V/UHF寬帶大功率低帶內(nèi)波動(dòng)耦合器的設(shè)計(jì)

　　盛勝君，劉榮輝，葛 偉（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033）

　　摘?要：在射頻寬帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，需要對(duì)輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)工作帶寬較寬時(shí)，耦合輸出的帶內(nèi)波動(dòng)較大，會(huì)影響檢測(cè)精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)射機(jī)的可靠性。針對(duì)這一問題，提出了一種基于濾波和陷波原理的寬帶射頻均衡網(wǎng)絡(luò)，對(duì)耦合信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配和傳輸補(bǔ)償，提高耦合輸出信號(hào)的帶內(nèi)平坦度，可有效提高寬帶耦合器的檢測(cè)精度。

　　關(guān)鍵詞：帶內(nèi)波動(dòng)；均衡網(wǎng)絡(luò)；耦合器。

　　0 引 言

　　在射頻寬帶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，定向耦合器是重要的無源器件 ^[1] ，特別在通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)的應(yīng)用中迅速增長(zhǎng)，耦合技術(shù)獲得了極大發(fā)展 ^[2] 。耦合信號(hào)的帶內(nèi)平坦度是關(guān)系發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的一項(xiàng)重要參數(shù)。寬帶工作時(shí),低帶內(nèi)波動(dòng)可實(shí)現(xiàn)全工作帶寬內(nèi)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率的精準(zhǔn)控制。在超短波頻段大功率工作時(shí)，一般均是弱耦合，采用帶狀線耦合或者同軸線耦合；中小功率工作時(shí)，弱耦合一般采用電阻和變壓器組合耦合，強(qiáng)耦合時(shí)會(huì)采用變壓器耦合。

　　在目前寬帶發(fā)射系統(tǒng)控制技術(shù)中，通常采用如圖1所示的方式 ^[3] ，在該系統(tǒng)中耦合器起到重要作用。雙定向耦合器包括兩個(gè)耦合輸出端口，分別是正向耦合端和反向耦合端，當(dāng)射頻大信號(hào)從正向輸入端輸入時(shí)，正向耦合端用于耦合正向輸入端的信號(hào)，反向耦合端用于耦合正向輸出端的反射信號(hào) ^[4] 。

　　為了減小耦合器的主線衰減，同時(shí)提高耦合信號(hào)的帶內(nèi)平坦度，有必要深入研究耦合方式和寬帶射頻均衡網(wǎng)絡(luò)。該方法的原理是針對(duì)帶狀線短耦合信號(hào)的幅頻特性，對(duì)耦合信號(hào)先進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)行陷波，達(dá)到傳輸斜率矯正效果，通過衰減器降低端口反射對(duì)耦合信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了在工作帶寬內(nèi)提高耦合器帶內(nèi)平坦度的目的。

　　1 影響耦合帶內(nèi)平坦度的因素

　　工程實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，影響耦合帶內(nèi)平坦度的主要因素有兩個(gè)，一是耦合電路和射頻均衡網(wǎng)絡(luò)自身的傳輸特性，需要尋找合適的耦合電路以達(dá)到較好的帶內(nèi)平坦度；二是方向性偏低引起的有規(guī)律的正弦波動(dòng)，方向性越差的耦合器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)耦合端幅度波動(dòng)越大，所以設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)需要盡量提高耦合器的方向性。

　　假設(shè)正向信號(hào)耦合到耦合端的信號(hào)幅度為A，相位為 θ 0 ， ? 為耦合的反向信號(hào)與正向信號(hào)的相位差。假設(shè)耦合器方向參數(shù)為D，反射系數(shù)為Γ。

　　則正向耦合度的電平為：

　　假設(shè)耦合器方向性為23 dB，即D為10左右，式(1)第2項(xiàng)可以忽略，第3項(xiàng)值較大，而且與Γ和 ? 有關(guān)，造成了檢測(cè)值V的不確定性。同理，反向耦合端的電平為：

