基于射频开关的星点式多路耦合网络设计

官 飞

(福建林业职业技术学院，福建 南平 353000)

耦合匹配网络是一种无源微波网络，习惯称为耦合网络。本设计采用星点式耦合网络，是可调多路耦合器[1-2]的重要部件，它有若干个输入端，各连接1个可调带通滤波器，滤波器经若干并联的等长传输线枝节，以星点状的形式连接到电抗对消匹配网络，完成电抗对消和宽频带阻抗匹配[3-6]，解决多信道合路时插损、驻波比、纹波等性能指标恶化的问题，最终经过1个输出端连接到宽带天线，这样就实现了多路耦合。该耦合网络技术是可调多路耦合器的关键技术之一，采用该技术构建的多路耦合器，可称为星点式多路耦合器。

1 星点式多路耦合网络设计

星点式多路耦合网络[7]主要由近似等长传输线以及电抗对消耦合网络构成。近似等长传输线作为匹配枝节，连接相应滤波器到汇接点，以及参与匹配其他滤波器通道的阻抗，保证4个射频通道性能良好，电抗对消网络保证4个射频通道汇接在一起后，各个射频通路之间的电抗影响被降到最低，保证各个通路的射频通带性能。原理如图1所示，图中4个滤波器要保持一定频率间隔，一方面是利用滤波器带外抑制保证各通道间的隔离度，另一方面所工作的通频带要处在耦合网络匹配良好的频段，避开其他滤波器的过渡带。

图1 星点式多路耦合网络原理

传统经典的电抗对消网络如图2所示，各段传输线的阻抗不同，并且采用集总电容实现匹配。这样的实现方案需要特殊加工特定特性阻抗以及电长度的传输线，因此，加工难度大，成本高。

图2 传统经典的星点式耦合网络对消电路

本设计中星点式多路耦合网络的电抗对消网络如图3所示。依据微波网络理论和传输线分布式电路理论，采用四路星点连接带通滤波器，运用各种射频仿真工具全局优化电路拓扑结构和电抗对消耦合网络电参数，改进仿真模型转化为实物之精准工艺，进而较好地完成电抗对消和阻抗匹配。整个电抗对消网络的传输线阻抗或匹配枝节，均为50 Ω，采用分布式电路实现。用分布式器件代替传统对消网络中的集总电容，分布式器件主要是高性能同轴传输线:一是能够在更宽的频段内实现良好的电抗对消性能;二是其等效串联电阻比一般的集总电容更低，热损方面更优;三是其等效电抗可以随着频率的变化而变化，从而使耦合网络特性随着频率的变化更加稳定;四是利于加工、调试、获得更好的一致性以及控制成本。

图3 本方案中星点式多路耦合网络对消电路

2 基于SPnT射频开关的星点式耦合网络及多路耦合器设计

传统的星点式多路耦合器中耦合网络并联的多个等长传输线枝节无断点地在分支接头处直接焊在一起，这样带来一个问题：当某一路机械可调滤波器[8-11]正在调谐时，其中心频率连续变化，常与其他并联滤波器发生频率交叠，在交叠的短时间内造成其他并联滤波器严重失谐，影响相应电台的连续正常通信。为彻底解决上述技术问题，提出在满足耦合网络设计指标、保持工作频段内阻抗匹配持续合格和不影响其他滤波通道性能的前提下，把待调谐的滤波器从传输线并联枝节汇合星点处断开，直到其调谐备妥再重新接入。本质是在并联枝节末端即汇合星点处选取射频通路的断点位置，创新性地基于常开式单刀多掷射频同轴开关设计星点式耦合网络。

