大功率短波宽带天线收发开关

周 浩 方 繁 文必洋

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072）

大功率短波宽带天线收发开关

周 浩 方 繁 文必洋

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072）

为了实现天线收发共用，设计了一种大功率短波宽带收发开关，它主要用于高频雷达和大功率短波通信系统.从提高隔离度的角度提出了以对称式双PIN二极管为核心的开关电路，为了减少收发开关的转换时间、降低功耗和提高其稳定性，提出了单极性脉冲电路作为开关电路的控制脉冲电路，同时提出了接收机和发射机保护电路.在便携式高频地波雷达系统中，单极子／交叉环天线通过大功率短波收发开关实现了一发三收收发共用，简化了便携式高频地波雷达的天线系统，减少了天线的占地面积，同时降低了天线架设的难度，本系统硬件电路简洁，功耗低，工作稳定、可靠.

高频地波雷达；短波收发开关；调频中断连续波；对称式双PIN二极管；单极性脉冲

引 言

高频地波雷达工作在短波段，利用垂直极化波，在高导电性的海水表面绕射传播［1］，能够探测到视距以外的海上移动船舰、低空飞行目标以及大面积的海洋动力学状态参数［2－5］.用于探测海洋表面动力要素的中、远程高频地波雷达一般采用相控阵天线［6］或单极子／交叉环天线［7－8］.相控阵天线的天线口径很大，可能达到数百米至数千米，在海边寻找可以提供建设这种雷达站的地带绝非易事［9］，收发共用可大幅降低场地要求和建设成本；在便携式高频地波雷达［10］中，将紧凑型单极子／交叉环接收天线中的单极子同时用作发射天线，则可以进一步提高雷达的便携性和机动性，十分利于其在海洋探测领域的广泛应用.近年来也出现过收发开关的研制，主要用于微波雷达和微波通信且功率小，如TR组件［11－15］.适用于短波段的大功率收发开关的研究比较少.例如宽带通过式大功率收发开关［16］，该收发开关应用于通信对抗中系统中的跳频干扰设备，比较好地解决了跳频干扰设备中收发共用的难题，但其收发开关的转换时间较长约为40μs；又如高频地波雷达OSMAR2000收发开关［9］，电路简洁，但其门控脉冲电路采用三极管组成的双极性脉冲电路，结构比较复杂，在长时间工作时不稳定且容易烧毁，并且由于开关电路采用单PIN二极管结构隔离度只能达到81dB左右.因此它们的主要缺陷为：硬件系统不稳定、不能长时间工作，系统比较复杂，收发开关的转换时间较长，由收发开关引入接收机的噪声功率较大，功率损耗也较大.

针对上述问题，设计并制作了一种高频雷达大功率短波宽带收发开关，在便携式高频地波雷达中将一根单极子／交叉环天线中的单极子作为收发共用通道，使其中的交叉环作为两个接收通道，一根单极子／交叉环天线依靠大功率短波宽带收发开关实现一发三收收发共用，因此在便携式高频地波雷达系统中，只需要一根单极子／交叉环天线作为天线系统，使便携式高频地波雷达系统变得更为简单，也使天线的架设变得更加容易；本系统采用新的硬件系统，解决高频地波雷达宽带收发开关不能长时间稳定工作的难题，并且收发开关开通和关断的延时更短，提出了保护电路的思想，单极性脉冲电路采用超快速绝缘栅双极型晶体（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）管，根据小电压控制大电压的原理，设计出了能稳定快速工作的开关脉冲生成电路，整个系统稳定、可靠，能长时间工作，能承受的发射功率更高，达到500W，隔离度更大达到95dB，收发开关的转换时间更短，达到1.5μs以下，插入损耗和传输损耗更小，且引入接收机的噪声功率较小，功率损耗也较小.

1 对称式双PIN二极管电路

1.1 PIN二极管开关电路的隔离度和插入损耗

隔离度ISO是PIN二极管开关的关断有效性的量度，由开关接通时在开关输出端测得的功率（Pout）on与开关断开时在开关输出端测得的功率（Pout）off之比确定［9］，用分贝表示为

插入损耗IL是通过PIN二极管开关电路结构的传输损耗，即开关输入端的功率Pin与开关开通时在开关输出端测得的功率（Pout）on之比确定，用分贝表示为

在具体的PIN二极管开关电路中，隔离度主要由PIN二极管的反偏电容Ct决定，反偏电容Ct越小隔离度越大；插入损耗主要由PIN二极管的正偏电阻Rs决定，正偏电阻Rs越小插入损耗越小.在单PIN二极管结构的开关电路中，如图1所示，隔离度和插入损耗的表达式为

式中，Z0为传输线的特性阻抗，且与负载阻抗相匹配.

