一种基于正交处理提高耦合器方向性的方法

盛胜君，王姜铂

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033)

一种基于正交处理提高耦合器方向性的方法

盛胜君，王姜铂

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033)

在射频宽带发射机系统中，需要对驻波进行实时检测。因为耦合器的方向性有限，单个取样信号(正向耦合信号和反向耦合信号)都包括正向功率的耦合信息和反向功率的耦合信息，这造成了驻波检测的误差。针对这一问题，提出了一种基于对耦合信号进行正交处理的检测方法，降低正反向功率随频点对耦合信号的干扰，可有效地提高宽带耦合器的检测精度。

反向耦合；分配器；移相网路；相位正交

0 引言

定向耦合器是射频微波系统中重要的无源器件[1]，在电子战、雷达工业的应用中迅速增长，耦合技术获得了极大的发展[2]。负载驻波状况是评估发射系统工作状态的重要依据。通过对负载驻波状况进行检测,实现对发射机输出功率的控制。目前常用的驻波检测方法是用定向耦合器的耦合端取样正向信号，隔离端取样反向信号，然后利用耦合到的正向信号和反向信号来计算驻波比、反射系数等参数。

在射频输入端加匹配网络可达到改善耦合端性能，达到宽带特性[3]，但改善幅度有限[4]。在定向耦合器设计之初采用计算机综合设计可提高耦合器各项指标[5]。当设计加工完成后，此时耦合器的方向性已确定，对于宽带耦合器接失配负载下检测精度下降较多的情况无能为力。为了对射频输出功率进行精确检测和控制，有必要研究如何降低正、反向功率对耦合信号的干扰，使得干扰对频率点不敏感，提高宽带耦合器在失配负载下的检测精度。

对耦合信号先进行同向分配，再进行移相处理，通过正交处理降低反向信号与前向信号的相位差对耦合信号的影响，达到了提高耦合器方向性的目的。

1 提高反相检测精度的方法

在目前宽带发射系统控制技术中，通常采用如图1 所示的方式[6]。

图1 常规宽带发射系统功率检测控制

双定向耦合器可以对射频通道上的正向信号或反向信号进行耦合。定向耦合器包括耦合端和隔离端这2个输出端口，耦合端用于耦合正向信号，隔离端用于耦合反向信号[7]。

正向信号耦合到耦合端的信号幅度为A，相位为θ0，φ为耦合的反向信号与正向信号的相位差。假设耦合器方向参数为D，反射系数为Γ，则正向耦合度的电平为：

(1)

一般耦合器方向性约为20 dB，即D为10左右，式(1)右边第2项可以忽略，第3项值较大，而且与Γ和φ有关，造成了检测值V的不确定性。同理，反向耦合端的电平为：

(2)

从式(2)可以看出，反向耦合端检测的信号不能准确表达反向信号的大小，受正向信号以及反向信号的相位差φ的影响较大[8]。

正交电桥法可以提高对反向信号大小的检测精度，其中的一种改进方法[9]如图2所示。

图2 采用正交电桥的检测方法原理

耦合器1反向耦合端信号的功率检波电平为:

(3)

耦合器2反向耦合端信号的功率检波电平为:

(4)

2路相加：

(5)

式(5)已消除式(2)的第3项，而第2项的值约为第1项的1%，可以忽略。因此式(5)比式(2)更准确表征反向信号的大小。

在实际的工程使用中该方法存在以下缺点：

① 使用双耦合器时，必须保证A/B两路的相移、耦合度和隔离度等参数要精准一致，在科研生产中对耦合器的要求太高，不适合批量生产；

② 引入的2个3 dB正交耦合器及电缆等无疑增加了功率损耗及电路的空间和重量，同时增加了电路复杂度，降低了可靠性。为了提高反向功率的检测精度而引入的插损较大，不适合在大功率射频工程中应用。

2 改进的宽带正交处理方法

对需要处理的信号进行多路正交处理后，再进行数字化处理可提升抗干扰能力并提高检测精度[10]。改进方法如图3所示。其特点在于电路只有一个耦合器，插入损耗低，特别适合大功率通过，通过对耦合信号正交处理而达到较高的反向耦合检测精度。增加的功率分配器和移相网络用于处理耦合小信号，对主通道的射频大功率插损指标无影响。

图3 提高功率检测方向性的方法2原理

假设图3中的耦合器方向性为20 dB(D=10)，其中θ2-θ1=90°，θ4-θ3=90°。其中θ4和θ2之间需存在一定的相位差φ，最佳值与相位差的变化率有关[11]。

