一种新型VHF跳频多工器方案探讨

2010-08-04 06:36李铁彪

通信技术 2010年9期

李铁彪

（海军驻新乡地区通信军事代表室，河南新乡 453009）

0 引言

随着现代通信技术的快速发展，通信收发设备越来越多，接收机灵敏度日益提高，从而对通道的选择性和电磁兼容环境提出了更高的要求[1]。特别在通信设备集群化、高效化的情况下，比如卫星通信，陆地通信指挥设备，大型舰艇设备等，都有各种各样的大功率、多频段、跳频、扩频等各种无线通信设备的集成和共址架设，这就给系统的电磁兼容（EMC）带来了严酷的考验[2-4]。因为系统集成后，各设备间的电磁干扰直接关系到系统集成后能否发挥各单机原有的性能，从而影响整个系统的通信质量[5]。

这些电磁干扰问题包括：①临近信号的EMI问题：交叉调制、倒易混频、发射机的底部噪声；②带外信号的 EMI问题：发射机的杂波发射、接收机的失真响应；③互调产物：结构性互调产物、发射机互调、接收机互调[6]。图1给出了VHF频段发射机在跳频模式下，传统技术解决方案（分离天线）所带来的通信距离损失的情况。可见开机数目越多，接收机通信距离越短。

图1 发射机开机数目与接收机通信距离的关系

除了共址架设的收发机电磁兼容问题，众多收发设备如果采用分离天线，有限平台集成的天线数目太多将严重影响通信质量，天线的方向图也会发生极大变化[7-8]。微波多工器是解决集群通信系统中电磁兼容问题的主要途径之一。主要研究一种 VHF频段的跳频多工器实现方案，给出具体的技术方案和验证。

1 90°定向耦合器多工方案

在过去的几十年中出现了各种微波多工器的设计方案，应用较多的有星点式结构多工方案、多头线耦合多工方案、90°定向耦合器多工方案、可调相位器多工方案、环形器多工方案和定向滤波器多工方案等，其中90°定向耦合器多工方案具有调试简单、通道间无干扰、功率容量大，击穿电压高和适宜模块化设计等优点，特别适合级联型的多路通信系统[9-10]。如图2所示为典型的90°定向耦合器多工方案原理图。每个通道有两个完全相同的滤波器和两个完全相同的90°定向耦合器。

图2 90°定向耦合器多工方案原理

该方案主要优点是90°定向耦合器的方向性，使得滤波器之间的相互干扰最小化。因此，90°定向耦合器多工器适合模块化设计，它允许灵活增加新的通道，新的通道对原来的多工器没有任何影响。另外一个重要的优点是每次只有一半的功率通过滤波，这给高功率多工器设计中的滤波器功率容量设计降低了要求。

2 90°定向耦合器设计

无线通信系统往往需要将多部电台同址安装，并要求多部电台能同时进行跳频工作。针对30～88 MHz VHF跳频合路器所需的90°定向耦合器进行设计。

由于带宽覆盖 30～88 MHz的较宽频带，所以选用多节对称耦合传输线来实现。采用最平坦设计，传输线端口特性阻抗为 50Ω，查表可得 3阶对称传输线的归一化的偶模阻抗，进而计算相应的奇偶模阻抗值，如表1所示。

表1 30～88 MHz 90°定向耦合器阻抗值

由于 30～88 MHz频率低，四分之一波长尺寸大，可选择的线型较多。宽边耦合带状线具有体积小、功率容量大、损耗小、分配（合成）端口平衡性能等特点，能够满足小型化的要求,如图3所示。选用介电常数为2.65,厚度为2.75 mm,中间介质厚度为0.15 mm的宽边耦合带状线，并采用EESOF微波软件进行仿真，综合尺寸如下：第一节线：W1=W2=2 mm,D=2.32 mm, 长度为235.7 mm；第二节线：W1=W2=0.74 mm,D=0.12 mm, 长度为539 mm。

图3 宽边耦合带状线截面

将上述参数在电路仿真基础上，进一步在 HFSS软件中建立定向耦合器结构模型进行仿真，如图4所示，仿真结果如图5和图6所示，在30～88 MHz频率范围内，定向耦合器端口1与2以及端口1与4之间耦合度大于-3.5 dB,端口1与3之间隔离度大于21 dB，四个端口驻波很好小于1.22，传输相位差为-90°，耦合度的平坦度为±0.95 dB，相位差的平坦度为±5°。