1.2 对称式双PIN二极管结构的开关电路

现有的短波段和微波段的收发开关主要采用单PIN二极管结构的开关电路，如图1所示，这种开关电路的结构比较简单，插入损耗也比较小，但也有其自身固有的缺陷，如隔离度不大，控制PIN偏置极性的脉冲电压VCC1也会对主电路充电而导致控制脉冲的上升沿不陡峭，进而影响开关的转换时间，并且较高的控制脉冲电压会使开关电路的稳定性变差，由控制脉冲经开关电路引入接收机的噪声功率也较大，降低了回波信号的信噪比，严重时会淹没回波信号.

为了提高开关电路的隔离度、降低由控制脉冲经开关电路引入接收机的噪声功率进而提高回波信号的信噪比、避免控制脉冲对开关主电路充电从而减少开关的转换时间、削弱控制脉冲对开关主电路的影响从而提高其稳定度，本文在单PIN二极管结构的开关电路的基础上提出了对称式双PIN二极管结构的开关电路，对称式双PIN二极管开关电路的隔离度更大，为单PIN二极管开关电路的两倍，并且能有效地解决单极性脉冲电路的输出脉冲对主开关电路进行充电而使脉冲边沿延时增大的问题，从而明显地提高了开关的速度，也有效地提高了开关电路的稳定性，降低了由控制脉冲经开关电路引入接收机的噪声功率.对称式双PIN二极管开关电路如图2所示.大功率短波宽带收发开关的开关电路采用对称式双PIN二极管结构的开关电路，其在发射支路采用一个对称式双PIN二极管的开关电路，在接收支路采用一个对称式双PIN二极管的开关电路和一个单PIN二极管的开关电路.

经推导可得对称式双PIN二极管开关电路的隔离度ISO和插入损耗IL如下.

2 大功率短波宽带收发开关

2.1 大功率短波宽带收发开关系统的结构及功能

大功率短波宽带收发开关主要包括开关电路、保护电路、单极性脉冲电路三个部分，开关电路分为两个部分：发射机到天线的发射电路；天线到接收机的接收电路，保护电路为防雷电保护和过流保护，单极性脉冲电路为收发共用提供门控大脉冲，系统的整体框图如图3所示.

单极性脉冲电路输出三路门控大脉冲，即发射控制脉冲TP，压地波脉冲TB1，接收控制脉冲TB2：在发射期，TP为0V，TB1为240V，TB2为24V，此时发射电路开通，接收电路关断，收发开关快速可靠地使天线与发射机接通而与接收机断开；在接收期，TP为24V，TB1为0V，TB2为0V，此时发射电路断开，接收电路开通，收发开关快速可靠地使天线与接收机接通而与发射机断开.雷达工作时，大功率短波宽带收发开关能快速、稳定、可靠地在发射期与接收期之间切换.

2.2 大功率短波宽带收发开关的开关电路

开关电路由发射机到天线的发射电路和天线到接收机的接收电路两部分组成，如图4所示.

在开关电路中，两个PIN管组成对称式双PIN二极管结构，其两端为稳定的12V直流电压，中间为单极性脉冲电路提供的单极性脉冲电压，这种电路结构不仅提高了隔离度，而且有效地抑制了脉冲电压对电路充电和放电，使控制脉冲的前后边沿更陡峭，从而明显地提高了开关速度，并且较大的正负偏压进一步提高了开关的速度.