2.1 具体实施方式和工作原理

针对星点式耦合网络的工作特点，本设计解决方法将常开式单刀多掷射频同轴开关嵌入到新型星点式耦合网络中，突破开关的传统用法，在其控制端多路同时上电，选通闭合多条射频支路。这种新型用法是基于创新的理解：将传统的常开式单刀多掷射频开关，理解成常开式多个单刀单掷射频开关[12-15]的一体化集成体，它们共用1个射频口，如图4所示。这种四路星点式多路耦合器的射频系统工作流程为：多路耦合器开机后，完成初始化，默认耦合网络中单刀四掷射频开关的4个支路呈断开状态；按电台要求，某个滤波器调谐完毕，射频开关的控制端上电，相应射频支路闭合，这样多路耦合器整机射频通道完成备妥，电台可以开始收信或发信；按电台要求，若增加接入滤波器或已接入的滤波器需要更换频率，首先使射频开关上对应控制端电平复位到断电状态，相应射频支路为断开，待该滤波器调谐完毕，再闭合对应射频支路，这样就避免了调谐中的滤波器对其他已接入的正在工作的滤波器的干扰，即使调谐频率交叠也能避免其他滤波器带内受扰失谐，保证电台连续正常地通信。

图4 四路星点式耦合网络与四路星点式多路耦合器原理

2.2 实测结果和分析

四路星点式耦合网络的各段传输线长度和电抗对消匹配网络需要仿真设计和优化后确定。设计时，在给定分布式电路拓扑结构前提下，各段传输线的物理长度和其他集总参数都由所需设计的技术指标来具体决定。利用射频电路仿真设计软件，可以获得满足星点式耦合网络需要特性的设计。

据此设计方法实施后的四路星点式多路耦合器，选取频率范围105～173 MHz中的110 MHz、130 MHz、150 MHz、170 MHz 4个中心频率进行性能测试，如图5所示，4个通道合路同时工作，可见基本无互扰，有巨大改善。

图5 四路星点式多路耦合器的1组性能测试曲线

2.3 改进后解决方法的特点和有益效果

针对星点式可调多路耦合器的工作特点，在星点式耦合网络并联枝节汇合结点处，引入SPnT射频同轴开关，使并联枝节通断变得可控，这样在满足耦合网络设计指标、保持工作频段内阻抗匹配持续合格和不影响其他滤波通道性能的前提下，解决了多路耦合器中1个滤波器调谐频率交叠造成其他滤波器带内失谐的干扰问题，这种方法相比于传统解决方法有以下有益效果：

1)首先，最重要的一点是断点设置在并联枝节末端即汇合星点处，有效地减小了射频开关内部传输线的等效电长度，使耦合网络每根并联枝节等效短路线的总长度L下降到多路耦合器工作频段的中心频率的1/4波长以下。这样保证了当频率间隔大于规定最小值时，多路耦合器各射频通路以任意频率组合，各通频带内的插入损耗、纹波、驻波比3项性能的持续优良与稳定合格，即不降低各滤波通路合路时的带内性能，解决了滤波器合路时的相互干扰问题。

2)其次，减少了开关数量(继电器线包数量)，提高了耦合网络可靠性，降低了开关成本，使整机的安装固定变得更简单方便，提高了可维修性。

3 耦合网络设计要关注的问题

3.1 信道频率碰撞规则

为了获取良好带内性能和通道间隔离度(能量从发射通道到接收通道的抑制，防止烧毁接收前端)，多路耦合器各信道要保持一定的频率间隔，通常在超短波频段，信道频率间隔要5%f0(f0是窄带通道中心频率)以上，该间隔取决于：

1)滤波器自身带外抑制度的实现情况，其通过谐振电路的级数或采用交叉耦合、调整滤波器通频带宽可以改变。

2)耦合网络性能(插损和驻波比)的实现情况，其通过滤波器带宽或耦合网络自身的电路拓扑和参数进行调整。滤波器和耦合网络进行网络级联，其各自贡献插损，共同影响多路耦合器设备的插损，设计上要求各自插损、驻波比尽量优良，以保障级联后的整体性能。

3.2 仿真数据转换为实物的准确性

在仿真电路图中，由于矢量网络分析仪校准面的存在，对DUT的1端口和2端口的测试起始点的定义与理解将影响与之相连接的同轴线缆的起始点和终止点的定义，直接影响同轴线缆的实物加工长度，若直接使用仿真数据中同轴线缆的长度，将导致实物测试的S21曲线(幅频、相频特性曲线)严重偏离仿真曲线，如图6所示(其中，DB(|S(14，13)|)shice为实测曲线，DB(|S(2，1)|)fang zhen 为仿真曲线)，影响模型转换实物的有效性。传统的设计方法中，采用仿真后再调试的方式，在实物中调试同轴线缆长度，使之与仿真模型拟合。

