V/UHF宽带大功率低带内波动耦合器的设计

　　盛胜君，刘荣辉，葛 伟（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033）

　　摘 要：在射频宽带发射机系统中，需要对输出功率进行实时检测。当工作带宽较宽时，耦合输出的带内波动较大，会影响检测精度，严重时会影响发射机的可靠性。针对这一问题，提出了一种基于滤波和陷波原理的宽带射频均衡网络，对耦合信号进行阻抗匹配和传输补偿，提高耦合输出信号的带内平坦度，可有效提高宽带耦合器的检测精度。

　　关键词：带内波动；均衡网络；耦合器。

　　0 引 言

　　在射频宽带发射机系统中，定向耦合器是重要的无源器件 ^[1] ，特别在通信、雷达和电子战的应用中迅速增长，耦合技术获得了极大发展 ^[2] 。耦合信号的带内平坦度是关系发射系统技术指标的一项重要参数。宽带工作时,低带内波动可实现全工作带宽内对发射机输出功率的精准控制。在超短波频段大功率工作时，一般均是弱耦合，采用带状线耦合或者同轴线耦合；中小功率工作时，弱耦合一般采用电阻和变压器组合耦合，强耦合时会采用变压器耦合。

　　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 ^[3] ，在该系统中耦合器起到重要作用。双定向耦合器包括两个耦合输出端口，分别是正向耦合端和反向耦合端，当射频大信号从正向输入端输入时，正向耦合端用于耦合正向输入端的信号，反向耦合端用于耦合正向输出端的反射信号 ^[4] 。

　　为了减小耦合器的主线衰减，同时提高耦合信号的带内平坦度，有必要深入研究耦合方式和宽带射频均衡网络。该方法的原理是针对带状线短耦合信号的幅频特性，对耦合信号先进行低通滤波，再进行陷波，达到传输斜率矫正效果，通过衰减器降低端口反射对耦合信号的影响，实现了在工作带宽内提高耦合器带内平坦度的目的。

　　1 影响耦合带内平坦度的因素

　　工程实际使用中发现，影响耦合带内平坦度的主要因素有两个，一是耦合电路和射频均衡网络自身的传输特性，需要寻找合适的耦合电路以达到较好的带内平坦度；二是方向性偏低引起的有规律的正弦波动，方向性越差的耦合器在实际应用时耦合端幅度波动越大，所以设计和调试时需要尽量提高耦合器的方向性。

　　假设正向信号耦合到耦合端的信号幅度为A，相位为 θ 0 ， 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：

　　假设耦合器方向性为23 dB，即D为10左右，式(1)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：

　　从式(2)可以看到，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 ^[5] 。

　　图2是两种不同方向性耦合器的测试表，图3是两种耦合器分别接驻波为2.5的负载时的正向耦合度。方向性较差（21.9 dB）带内波动为2.6 dB，方向性较好（28.6 dB）带内波动为0.5 dB，降低了2.1 dB。可见在接大驻波负载情况下，方向性较差的耦合器其正、反向耦合的带内波动较大，通过提高耦合器的方向性可以提高耦合带内平坦度 ^[6] 。

　　2 耦合电路的选择

　　实际工程应用时，工作带宽较宽时的天线驻波较大，由分析可知，要提高带内耦合平坦度需要选择合适的耦合电路和提高耦合方向性入手。

　　在V/UHF频段，考虑到耦合器的体积大小和实现方式的简易程度，宽带双定向耦合器一般采用以下两种耦合电路，一是电阻和变压器组合耦合，另一个是带状线耦合。电阻和变压器耦合虽然电路本身在理论上有一定失配和损耗，但弱耦合时失配和损耗很小 ^[7] ，而且工作频带可以很宽，同时带内平坦度好，缺点是主线插损大，一般适合用于中小功率耦合器，另外安装和调试不方便，当大功率工作时由于耦合电阻要耗散较大功率，使得耦合器体积较大。

　　带状线耦合的原理如图4所示，其耦合度可以做得较小，相应的插损也较小，适合通过大功率。电磁波奇模和偶模相速相等与否对耦合的方向性有影响，带状线的介质均匀，在带状线上奇模和偶模相速是相等的。带状线耦合在一倍频程内时，可采用1/4波长单节线进行匹配，实现良好的带内平坦度，当工作带宽较宽时如（20~520）MHz时，理论上持续增加1/4波长的单节线数量可以提高带内平坦度，但此时耦合器的尺寸较大并且主线衰减增加，并不适合工程使用。采用远离耦合线中心频率的下边带耦合进行射频信号的耦合取样，这种带状线耦合方式可以提高耦合的方向性和实现电路小型化。

