Journal of Scientific Iinstrument，2008，29(5)：1084-1087.

[2] 齐峰.连续波雷达宽带泄露信号对消技术研究[D].南京：南京理工大学，2007. QI feng.Studies on Cancellation Technology of Wide-Band Leakage From CW Radar[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2007.

[3] XU Zhen-feng.CAO Liang-cai,SU Ping.Micro-Displacement Sensor with Large Dynamic Range Based on Photonic Crystal Co-Directional Coupler[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,2007,43(2):182-187.

[4] IZUTSU M,ENOKIHARA A,SUETA T.Optical Waweguide Microdisplacement Sensor[J].IEEE Electronics Letters,1982,18(20):867-868.

[5] 杨士中.一种微位移测量技术：中国，CN1542407[P].2003-11-04. YANG Shi-zhong.A Microdisplacement Measure Technology:China,CN1542407[P].2003-11-04.

[6] WATKINS S E. Smart Bridges with Fiber Optic Sensors[J].IEEE Instrumentation & Measurement Magazine,2003,6(2):25-30.

[7] 何福红，李勇，张晴雯.基于GPS不同测量间距的DEM地形信息提取沟蚀参数对比[J].水土保持学报，2006，20(5)：116-120. HE Fu-hong,LI Yong,ZHANG Qing-wen.Comparison of Topographic-Related Parameters Through Different GPS-Survey Scales in Gully Catchments of Upper Yangtze River Basin[J].Journal of Soil Water Conservation,2006，20(5)：116-120.

[8] JOHN D K,RONALD J M.天线[M].3版.章文勋，译.北京：电子工业出版社，2004:276-299. JOHN D K,RONALD J M.Antennas:for all Applications[M].3rd ed.ZHANG Wen-xun，Trans.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:276-299.

[9] 贺静波，刘晓东.雷达作用距离的分形技术研究[J].系统工程与电子技术，2006，28(1)：53-55. HE Jing-bo,LIU Xiao-dong.Studies on Fractal Features of Radar Range[J] Systems Engineering and Electronics,2006，28(1)：53-55.

[10] KRATYUK V,HANUMOLU PK, UN-KU MOON.A Design Procedure for All-Digital Phase-Locked Loops Based on a Charge-Pump Phase-Locked-Loop Analogy[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,2007,54(3):247-251.

[11] Merrill I Skolnik. Radar Handbook[M].2nd ed.NewYork:McGraw-Hill inc.,1990

[12] ZHANG Guo-hua,ZHU Chang,FU Yun-qi,et al. Using High Impedance Ground Plane for Radiation Improving in Microwave Antennas [C]∥IEEE APMC2005 Proceedings,2005,11:1-4.

Design and Realization Technology of High Isolation Circulator in Microwave Transceiver

MA Mei-xia，DUAN Bin，ZHAO Hui-min，ZHANG Bo

(China Academy of Space Technology(Xi’an)，National Key Laboratory of Space Microwave Technology，Shaanxi Xi’an 710100，China)

The design and realization of high isolation Circulator in microwave transceiver is presented. In a micro displacement measuring system which adopts co-frequency co-time and co-antenna configuration, the measuring accuracy usually will be aggravated by the leakage from the transmitter to the receiver, which could be larger than the reflecting signal and lead to an overdrive to the receiver channel and a worse C/N ratio. In this case, the measure precision will be affected or the micro displacement measuring system cannot come true for small measuring distance. To reduce the leakage, a certain level RF signals obtained through a coupler at the transmitter and then adaptive processed by a attenuator and a phase shifter, so the high leakage suppression can be realized by the offset between the reflect signal from the antenna and the coupling signal which have been adjusted to the adaptive condition. The circulator works at the frequency of 5 750～5 850 MHz, the leakage suppression could be 110 dB (maxim), better than 88 dB (steady state) and a noise factor less than 3.5 dB.

micro displacement；cancellation；signal-to-noise ratio；isolation；circulator；co-frequency co-time and co-antenna

2014-03-15；

2014-07-06

马美霞(1982-)，女，陕西榆林人。工程师，硕士，研究方向为空间微波技术。

通信地址：710100 陕西省西安市航天基地东长安街504号 E-mail：mameixial@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.017

P225.3;TN61

A

1009-086X(2015)-03-0093-05