全可调折线式超短波多路耦合器设计*

李贤明 孙 刚 钟熙宇

（中国船舶集团有限公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

多路耦合器可以使多个收发设备同时共用一副天线，能大大减少系统的天线数量，降低通信设备的成本，提高通信系统的电磁兼容性能。随着现代无线通信技术的飞速发展，在限定的空间（如舰船、飞机和通信塔顶）内，需要放置越来越多不同用途的通信设备，这样就不可避免要在同一地点有多台收发设备同时工作，多路耦合技术由此应运而生。

传统的超短波多路耦合器设计方案有并联星点式方案和折线式方案，并联星点式方案的特点是结构简单可靠，缺点是通道数量受到滤波器失谐时残存电纳的影响，通道数量越多指标越差；同时滤波器连接到公共端的电缆长度也是制约设计的关键因素，特别是对于宽带宽调的系统设计，由于宽带匹配网络需要对全频段进行匹配，而同轴传输线的线长对匹配效果影响巨大［2］。折线式方案结构简单，插入损耗小，可以实现超多信道的合路，比较适合通道相邻通带固定多工器的设计，但对于可调滤波通道，固定通道与可调窄带通道合路等复杂应用情况，其设计和调试复杂程度将显著提高，对频率设置的限制较多，同时需要引入庞大的开关矩阵，使系统可靠性降低。

为了克服传统折线式多路耦合器方案滤波器必须频率从高到低依次接入短路枝节、容易产生频率碰撞、前级需要庞大的开关矩阵、与固定宽带滤波器合路困难等缺点，本文提出一种全可调折线形多路耦合方案，保证无论滤波器频率如何排布都能进行最佳匹配，与固定宽带滤波器合路容易，输入输出开关矩阵比较简单，插损和可靠性可控。

2 传统折线式超短波多路耦合器方案简介

传统折线式多路耦合器各个通道仅有一个带通滤波器，接入到主干的特殊位置，其方案框图如图1所示［3］，如果保证在通道接入点以下的电抗无穷大，则信号流向天线方向。通常情况下，主干末端短路，各个通道接入点在其四分之一波长的位置，即实现主干在接入点以下为开路。当然，各个通道带通滤波器的残余电纳会改变该理想情况，实际中要综合考虑所有滤波器的相互影响。该方案的优点是结构简单，插入损耗小；缺点是需要综合设计，其设计和调试相对复杂很多，需要同时考虑各通道滤波器的相互影响，滤波器本身或者其位置的改变都会对应一组不同的结构参数，因此该结构是一种针对性设计。随着通道数的增多，这种方法的设计和调试难度更大。

图1 传统折线式超短波多路耦合器方案框图

由于该方案中没有定向元件或隔离元件（环形器，混合电桥），所有信道的滤波器通过几乎无耗的传输线相互连接在一起。因此传统折线式设计需要全局考虑，不能只考虑单个信道。

传统折线式多路耦合器方案比较适合通道相邻通带固定多工器的设计。通过深入分析结构模型，并以全频段电路模型等效结构模型，再结合初值优选、分部优化等技术，可实现24路超多信道的合路。但由于实际工程应用中存在大量可调通道以及固定通道与可调通道合路的场景，我们往往只能将传统折线式多路耦合网络中的固定滤波器替换为大功率窄带可调腔体滤波器，然后电台通过开关矩阵选通其中一个可调腔体滤波器，合路后输出到天线。如果可调滤波器与固定宽带滤波器合路比较困难，也需要通过开关将其它枝节断开，再与固定宽带滤波器进行合路。这种方案会带来如下问题：一是可调滤波器必须频率从高到低依次接入短路枝节，意味着每个可调滤波器的有效工作频段无法覆盖全频段，导致系统对频率设置的限制增多，另外由于每个可调滤波器接到公共端的线长不等，频率最高的可调通道经过三通连接线较多，插入损耗不可控；二是任意一部电台调整到新频率点，其余所有电台必须同步调高或者同步调低相同频率差，既限制了电台频率的使用，容易产生频率碰撞，而且增加了电机控制的复杂度，系统可靠性降低；三是为了实现任意一部电台接入任意一个可调滤波通道，并实现与固定通道的合路，前级需要庞大的开关矩阵，射频开关的数量和级数较高，既不利于插损和可靠性的控制，也不利于内部空间的摆放。综上所述，利用传统的折线式方案，难以满足可调通道以及与固定通道合路的应用场景。

3 全可调折线式超短波多路耦合器方案设计

全可调折线式超短波多路耦合方案，利用多部电台分别与一个可调滤波器依次对接，每个可调滤波器覆盖200MHz～420MHz全频段，通过单刀开关选择是否接入折线式耦合网络，并且每两个滤波器之间的连线采用可调短路枝节进行大范围调节，保证无论滤波器频率如何排布都能进行最佳匹配，最后输入到公共输出端，可以与固定宽带通道再进行合路，或直接输出到天线，保证所有可调窄带滤波器的同等工作地位。其结构原理图如图2所示。

图2 全可调折线式超短波多路耦合方案框图

根据该方案构建等效电路进行仿真与初测，仿真结果如图3～5所示。由图可知，该方案在设计合路时插入损耗可以控制在较低的水平，且通道之间隔离度有保证，是一个理想的方案设计。

图3 全可调折线式多路耦合方案低端4路窄带合路仿真与初测曲线对比

图4 全可调折线式多路耦合方案高端4路窄带合路仿真与初测曲线对比

图5 全可调折线式多路耦合方案两边4路窄带合路仿真与初测曲线对比

全可调折线式超短波多路耦合方案保证了所有可调窄带滤波器的同等工作地位，使各通道频率设置变得灵活，避免了庞大的开关矩阵设计，也可与固定宽带通道如45M固定通道进行合路，对于通道数量要求较少，宽窄带合路单一的应用场景是一种比较理想的解决方案，但通过进一步仿真表明，如图6所示，对于超多路及宽窄带合路等复杂应用场景，该方案在控制插入损耗上还需进一步设计优化。

图6 全可调折线式多路耦合方案超多路/宽窄带合路仿真结果图

4 结语

传统的折线式超短波多路耦合器设计方案系统复杂，对频率设置的限制较多，固定通道与可调通道合路困难，为了克服传统折线式方案滤波器频率必须从高到低依次接入短路枝节、容易产生频率碰撞、前级需要庞大的开关矩阵、与固定宽带滤波器合路困难等问题，本文提出全可调折线式超短波多路耦合方案，利用每个可调滤波器覆盖UHF（200MHz～420MHz）全频段，保证无论滤波器频率如何排布都能进行最佳匹配，并且与固定宽带滤波器合路容易，输入输出开关矩阵比较简单，插损和可靠性都可控，是一种针对通道数量要求不是特别高的常规应用场景下的较理想合路解决方案。但是，对于超多路及宽窄带合路问题上，该方案需在控制插入损耗上做进一步优化，为满足实物调谐要求，其实用性及可靠性也有待进一步提高。