一种电控可调双工器的研究与设计

王清芬，马延爽，王　烨

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)



一种电控可调双工器的研究与设计

王清芬1，马延爽1，王烨2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

针对通信系统对射频前端双工器高可靠工作、高通道选择性的要求，基于双工器的组成原理，提出了一种电控可调双工器的解决方案。利用商业上成熟的电控开关选择频率，环形器+固定滤波器组的形式组成双工器，达到全频段“无缝”覆盖。固定滤波器利用“耦合带宽法”进行设计，达到多个不同频段的固定滤波器共用一套设计数据，可靠性好，模块化程度高。根据工程实践，给出一个六通道设计实例，应用效果良好。

可调双工器；电控开关；固定滤波器；耦合带宽法

0　引言

随着信息技术的快速发展，大功率无线通信系统在远程遥感通信和功率传输等方面得到越来越广泛的应用，对通道的选择性要求也越来越高[1]。针对多通道通信系统需要实时双向通信以及收发通道只使用一个天线的要求，就必须在系统的前端设计多工器[2]。多工器是用于合成或者分离不同频率信号的通信器件[3]，应用于卫星通信、中继通信、电子对抗、雷达、遥感、微波测量和太空技术等方面。

最简单的多工器是双工器[4]，根据工作频率是否可调，组成多工器的滤波器又分为固定滤波器和可调滤波器。随着未来信息化战场电磁环境日益复杂化，频率自适应改变成为新型电子通信系统的需求趋势，其应用需求也进一步促进了可调滤波器的研究。但对于中功率以上系统，目前的工艺水平和自动控制设计现状，仍难以满足可调滤波器的要求，射频器件研发工程师们也在努力地寻找折中的办法。本文提出的使用商用电控开关加固定滤波器的双工器是比较有效的一种方法，用于在降低工艺要求的情况下达到类电调的能力。

1　双工器组成

通过分析现有双工器的研究和使用情况，其组成和实现形式主要有以下几种：

① 环形器+收发滤波器[5]，其组成示意图如图1所示。这种双工器一般适用于低损耗要求的中低功率(几十W或数百W以下)的2路合路，结构简单经济，设计和调试方便。

② 分枝节耦合双工器，其组成示意图如图2所示。分枝节耦合双工器收发信道之间存在相移线段，用来分隔发射信道的位置，设计比较灵活，能实现最佳的绝对插入损耗、幅值和群时延响应。但这种分枝节耦合双工器不能适应任意频率分配场合，信道的任何改变都需要当成新的双工器来设计。

③ 公共接头双工器，比较常见的是用于较低频段的同轴双工器，其中接头在滤波器输出腔体的内部紧凑连接，形成T型结构，因此工程上又叫做“T型头”。这种双工器类型，与前述多枝节双工器类似，只是没有匹配的相移线段，收发信道直接汇集到公共接口。

④ 桥式双工器，其组成示意图如图3所示。

图3　3dB耦合电桥双工器示意

这种形式的双工器由2个相同的带通滤波器和2个90°(正交)混合电桥组成[6]。由于传输模式或反射模式的总功率经过混合电桥后，其中的一半入射到每个滤波器输入端，使得功率容量增加一倍。但缺点是2路滤波器的幅相一致性要求高，体积和重量大。

⑤ 用电控开关实现的双工器，其组成示意图如图4所示。

图4　电控开关双工器方案1

通过引入电控开关，采用一系列中心频率不同的固定滤波器，可以在ms量级内实现变频功能。根据需要设计固定滤波器的数量，完成工作频率范围内的无缝切换。适合于中功率以上要求的通信系统。

综上，从设计和实现方式上来说，第②种、第③种和第④种只适合设计固定双工器。对第①种进行可调还是固定取决于所采用的收发滤波器是可调的还是固定的；目前，可现场改频的通信系统中，倾向于采用这种方式的可调双工器，但对于切换时间要求较高的自适应改频系统来说，其响应时间还不能达到要求，而且当前加工工艺和机电一体化程度也有待于提高。第⑤种滤波器采用固定的方式，通过电控开关实现多个中心频率的调整，可以达到类电调双工器的抗干扰能力，频率利用率高，且对加工工艺的要求不高，改频速度快，成为中功率以上自适应改频系统的优选方案。

2　总体设计方案

2.1总体要求

根据系统总体要求，双工体制为FDD，射频工作频率范围为4 400～5 000MHz。射频接收通道带宽需要满足传输要求，并以有利于功率传输和加工制造为原则。为了增加系统的抗干扰性，双工器带宽为不小于100MHz，收发通道工作频点，在保证隔离度要求的情况下随机选择，插入损耗要求小于1.5dB，收发通道隔离度大于70dB(f0±200MHz)，承受功率要求达到100W以上。

2.2方案对比分析

综合现有的工程实现，采用的方案主要有以下几种：

① 采用环形器+固定滤波器组成双工器，收发两端采用A、B机形式，如A机高发低收，则B机低发高收，或者相反。全频段范围内需要留足够的频率间隙，以达到收发通道隔离度的要求。频率划分如图5所示。

