1、引言
在現(xiàn)代無(wú)線通信中，經(jīng)常將多部電臺(tái)安裝在同一地點(diǎn)，并要求多部電臺(tái)滿足同時(shí)跳頻模式。為了解決復(fù)雜電磁兼容問(wèn)題，本文給出如圖1所示的新型梳妝濾波放大合路器方案。這種方案極大的減少了過(guò)去合路器插入損耗大，功放的線性度和效率之間的矛盾等問(wèn)題，是較先進(jìn)的合路器方案，但需要合路器和收發(fā)信機(jī)一起設(shè)計(jì)，比較復(fù)雜。對(duì)于這種跳頻通信需要的合路器，前級(jí)兩組定頻多工器可采用經(jīng)典的方法設(shè)計(jì)[1]或用其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文主要研究位于后級(jí)的30-88MHz跳頻合路器的設(shè)計(jì)方法，主要采用了90°定向耦合器多工器方案。

圖1 新型合路器方案

2 、90°定向耦合器設(shè)計(jì)

由于需要工作的頻帶是30-88MHz，帶寬很寬，所以選用多節(jié)對(duì)稱耦合傳輸線來(lái)設(shè)計(jì)。選用最平坦設(shè)計(jì)，端口特性阻抗為50歐姆，根據(jù)經(jīng)典設(shè)計(jì)方法[1-2]，查表[2]可得3階對(duì)稱傳輸線的歸一化的偶模阻抗如表1所示，從而可以計(jì)算相應(yīng)的奇偶模阻抗值。

表1 定向耦合器阻抗值

30-88MHz的頻率低，中心頻率四分之一波長(zhǎng)尺寸很大，這里可以選擇的線型較多，其中寬邊耦合帶狀線相比而言顯得更能夠滿足小型化的要求。這里線型選擇為寬邊耦合帶狀線如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)，具有體積小、功率容量大、損耗小、分配（合成）端口平衡性能優(yōu)等特點(diǎn)。使用上文得到阻抗，運(yùn)用HP公司的EESOF微波軟件[3]可以很好的綜合出實(shí)際的尺寸。

圖2 寬邊耦合帶狀線結(jié)構(gòu)

本文選用介電常數(shù)為2.65，厚度為2.75mm，中間介質(zhì)厚度為0.15mm的板材進(jìn)行仿真，綜合尺寸如下：

第一節(jié)線：width1=width2=2mm, offset1=2.32mm, length1=235.7mm

第二節(jié)線：width1=width2=0.74mm, offset2=0.12mm, length2=539mm

把上述參數(shù)代入AWR中進(jìn)行電路仿真，并進(jìn)行優(yōu)化得到較好的值。然后在HFSS中建立模型，進(jìn)行全波仿真。選用粗糙度為1.7um的銅進(jìn)行仿真，結(jié)構(gòu)如圖3所示，物理尺寸小于10cm×10cm，仿真結(jié)果如圖4所示，該定向耦合器各個(gè)端口駐波均小于1.22，隔離大于21dB,幅度的平坦度為 0.95，相位平坦度為 5°，插入損耗小于0.35db，是比較好的仿真結(jié)果。

圖3 電橋仿真模型

(a)

(b)

(c)

(d)

圖4 0°定向耦合器仿真結(jié)果(a)耦合度 (b)隔離度 (c)各端口駐波比 (d)相位差

3 、合路器仿真

本文采用如圖5所示的定向耦合器[1,2,4,5]多工器方案設(shè)計(jì)30-88MHz合路器。

圖5 90°定向耦合器多工器原理圖

在本方案中，每個(gè)通道有兩個(gè)完全相同的濾波器和兩個(gè)完全相同的90°定向耦合器。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是90°定向耦合器的方向性，這使得濾波器之間的相互干擾最小化。因此，90°定向耦合器多工器適合模塊化設(shè)計(jì)，它允許靈活增加新的通道，新的通道對(duì)原來(lái)的多工器沒(méi)有任何影響，這個(gè)特點(diǎn)在一些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是需要的。另外一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是每次只有一半的功率通過(guò)濾波，這給在一些高功率多工器設(shè)計(jì)中的濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。但是，這種方案每個(gè)通道需要兩個(gè)濾波器和兩個(gè)90°定向耦合器，它的體積會(huì)很大。此外，在每個(gè)通道，信號(hào)經(jīng)過(guò)的兩條路徑的相位的偏差要小，這樣才能使得兩個(gè)信號(hào)在輸出端無(wú)失真的疊加，這就對(duì)多工器的加工精度提出了較高的要求，調(diào)試的時(shí)候也比較困難。另外，對(duì)于這種級(jí)聯(lián)形式方案，末級(jí)通道的插入損耗較大。

使用90°定向耦合器方案來(lái)設(shè)計(jì)本例的跳頻合路器[6-9]，如圖6所示，這里的濾波器為實(shí)測(cè)電調(diào)濾波器的s2p數(shù)據(jù)，定向耦合器為HFSS仿真的s4p數(shù)據(jù)，這里沒(méi)有考慮連接電纜的影響。因?yàn)閷?shí)際中連接電纜很短，多為鋼性電纜，電纜的插入損耗很小，一致性也很高，所以在這里忽略其影響來(lái)仿真是可行的。

圖6 跳頻合路器仿真圖

仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可見(jiàn)在30-88MHz頻段內(nèi)插入損耗小于3，駐波小于2，仿真結(jié)果較好。其中實(shí)線為插入損耗設(shè)為0.2的理想定向耦合器仿真結(jié)果，虛線為HFSS仿真的定向耦合器的仿真結(jié)果。可見(jiàn)HFSS仿真模型和理想模型差距較為接近。

下面進(jìn)行多種組合，查看反射和傳輸特性，最惡劣情況如圖8，9所示。可見(jiàn)由于是串聯(lián)形式方案，第四路如果處于高端的話，插入損耗在變得較大為-3.5dB，因?yàn)橐环矫骐娬{(diào)濾波器在高端由于諧振腔間的耦合不合適，本身插入損耗較大，另一方面第四路經(jīng)過(guò)多個(gè)定向耦合器，插人損耗積累，使得性能逐漸惡劣。所以定向耦合器的插入損耗是制約級(jí)聯(lián)方式合路器的重要因素之一。

圖7 理想與仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 傳輸特性仿真結(jié)果

圖9 反射特性仿真結(jié)果

4 、結(jié)論

本文首先給出了解決集群通信系統(tǒng)中電磁兼容問(wèn)題的一種新型合路器方案。接著詳細(xì)介紹了針對(duì)該方案的后級(jí)跳頻合路器的設(shè)計(jì)方法，主要包括一款30-88MHz 的90°定向耦合器的設(shè)計(jì)和合路器仿真。通過(guò)HFSS仿真，本文設(shè)計(jì)的90°定向耦合器各個(gè)端口駐波均小于1.22，隔離度大于21dB，幅度的平坦度為 0.95，相位平坦度為 5°，插入損耗小于0.35db，體積僅為10cm×10cm，性能較好。通過(guò)采用90°定向耦合器多工器方案，本文將實(shí)測(cè)電調(diào)濾波器的數(shù)據(jù)代入微波軟件，仿真了合路器性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但由于串聯(lián)形式方案本身的缺陷，插入損耗是制約合路器的重要因素。