在发射期：由图5（a）所示单极性脉冲电路产生的TP为0V，TB1为240V，TB2为24V，此时，D11和D12均正偏，呈现电阻特性，大功率发射信号以很小的插入损耗进入天线；D21和D22均反偏，呈现电容特性，由于反偏电压很大（228V），容值很小约为0.62pF，因此对高频信号呈现一个很大的阻抗，从而使大功率发射信号在接收支路被阻隔，保护了接收机；D3反偏，D4、D5、D6、D7均正偏，它们对进入到接收支路的发射信号进一步衰减，发射支路的插入损耗达到0.5dB以下，整个接收支路对发射信号的隔离度达到95dB，从而使发射信号以很小的损耗进入天线.在接收期，由图5（a）所示单极性脉冲电路产生的TP为12V，TB1为0V，TB2为0V，此时，D11和D12均反偏，呈现电容特性，容值很小，约为2pF，对由天线接收的回波信号呈现一个较大的阻抗，从而使小功率回波信号在发射支路被阻断；D21、D22、D3均正偏，呈现电阻特性，正偏电流均为60mA，阻值约为0.7Ω，从而使小功率回波信号以很小的传输损耗经接收支路进入接收机；D4、D5、D6、D7均反偏，呈现电容特性，容值很小约为2pF，对有用的小功率回波信号呈现一个较大的阻抗，从而使回波信号不会被衰减，整个接收支路对回波信号的衰减达到0.5dB以下.

系统的隔离度主要由开关电路决定，实验中发射机输出信号的功率为200W（53dBm），在发射电路开通且接收电路关断时通过频谱仪测得的接收机端信号功率为－42.8dBm.由公式（1）得开关电路的隔离度为95.8dB.

系统对回波信号的衰减主要由开关电路中的接收电路决定，主要为PIN二极管的插入损耗和接收电路的传输损耗，为得到系统对回波信号的实际衰减，在天线端输入信号为－0.274 7dBm，当发射电路开通且接收电路关断时在接收机端通过频谱仪测得的信号功率为－0.840 3dBm，由于测试中同轴线会引起附加的传输损耗，整个系统对回波信号的衰减为0.56dB.

2.3 大功率短波宽带收发开关的单极性脉冲电路

单极性脉冲电路为本系统的核心，其性能直接影响了本系统的性能，它为开关电路提供门控脉冲，使大功率短波宽带收发开关在发射期和接收期交替工作，通过控制PIN二极管的偏置极性来实现.

现有的收发开关中通常采用三极管组成的双极性脉冲电路作为脉冲控制电路，其电路结构比较复杂，输出脉冲的前后边沿延时较大，影响了开关的速度，并且其电路中的极性互补三极管对的偏置点很难设定，在长时间工作时不稳定，容易烧毁，特别是对于高压脉冲表现得更为突出.由于控制脉冲只需要为开关电路提供偏置电压，对电流的要求不高，因此本系统从控制脉冲的电压角度出发，设计出了一种单极性脉冲电路，利用小的脉冲电压控制生成大的脉冲电压，再将大的脉冲电压控制开关电路的开通与关断，其主要由IGBT管组成的半桥电路，半桥输出的脉冲为低电压和高电压时均没有电流流过IGBT管和功耗器件，大大降低了系统的功耗，且没有电阻接入，因此没有充放电回路，使得输出脉冲的前后沿均很陡峭，提高了开关的速度，它不仅实现了双极性电路的所有功能，而且其电路更加稳定、可靠，功耗更低，速度更快，其电路图如图5（a）所示.

单极性脉冲电路的输入和输出脉冲电压时序图如图5（b）所示，其中发射控制脉冲TPIN和压地波控制脉冲TBIN为同相同周期，由于实际中单极性脉冲电路的输出脉冲TB的前后沿有延时，进而会引起开关电路的接收电路关断和开通均有延时，因此为了保护接收机，通常使接收支路在发射期提前关断，在接收期延后接收，即TBIN的前沿较TPIN提前Δt1，后沿较TPIN滞后Δt2，Δt1和Δt2根据生成脉冲的边沿而定，由于TB的前后沿延时均很小，由Δt2引起的距离盲区很小，远小于高频地波雷达的实际近距离盲区.

发射控制脉冲TPIN经施密特触发反相器整形后输出边沿陡峭的TPOUTH和TPOUTL两路控制脉冲，同样，压地波控制脉冲TBIN经施密特触发反相器后输出边沿陡峭的TBOUTH和TBOUTL两路控制脉冲，经过整形后，所输出的四路控制脉冲的前后沿均达到了1.2μs以下，整形效果较好.

单极性脉冲电路输出三路脉冲电压，TP为0V和24V，TB1为0V和240V，TB2为0V和24V，三路脉冲的前后边沿均很陡峭达到1.5μs以下.

单极性脉冲电路的供电电源为具有高稳定度的线性电源，如果电源的稳定度不高，则由电源产生的噪声会淹没弱的回波信号进而影响实验结果.