图5　频率划分示意

这种方式的优点是思路简单，系统可靠性高，缺点是频谱浪费，无法改频，设备互换性差。

② 采用环形器+固定滤波器+DPDT组成双工器，如图6所示。

图6　频率划分示意

这种方案避免了A、B机，通信两端设备可互换，存在的问题有：本端f1发，f2收时，环形器需要多绕一路，损耗增加；收发通道的隔离度为滤波器的收发抑制度加环形器的隔离度，且受限于DPDT的能力，最大值为DPDT的隔离度。

③ 采用环形器+可调滤波器的形式。这是目前较常采用的思路，这种形式在频谱利用和现场改频方面表现突出。但对于中功率以及以上需求，可调滤波器的结构设计、加工工艺以及与自动控制的一体化程度均需要提高，响应时间在秒级，仍无法满足现代通信系统自适应改频的要求。

鉴于以上方案中的问题，本文提出采用电控开关+环形器+固定滤波器组来实现双工器。商用成熟的电控开关，切换时间在ms量级，大大提高了频率切换时间；固定滤波器组的设计对加工工艺的要求降低，有利于模块化，可生产性高；电控开关、滤波器、环形器串联形式连接，保证了收发通道之间的隔离度。根据指标要求通道数量选为6个，中心频率分别为4 450MHz、4 550MHz、4 650MHz、4 750MHz、4 850MHz和4 950MHz，完成变频需求的情况下，有效利用频谱。

2.3关键技术

2.3.1固定滤波器的设计

采用耦合带宽法[7-8]，用内圆外圆同轴腔形式，非对称腔体选择不同的宽度尺寸和采用T型窗耦合结构[9]等措施，实现在一定频率范围内，仅通过调整频率变量，不改变耦合结构尺寸的情况下，达到多个离散频点中心频率可调，绝对带宽和幅频特性保持不变的设计要求。

2.3.2滤波器组一体化加工设计

由于设计的不同中心频率的滤波器的结构尺寸是完全一样的，使加工更为简单。为了使机箱结构更加紧凑，将6条滤波器进行一体化加工，增加了设备的模块化程度。

3　仿真结果分析

根据指标要求，滤波器腔数为9腔。单个滤波器的结构形式如图7所示。

图7　单个滤波器结构

运用耦合带宽法，设计耦合窗的位置和形状。通过计算和高频电磁仿真软件(HFSS)建模[10]，并进行仿真分析。仿真结果如图8和图9所示。

图8　滤波器单元仿真结果1

图9　滤波器仿真结果2

将6条上述滤波器单元一体化设计成滤波器组件，按照如图4所示的形式连接。电控可调的双工器由2个滤波器组件、4个单刀六掷开关和1个环形器组成。

测试结果如下：4 400～5 000MHz内6频段可调；插入损耗：1.4dB；切换时间：20ms；收发隔离度：81dB。

工程应用显示，其滤波效果良好，且相比于电连续可调双工器，加工工艺要求低，可生产性好，完全满足系统要求。

4　结束语

本文论述了双工器在通信系统的重要作用和地位，分析了双工器的几种组成原理及其优缺点。设计了一种电控可调双工器，6个可选频段，其模式化设计思路为目前通信系统高抗干扰要求提供了一种介于电调滤波器和固定宽带滤波器之间的折中设计方案。后续可以在增加可选频段数目上进一步研究，以达到逼近连续可调滤波器的性能。

[1]许瑞生,崔琦.FIR滤波器在扩频发射机中的应用[J].无线电通信技术,2011,37(4): 62-64.

[2]张迪杨，徐仲良,多工器技术在调频发射系统中的应用[J].电声技术，2008,206(8)：56-57.

[3]甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京：科学出版社，1973.

[4]马延爽.微波双工器和多工器的设计[J].无线电通信技术，1997，23(4)：17-21.

[5]王琦.基于散射参数法的波导滤波器设计[J].无线电工程，2011，41(6)：62-64.

[6]张政伟,耿向羽.S频段大功率径向波导合成器设计[J].无线电工程,2012,42(6): 42-44.

[7]胡娟，王清芬，王烨.一种可调滤波器的设计技术[J].无线电工程,2015,45(4)；53-55.

[8]王清芬，马延爽.耦合系数法设计微波带通滤波器及CAD实现[J].无线电通信技术，2008，34(1)：43-44.

[9]曲永志,李德志,马延爽.基于HFSS的微调谐腔体带通滤波器设计[J].无线电通信技术,2012,38(3): 62-64.

[10]王清芬，马延爽.应用HFSS设计40MHz腔体滤波器[J].无线电工程，2008，38(12)：44-46.

王清芬女，(1979—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：微波散射通信。

马延爽男，(1956—)，高级工程师。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

国家科技重大专项基金资助项目(2012ZX03004-003)。

TP391

A

1003-3106(2016)09-0069-04

引用格式：王清芬,马延爽,王烨.一种电控可调双工器的研究与设计[J].无线电工程,2016,46(9):69-72.