图6 传统方法中实测曲线与仿真曲线对比

此时，由于对VNA的校准面问题没有明确的认识，没有准确找出校准面的位置，因此，传统方法中存在部分缺点：

1)无法建立仿真模型转化为实物的良好桥梁，使得产品开发周期变长；

2)使得整个产品设计过程变得被动而复杂，计算机仿真设计将不足为实物生产提供有效的数据支撑；

3)间接失去了计算机仿真设计的优势。

本设计提出了一种应用于实频仿真设计的数据采集系统和方法，其中，同轴线缆的特性阻抗Zc=50 Ω。首先通过VNA校准面的测试系统来定位VNA的校准面位置，测试系统如图7所示。

图7 应用于定位 VNA 校准面的测试系统

(1)

当输出电抗为Xout时，计算出从VNA的校准面到开路同轴线缆开路端长度L2。其差值LΔ=L2-L1，即为同轴线缆转化为实物时需要补偿的长度。而此LΔ是仿真模型顺利转化为实物的关键值。制作与DUT端口相连接的同轴线缆及射频连接器时，实物制作总长度需要将仿真长度加上LΔ，才能得到较准确设计数据。实际应用中，若无法采用相同介电常数的同轴线缆和射频连接器，则将介电常数转换至相同，所使用的同轴线缆和射频连接器作相应的长度折算后，仍然可以使用本方法。VNA校准面的测试系统中所使用的射频连接器和开路同轴线缆，若两者介电常数相等，则直接相加长度得到L1；若不相等，则需要将其转换为相同的介电常数，长度作对应的折算后，再相加折算后的长度才是L1。

4 多路耦合器保障通信系统试验

4.1 多路耦合器插入损耗测试

通过改变多路耦合器工作频点，测试多路耦合器在不同频点处工作时给系统引入的插入损耗，测试仪器为矢量网络分析仪，测试变量为S21，如图8所示。

图8 多路耦合器插入损耗测试

插入损耗测试结果如图9所示。

图9 多路耦合器不同通道插入损耗随频率变化情况

结果可见，在不同频点处，插入损耗均小于2 dB，且随着频率的变化插入损耗的值在1 dB范围内变化，波动幅度较小。满足实际使用情况下对多路耦合器插损的要求。

4.2 超短波通道单链路远距离通信模拟试验

保持收发电台工作在数据链设备测试模式，观察并记录数据链设备通信时的误码率，通过调节可调衰减器改变信号衰减量，当误码率刚好临界变为0时，记录衰减器的数值，此时衰减值即对应于空间对信号的衰减，该数值经换算能近似确定出实际通信情况下系统最远通信距离。试验设备连接见图10。

图10 超短波通道发射天线单链路远距离模拟试验

单链路远距离模拟试验结果见表1。

表1 单链路远距离模拟试验结果

由于通信系统要求通信距离≥350 km，而实际试验场实测发射天线与接收天线之间的距离为362 M。为保证实际通信距离满足350 km，需增加至少20lg350-20lg0.362=59.707 dB的衰减，衰减器的设置值越大，表征能通信的距离越远。从试验结果来看,衰减器的数值比理论计算值多十几dB，扣除设备、电缆损耗、天线增益的影响，能保证实际通信距离≥350 km。

5 结束语

基于可通断的星点式耦合网络，采用同轴传输线枝节进行匹配，设计并实现了1种新型射频多路耦合器，工作于105～173 MHz，带宽可调，窄带≥3.8 MHz、宽带通频带105～150 MHz，支持4部收/发信机以窄带(点频)、跳频、扩频多种模式进行组合同时收发，支持非业务中的信道空出以释放频率资源，适应60 W/路，插入损耗≤2.7 dB，电压驻波比≤2.3，隔离度≥45 dB，工作状态4路窄带或1路宽带+3路窄带，信道合路性能合格率≥99%，通信系统试验表明，多部电台共用天线以不同频率共址同时收发，通信距离达350 km以上。