箭上遥测信号不等分功分实现方案及仿真研究

宁高利,金 晶,邓永福,李晓斐,夏国江,孙雪峰

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

在运载火箭的研制阶段，遥测系统用于获取飞行试验中箭上各系统的工作状态和环境数据，为确定运载火箭性能或进行故障分析提供依据[1]。在发射场进行全箭测试时，往往存在地面遥测接收天线对箭上遥测信号的辐射方向要求与实际飞行中地面测控站对箭上遥测信号的辐射范围要求不一致的情况。因此，遥测系统箭上安装主、副两个天线，对发射机输出的遥测信号进行分路，使大部分信号传输到满足飞行跟踪测控需要的主天线上去，将剩下的一小部分信号分路到测试用的副天线上，以此来解决测试和飞行跟踪测控对遥测信号辐射方向要求不一致的问题。

遥测信号的分路，实际上是一个射频信号的不等分功率分配问题。对于该功能的实现，目前主要有功分器和定向耦合器两种方案。本文分别采用这两种方案实现了S频段射频信号10∶1的不等分功率分配，对二者的性能指标进行了详细的仿真分析，并在此基础上比较了两种方案的优缺点，为实际工程应用提供参考。

1 不等分功分实现原理

1.1 定向耦合器

定向耦合器是微波系统中具有方向性的功率耦合器件，它能对微波功率信号按特定比例进行分配，并且两输出信号间具有一定的相位关系(通常相位相差90°或180°)。定向耦合器技术成熟，广泛应用于功率监测、测量反射系数、功率分配等。常用的定向耦合器有平行线耦合器、分支线耦合器、波导孔耦合器、环形桥耦合器等[2-5]。

定向耦合器是一种四端口网络，如图1所示，包括输入端1、直通端2、耦合端3和隔离端4。微波信号从输入端口1输入，从直通端口2输出，同时通过某种耦合方式以特定的耦合强度将部分信号耦合到3端口输出，在理想情况下，隔离端口4无功率输出[6-7]。

图1 定向耦合器示意图Fig.1 Directional coupler

对于定向耦合器，最重要的指标就是耦合度，它表征了耦合的强弱，定义为耦合器的各端口都接匹配负载时，输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3的比值[8]，通常用分贝表示，耦合度越大表明耦合越弱，具体表示为

(1)

它与S参数的关系为

(2)

平行耦合线定向耦合器是TEM波(横电磁波)传输线耦合器的一种主要形式，它由两根1/4波长的平行传输线节耦合构成，其S参数矩阵为[9]

(3)

式(3)中，k为耦合系数，它与耦合度C之间的关系为

(4)

由S参数矩阵可以看出，理想平行线定向耦合器是无耗、互易、对称、完全匹配的，且其耦合端的信号相位比直通端超前90°。

1.2 Wilkinson功分器

Wilkinson功分器是一种三端口功率分配网络，因其具有全匹配和高隔离度的优点而被广泛使用[10-13]，其结构如图2所示。

图2 Wilkinson功分器示意图Fig.2 Wilkinson power divider

端口1为信号输入端，分别经特性阻抗为Z02与Z04、Z03与Z05，电长度均为90°的两路传输线将信号从端口2、3输出，各端口特性阻抗均为Z0。在2’、3’两点之间跨接一纯电阻R有耗网络。

一般地，若端口3和端口2的输出功率比为K2，则有[14]

(5)

在各输出端口均接匹配负载时，微波信号从端口1输入，端口2和3按照特定的比例分配输出相应功率，并保持电压等幅同相，此时，电阻R上无电流，不消耗功率。若端口2或3有失配，则反射功率通过分支叉口和电阻，两路到达另一端口的电压等幅反相而抵消，从而保证两个端口之间的隔离。由此可见，正是由于该隔离电阻R的存在，才使得3个端口同时匹配，2、3端口之间彼此隔离。

对于大功分比的情况(如本例中的10∶1)，由公式(5)可知，Z02即为值很大的高阻抗线(后面可看出阻抗值为近300Ω)，而该阻抗值往往超出了目前微带线的加工工艺水平，因而无法直接使用该结构。此处，通过在Wilkinson功分器的两个支路加载调谐枝节进行匹配(即改进型Wilkinson功分器)，从而降低了高阻抗线的阻抗值，同时带宽也完全满足使用需求。

2 10∶1不等分功分的实现与仿真分析

在此，分别采用平行线定向耦合器和改进型Wilkinson功分器两种方案，来实现S频段(此处取中心频率f0=2250MHz)射频信号功分比为10∶1的功率分配，并对各自的性能指标进行详细的仿真分析和比较。