　　從式(2)可以看到，反向耦合端檢測(cè)的信號(hào)不能準(zhǔn)確表達(dá)反向信號(hào)的大小，受正向信號(hào)以及反向信號(hào)的相位差 ? 的影響較大 ^[5] 。

　　圖2是兩種不同方向性耦合器的測(cè)試表，圖3是兩種耦合器分別接駐波為2.5的負(fù)載時(shí)的正向耦合度。方向性較差（21.9 dB）帶內(nèi)波動(dòng)為2.6 dB，方向性較好（28.6 dB）帶內(nèi)波動(dòng)為0.5 dB，降低了2.1 dB?？梢娫诮哟篑v波負(fù)載情況下，方向性較差的耦合器其正、反向耦合的帶內(nèi)波動(dòng)較大，通過提高耦合器的方向性可以提高耦合帶內(nèi)平坦度 ^[6] 。

　　2 耦合電路的選擇

　　實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，工作帶寬較寬時(shí)的天線駐波較大，由分析可知，要提高帶內(nèi)耦合平坦度需要選擇合適的耦合電路和提高耦合方向性入手。

　　在V/UHF頻段，考慮到耦合器的體積大小和實(shí)現(xiàn)方式的簡(jiǎn)易程度，寬帶雙定向耦合器一般采用以下兩種耦合電路，一是電阻和變壓器組合耦合，另一個(gè)是帶狀線耦合。電阻和變壓器耦合雖然電路本身在理論上有一定失配和損耗，但弱耦合時(shí)失配和損耗很小 ^[7] ，而且工作頻帶可以很寬，同時(shí)帶內(nèi)平坦度好，缺點(diǎn)是主線插損大，一般適合用于中小功率耦合器，另外安裝和調(diào)試不方便，當(dāng)大功率工作時(shí)由于耦合電阻要耗散較大功率，使得耦合器體積較大。

　　帶狀線耦合的原理如圖4所示，其耦合度可以做得較小，相應(yīng)的插損也較小，適合通過大功率。電磁波奇模和偶模相速相等與否對(duì)耦合的方向性有影響，帶狀線的介質(zhì)均勻，在帶狀線上奇模和偶模相速是相等的。帶狀線耦合在一倍頻程內(nèi)時(shí)，可采用1/4波長(zhǎng)單節(jié)線進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)良好的帶內(nèi)平坦度，當(dāng)工作帶寬較寬時(shí)如（20~520）MHz時(shí)，理論上持續(xù)增加1/4波長(zhǎng)的單節(jié)線數(shù)量可以提高帶內(nèi)平坦度，但此時(shí)耦合器的尺寸較大并且主線衰減增加，并不適合工程使用。采用遠(yuǎn)離耦合線中心頻率的下邊帶耦合進(jìn)行射頻信號(hào)的耦合取樣，這種帶狀線耦合方式可以提高耦合的方向性和實(shí)現(xiàn)電路小型化。

　　當(dāng)耦合器的主線輸入端阻抗匹配時(shí)，帶狀線特性阻抗等于奇模阻抗和偶模阻抗的幾何平均值時(shí)，理論上方向性可以做到無窮大。當(dāng)工作頻率遠(yuǎn)低于耦合帶線（圖4中長(zhǎng)度L）的中心頻率時(shí)，其耦合度是工作頻率的函數(shù)，工作頻率每上升一倍頻程，耦合度就上升6dB，耦合特性的趨勢(shì)如圖10所示，然后外接以每倍頻程6dB下降的射頻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與之相匹配，使得輸出的耦合信號(hào)大小在整個(gè)工作頻段內(nèi)一致，帶狀線短耦合的設(shè)計(jì)思想即基于此理論。

　　3 射頻均衡網(wǎng)絡(luò)