　　当耦合器的主线输入端阻抗匹配时，带状线特性阻抗等于奇模阻抗和偶模阻抗的几何平均值时，理论上方向性可以做到无穷大。当工作频率远低于耦合带线（图4中长度L）的中心频率时，其耦合度是工作频率的函数，工作频率每上升一倍频程，耦合度就上升6dB，耦合特性的趋势如图10所示，然后外接以每倍频程6dB下降的射频补偿网络与之相匹配，使得输出的耦合信号大小在整个工作频段内一致，带状线短耦合的设计思想即基于此理论。

　　3 射频均衡网络

　　在V/UHF频段如果频率高端是低端10倍之内时，射频均衡网络可以采用图5的电路进行耦合信号的补偿。图5是桥T均衡网络，选择合适的器件参数后，通过该网络的射频信号，在输出端是以每倍频程6 dB下降的 ^[8] 。

　　当工作频率带宽大于10倍时，器件的寄生参数对性能指标有影响，耦合带内波动起伏较大，需要寻找更合适的电路对该耦合信号进行均衡匹配。

　　图6所示的宽带射频均衡网络由三部分组成，虚线左边是滤波匹配网络，虚线中间是陷波匹配网络，虚线右边的衰减器有两个作用，一是可降低耦合端口驻波，二是方便输出耦合度的调试。工作带宽频率高低相差可达几十倍，采用该电路时，其内部可调器件较多，电感和电容的寄生参数对性能指标影响不大。

　　4 设计与仿真

　　图7耦合器电路由图4带状线耦合电路和图6射频均衡网络电路这两部分组成。

　　带状线耦合的主线衰减如图8所示，可知插入损耗较低。主线端口反射如图9所示，可见端口阻抗匹配度好。均衡前正向耦合度如图10所示，由图中可以看出其工作频率2f ₀ 处的耦合度比f ₀ 处的耦合度高6 dB，即耦合度以每倍频程6 dB上升。经过射频均衡网络后正向耦合度如图11所示，可知其耦合带内平坦度≤±0.1 dB，方向性如图12所示。

　　在耦合器制作过程中，要特别注意均衡网络中电感的寄生电容和电容的寄生电感这两项参数对均衡网络传输系数有影响，最终反映在对耦合平坦度的影响。使用该技术设计的大功率耦合器的输出耦合度较小（-57 dB），空间屏蔽是否进行了优化设计对方向性影响较大，要特别注意耦合器主线上的射频大信号通过空间辐射感应到耦合输出端上。

　　5 结论

　　对两种射频均衡网络电路进行了优劣分析，为了达到较好的工作带宽和优秀的耦合带内平坦度，均衡网络引入的额外插损大小以及工程实现的复杂度是判断该电路优劣与否的主要评价因素。通过滤波、陷波和衰减三者组合的处理方法实现对耦合带内平坦度的优化，其优化程度与滤波电路和陷波电路的阶数和复杂度均有关，其中电路中的电感和电容对耦合带内平坦度的贡献大于电阻。选择合适的RLC参数值可有效提高带内平坦度指标。下一步研究方向是电路中无源器件阶数对带内平坦度的影响分析，同时寻找更易于调试的电路拓扑，优化滤波网络和陷波网络中电感和电容参数以便于调试。

　　参考文献

　　[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，(05)：37-40.

　　[3] 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.

　　[4] 王斌，赵伟刚.发射机驻波保护电路设计[J].电子信息对抗技术，2008，23(1):62-64.

　　[5] 蓝永海，赵柱平，曹海峰.一种避免异常信号源损坏射频功率放大器的保护方法[J].通信对抗，2013,32(1)：25-27，31.

　　[6] 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，(05)：95-97.

　　[7] 张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京：科学出版社，1986，361-363.

　　[8] 盛胜君. 100~500MHz大功率双定向耦合器的设计[C]//.中国电子协会电子对抗分会第13届学术年会论文集，2003，596-604.

　　作者简介：盛胜君 男，(1974-),本科，高级工程师。主要研究方向：射频功率放大技术。

　　刘荣辉 男，(1979-),本科，高级工程师。主要研究方向：射频功率放大技术。

　　葛 伟 男，(1983-),本科，高级工程师。主要研究方向：大功率射频滤波及开关技术。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第50页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。