按图3的电路进行处理后，其正向耦合信号的大小为：

(6)

式中，消除因子K=f(φ)，是相位差φ的函数，取值范围0～1之间，其大小由正交处理算法及精度决定。第2项和第3项的值都小于第1项值的1/D2，当D=10时最大电压变化率为2%，功率波动幅度在0.2 dB之内。

同理，按图3的电路进行处理后，其反向耦合信号的大小为：

(7)

当D=10时,其第3项值不到式(2)的1/20，反向信号的检测精度明显得到提高。图3中的宽带准正交移相网络的原理电路如图4所示。该电路可实现A′和B′两路信号在宽频率(2倍频程以上)范围内的相位正交。合理选择电路参数可实现85°～95°范围内的移相。

图4 宽带准正交移相网络的原理电路

3 设计实例

宽带正交处理方法对宽带耦合器的方向性改善效果明显，在实际工程中已得到验证。使用的耦合器工作频率为100 MHz～500 Hz，初始方向性为62.9 dB-40 dB=21.9 dB，按图3和图4的方法对耦合器信号进行数字化处理，实测结果如图5所示。由图5可知，方向性68.6 dB-40 dB=28.6 dB，提高了6.7 dB。

图5 正交处理前后的方向性对比

在耦合器输出端接驻波为2.5的失配负载，耦合信号未处理前的正向耦合度和处理后的正向耦合度实测结果如图6所示。其带内波动由2.6 dB降到0.5 dB，消除了在大驻波情况下正、反向耦合信号在不同频点相差较大的情况，提高了检测精度。

图6 正交处理前后的耦合平坦度(驻波2.5)

4 结束语

对几种可以改善耦合器方向性的方法进行了分析，引入的额外插损大小以及工程实现的复杂度是判断方法优劣与否的主要评价因素。正交处理法对耦合器方向性改善程度与4路同向功率分配器相位和幅度的一致性、移相网络精度以及正交算法都有关，其中正交处理电路的算法影响因素最大。正反向耦合信号的检测精度与式(6)和式(7)中的消除因子K相关，K越小检测精度越高。下一步的研究方向是优化算法减小消除因子K，采用欠采样等技术[12]提高处理速度，实现在工作频率点快速变化时对耦合信号的快速、精确检测。

[1] 郑 新，赵玉洁，刘永宁，等.微波固态电路分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2006：11-12.

[2] 方舜宇，朱守正.一种新型微波大功率双定性耦合器的设计[J].真空电子技术，2013(5)：37-40.

[3] KRIKINDIS I,THOMPSON J,MCLAUGHLIN S，et al.Amplify and Forward with Partial Relay-selection[J].IEEE Communication Letters,2008,12(4):236-237.

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[6] 王 卓.微波固态功率系统控保电路的研究与设计[J].现代电子技术，2006，225(10)：111-112.

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[11] 高 义,高元锋.基于相位差变化率的无源定位技术研究[J].无线电工程,2013,43(1):52-55.

[12] 张华娣.一种欠采样实时测频技术研究[J].通信对抗，2011，113(1)：10-13.

盛胜君 男，(1974—),高级工程师。主要研究方向：射频功率放大技术。

王姜铂 男，(1981—),硕士，高级工程师。主要研究方向：控制及干扰抵消技术。

A Method of Improving Coupler Directivity Based on Orthogonal Processing

SHENG Sheng-jun,WANG Jiang-bo

(The36thResearchInstituteofCETC,JiaxingZhejiang314033,China)

It’s necessary to detect the standing wave in the wideband RF transmitter system in real time.Because of the direction limit of the coupler,the single sampling signal (positive coupling signal,reverse coupling signal) covers the coupling information on both positive power and reflected power,it will cause the detection error of the standing wave.Aiming at this problem,the paper proposes a new method based on phase orthogonality of coupling signal.It can lower the interference of positive power and reflected power to the coupling signal,which effectively improves the direction detection accuracy of wideband coupler.

reverse coupling;divider;phase-shifting network;phase orthogonality

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.23

盛胜君,王姜铂.一种基于正交处理提高耦合器方向性的方法[J].无线电工程,2017,47(5):95-97.[SHENG Shengjun,WANG Jiangbo.A Method of Improving Coupler Directivity Based on Orthogonal Processing[J].Radio Engineering,2017,47(5):95-97.]

2017-02-27

TN911.23

A

1003-3106(2017)05-0095-03