2.4 大功率短波宽带收发开关的保护电路

系统从保护雷达发射机和接收机的角度提出了防雷电保护和过流保护，防雷电保护设计为单向电路，从发射机输出的大功率信号能顺利送到天线，正常情况下，天线接收到的回波信号功率很小，但当天线受到雷击时，从天线回来大电流会使防雷电保护电路断开而保护发射机和接收机，使雷击的代价更小；接收电路中的保护电路为过流保护，正常情况下，接收电路通过的都是很弱的回波信号，但当开关电路不正常或从天线回来的信号不正常时，保护电路会因电流大于所设定的电流值而断开，从而保护了接收机不受损坏.

3 雷达实测结果

便携式高频地波雷达的天线为单极子／交叉环天线，本系统使一根单极子／交叉环天线中的单极子作为收发共用通道，使其中的交叉环作为两个接收通道，一根单极子／交叉环天线依靠收发开关实现一发三收收发共用：发射期，收发开关快速可靠地使天线与发射机接通而与接收机断开；在接收期，收发开关快速可靠地使天线与接收机接通而与发射机断开.

现场实验的效果很好，当发射机输出峰值功率为200W的发射信号时，大功率短波宽带收发开关能长时间稳定、可靠地工作，雷达的发射机和接收机均工作正常，收到的5km处的回波信号信噪比为30dB到40dB，大功率短波宽带收发开关很好地实现了便携式高频地波雷达收发共站和其天线收发共用的功能.图6（a）为现场实验得到的二维距离多普勒谱图；图6（b）为现场实验得到的多普勒谱图.从图中可以看出，本系统效果较好，第1距离元的一阶峰信号的信噪比为达到40dB，能比较好地提取海流等海态参数信息.

4 结 论

大功率短波宽带收发开关使一根天线收发共用，很大程度上缩减了天线的占地面积，同时降低了天线的架设难度，也在一定程度上保护了短波系统的接收机不受损坏，开关电路的隔离度和插入损耗均达到了较高的指标，能工作在较宽的频带内，脉冲电路输出的脉冲前后沿均很陡峭，收发开关能快速地关断和开通，且脉冲电路的功耗较低，能长时间稳定工作，整个大功率短波宽带收发开关在现场实验中有较好的表现，很好地实现了其功能.

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High power HF wideband antenna T／R switch

ZHOU Hao FANG Fan WEN Biyang
（School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

In order to realize an antenna for transmitting and receiving sharing，developing a high-power HF wideband T／R switch，it is mainly used for high frequency radar and high power HF communication system.Putting forward the switch circuit which taking the symmetric PIN diodes as the core from the view of improving the isolation，in order to reduce the switching time of switch，reduce power consumption and improve its stability，putting forward taking the unipolar pulse circuit as control pulse circuit of switch circuit，at the same time，putting forward the protection circuit of the receiver and transmitter.In the portable high frequency surface wave radar system，the crossedloop／monopole antenna realize transmitting and receiving sharing through the high-power HF wideband T／R switch，simplifying the antenna system of portable high frequency surface wave radar，reducing the antenna area，also reducing the difficulty of erecting the antenna，This system has the characteristics of simple hardware circuit，low power consumption，stabilization and reliability.

HFSWR；HF T／R switch；FMICW；symmetrical double PIN diodes；unipolar pulse

TN958.93

A

1005-0388（2015）01-0121-07

周 浩 （1978－），男，湖北人，武汉大学电子信息学院副教授，博士.主要研究方向为自适应信号处理、阵列信号处理以及海洋环境监测技术.

方 繁 （1990－），男，湖北人，硕士，主要研究方向为高频地波雷达系统设计、阵列信号处理、现代电路设计。

文必洋 （1963－），男，湖北人，武汉大学电子信息学院教授，博士，博士研究生导师.研究方向为高频地波雷达海洋环境监测技术、目标检测与跟踪、自适应信号处理阵列信号处理等.

周 浩，方 繁，文必洋.大功率短波宽带天线收发开关［J］.电波科学学报，2015，30（1）：121-127.

10.13443／j.cjors.2014031401

ZHOU Hao，FANG Fan，WEN Biyang.High power HF wideband antenna T／R switch［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：121-127.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014031401

2014-03-14

国家重大科学仪器专项（2013YQ160793）；国家自然科学基金（61371198）联系人：方繁E-mail：fangfan＠whu.edu.cn