　　在V/UHF頻段如果頻率高端是低端10倍之內(nèi)時(shí)，射頻均衡網(wǎng)絡(luò)可以采用圖5的電路進(jìn)行耦合信號(hào)的補(bǔ)償。圖5是橋T均衡網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的器件參數(shù)后，通過該網(wǎng)絡(luò)的射頻信號(hào)，在輸出端是以每倍頻程6 dB下降的 ^[8] 。

　　當(dāng)工作頻率帶寬大于10倍時(shí)，器件的寄生參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)有影響，耦合帶內(nèi)波動(dòng)起伏較大，需要尋找更合適的電路對(duì)該耦合信號(hào)進(jìn)行均衡匹配。

　　圖6所示的寬帶射頻均衡網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，虛線左邊是濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，虛線中間是陷波匹配網(wǎng)絡(luò)，虛線右邊的衰減器有兩個(gè)作用，一是可降低耦合端口駐波，二是方便輸出耦合度的調(diào)試。工作帶寬頻率高低相差可達(dá)幾十倍，采用該電路時(shí)，其內(nèi)部可調(diào)器件較多，電感和電容的寄生參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)影響不大。

　　4 設(shè)計(jì)與仿真

　　圖7耦合器電路由圖4帶狀線耦合電路和圖6射頻均衡網(wǎng)絡(luò)電路這兩部分組成。

　　帶狀線耦合的主線衰減如圖8所示，可知插入損耗較低。主線端口反射如圖9所示，可見端口阻抗匹配度好。均衡前正向耦合度如圖10所示，由圖中可以看出其工作頻率2f ₀ 處的耦合度比f ₀ 處的耦合度高6 dB，即耦合度以每倍頻程6 dB上升。經(jīng)過射頻均衡網(wǎng)絡(luò)后正向耦合度如圖11所示，可知其耦合帶內(nèi)平坦度≤±0.1 dB，方向性如圖12所示。

　　在耦合器制作過程中，要特別注意均衡網(wǎng)絡(luò)中電感的寄生電容和電容的寄生電感這兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)均衡網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù)有影響，最終反映在對(duì)耦合平坦度的影響。使用該技術(shù)設(shè)計(jì)的大功率耦合器的輸出耦合度較?。?57 dB），空間屏蔽是否進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)方向性影響較大，要特別注意耦合器主線上的射頻大信號(hào)通過空間輻射感應(yīng)到耦合輸出端上。

　　5 結(jié)論

　　對(duì)兩種射頻均衡網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行了優(yōu)劣分析，為了達(dá)到較好的工作帶寬和優(yōu)秀的耦合帶內(nèi)平坦度，均衡網(wǎng)絡(luò)引入的額外插損大小以及工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度是判斷該電路優(yōu)劣與否的主要評(píng)價(jià)因素。通過濾波、陷波和衰減三者組合的處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合帶內(nèi)平坦度的優(yōu)化，其優(yōu)化程度與濾波電路和陷波電路的階數(shù)和復(fù)雜度均有關(guān)，其中電路中的電感和電容對(duì)耦合帶內(nèi)平坦度的貢獻(xiàn)大于電阻。選擇合適的RLC參數(shù)值可有效提高帶內(nèi)平坦度指標(biāo)。下一步研究方向是電路中無源器件階數(shù)對(duì)帶內(nèi)平坦度的影響分析，同時(shí)尋找更易于調(diào)試的電路拓?fù)?，?yōu)化濾波網(wǎng)絡(luò)和陷波網(wǎng)絡(luò)中電感和電容參數(shù)以便于調(diào)試。

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　　作者簡(jiǎn)介：盛勝君 男，(1974-),本科，高級(jí)工程師。主要研究方向：射頻功率放大技術(shù)。

　　劉榮輝 男，(1979-),本科，高級(jí)工程師。主要研究方向：射頻功率放大技術(shù)。

　　葛 偉 男，(1983-),本科，高級(jí)工程師。主要研究方向：大功率射頻濾波及開關(guān)技術(shù)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第50頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。