2.1 平行线定向耦合器功分

由于这里是将定向耦合器作功分用，因此在实际使用中需要将隔离端口接上匹配负载，与此同时，定向耦合器也就退化成三端口网络。

在仿真软件中，对平行线定向耦合器进行建模、仿真，其性能参数分别如图3～图6所示。

图3 各端口回波损耗Fig.3 Return loss of port

图4 各端口传输损耗Fig.4 Insertion loss of port

图5 输出端口之间的隔离Fig.5 Isolation between output ports

图6 输出端口之间的相差Fig.6 Phase difference between output ports

由图3可以看出，平行线定向耦合器3个端口的回波损耗曲线重合，且在中心频率处匹配很好，回波损耗可达32dB，在2200MHz～2300MHz内回波损耗也在31dB～32dB之间。由图4可以看出，在中心频率处直通端2端口的插损为0.44dB，耦合端3端口的插损为10.47dB，二者功率差值为10dB，即对输入信号实现了10∶1的功率分配。由图5可以看出，2端口和3端口之间的隔离仅为22dB，这是定向耦合器自身的固有特性。由图6可以看出，两个输出端口的输出信号在中心频率处有90°的相位差，这也与前面对其S参数的分析是一致的。在对两路信号有同相要求的场合，还需对其中一路再进行90°相移操作。

另外，进一步考察平行线定向耦合器的性能与隔离端失配之间的关系，如图7和图8所示。

图7 隔离端失配对耦合端匹配的影响Fig.7 Influence of VSWR of isolation port on return loss of coupling ports

图8 隔离端失配对输出端隔离的影响Fig.8 Influence of VSWR of isolation port on isolation between output ports

由图7可以看出，随着隔离端的驻波比VSWR的增大，耦合端口2的匹配性能迅速恶化，在负载开路时，回波损耗甚至达到1.3dB。由图8可以看出，两个输出端口之间的隔离性能也随着隔离端的失配而迅速变差。

2.2 Wilkinson功分器功分

由于功分比为10∶1，即K2=10，根据公式(5)求得Z02=294.9Ω，Z03=29.5Ω，Z04=88.9Ω，Z05=28.1Ω，R=173.9Ω。

由于目前加工工艺的限制，微带线的特性阻抗最高只能做到120Ω～130Ω[15]，而第2路传输段特性阻抗Z02高达294.9Ω，因此无法直接使用传统式Wilkinson功分器(这也是有时用定向耦合器代替Wilkinson功分器用作功分的原因)，而需要使用改进型的Wilkinson功分器。

在仿真软件中，对改进型的Wilkinson功分器进行建模、仿真，其性能参数分别如图9～图12所示。

图9 各端口回波损耗Fig.9 Return loss of port

图10 各端口传输损耗Fig.10 Insertion loss of port

图11 输出端口之间的隔离Fig.11 Isolation between output ports

图12 输出端口之间的相差Fig.12 Phase difference between output ports

由图9可以看出，各端口在中心频率处匹配很好，回波损耗为50dB～55dB。由图10可以看出，在中心频率处2端口插损为0.4dB，3端口插损为10.4dB，二者功率差值为10dB，即实现了射频信号10∶1的功率分配。由图11可以看出，2端口和3端口之间的隔离在中心频率处达到53dB，这是由于隔离电阻R所起的作用，也是与定向耦合器的不同之处。由图12可以看出，两个输出端口的输出信号在中心频率处的相位差为0°，这是因为输出两路的电长度是一致的。

2.3 两种方案的分析比较

通过以上两种实现方案的性能仿真分析结果可以看出，无论是平行线定向耦合器还是改进型Wilkinson功分器，均能实现S波段射频信号10∶1的不等分功分，各端口的回波损耗和信号传输损耗均能满足要求。

对于平行线定向耦合器实现方案，两个输出端口的隔离度较差，且随着隔离端的失配，耦合端的匹配性能和两个输出端口之间的隔离性能会迅速恶化。

因此，若采用平行线定向耦合器对箭上遥测信号进行不等分功分，一方面由于需要端接匹配负载，会增加实现复杂度，降低了产品的固有可靠性；另一方面，在匹配负载松动甚至脱落时，会导致副天线端口的驻波比恶化，以及引起主、副天线之间的信号耦合，影响遥测系统信号的有效传输。

另一方面，若采用改进型Wilkinson功分器对箭上遥测信号进行不等分功分，则无端接匹配负载要求，且由于功分器固有的高隔离度特性，使得主、副天线之间无信号耦合问题。

由此可知，在对箭上遥测信号进行不等分功分时，无论是产品自身的复杂性，还是在性能指标方面，采用改进型Wilkinson功分器均优于平行线定向耦合器。

3 结论

本文对比分析了两种实现S波段射频信号不等分功分的方案，由结果可知，改进型Wilkinson功分器在端口匹配性、输出端口的隔离度和相差、使用可靠性等方面明显优于平行线定向耦合器，为实际工程应用中选型提供了参考。