基于腔體濾波器的可調(diào)諧微波開關(guān)的設(shè)計

翁 璐，馬慧瑾，劉 收

(1.海軍裝備部軍械裝備局，北京 100063；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

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基于腔體濾波器的可調(diào)諧微波開關(guān)的設(shè)計

翁 璐1，馬慧瑾2，劉 收2

(1.海軍裝備部軍械裝備局，北京 100063；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

為了滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路測試中信號轉(zhuǎn)換的需求，提出一種可調(diào)諧的S波段分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)計方案，其中采用開關(guān)控制電路對輸入微波信號進(jìn)行分波道選擇，兩路加載集總電容的三階方桿梳狀腔體濾波器對微波信號進(jìn)行選頻、濾波，同時可通過調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘實現(xiàn)兩波道中心諧振頻點同頻或異頻，調(diào)諧中心頻率范圍可達(dá)20 MHz，自由度較高；微波開關(guān)經(jīng)參數(shù)仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求，研制完成的微波開關(guān)經(jīng)過實際測試和應(yīng)用驗證，各項技術(shù)指標(biāo)滿足使用要求，同時該微波轉(zhuǎn)換開關(guān)具有大功率、低損耗、高隔離度等優(yōu)點，性能穩(wěn)定、自由度高、易于實現(xiàn)，可滿足無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈測試診斷的信號轉(zhuǎn)接要求。

微波開關(guān)；腔體濾波器；可調(diào)諧

0 引言

近年來，隨著相控陣?yán)走_(dá)、微波數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、機(jī)載數(shù)據(jù)鏈等裝備及其測試保障技術(shù)的發(fā)展，微波測試系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的微波控制電路，如采用微波開關(guān)電路作為控制器件實現(xiàn)微波信號的通、斷或轉(zhuǎn)接，其性能的優(yōu)劣往往會直接影響整個裝備或測試系統(tǒng)的質(zhì)量，這類微波開關(guān)器件在各種軍用雷達(dá)、通信電臺、射頻微波導(dǎo)航制導(dǎo)設(shè)備、衛(wèi)星通信、機(jī)載數(shù)據(jù)鏈以及電子對抗等多個領(lǐng)域，扮演著不可或缺的角色[1]。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路測試決定了起飛后是否能夠在微波頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)對無人機(jī)的遙控、遙測、偵察視頻信息傳輸，以及對無人機(jī)的跟蹤定位。微波轉(zhuǎn)換開關(guān)在是微波數(shù)據(jù)鏈路測試系統(tǒng)中起著信號轉(zhuǎn)換的重要作用，同時在相控陣?yán)走_(dá)、電子對抗、微波通信、衛(wèi)星通信以及微波測量等方而也有著廣泛的應(yīng)用[2]。微帶元件具有功率容量低、插損大等缺點，而腔體濾波器能夠承受高功率，并且具有低插損、高抑制、窄帶寬等良好性能[3]。本文將腔體濾波器結(jié)構(gòu)集成在微波轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計中，可實現(xiàn)微波轉(zhuǎn)換開關(guān)大功率、窄帶通、低損耗、高隔離度等優(yōu)點，性能穩(wěn)定、自由度高、易于實現(xiàn)，滿足各種體制雷達(dá)及機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的要求，且適應(yīng)于環(huán)境惡劣的場所，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

1 設(shè)計原理

根據(jù)系統(tǒng)分析，基于腔體濾波器的可調(diào)諧微波開關(guān)的設(shè)計要求如下：

1)工作頻段：S波段；

2)接通損耗：≦1.5 dB；

3)關(guān)斷隔離度：≧35 dB；

4)帶寬：160 MHz。

圖1 分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)工作原理框圖

整個分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)由一個開關(guān)控制電路和兩個腔體濾波器組成，如圖1所示。開關(guān)控制電路在控制信號A和控制信號B的作用下對輸入的S波段微波信號進(jìn)行通道選擇，使其中的一路有微波信號輸出，另一路無微波信號輸出。兩路腔體濾波器的作用是濾除帶外寄生信號，保證混頻器能抑制鏡頻干擾，并減弱寄生輸出信號。每個濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計為加載集總電容的三階方桿梳狀窄帶腔體濾波器，主要對開關(guān)控制電路輸出的微波信號進(jìn)行窄帶選頻、濾波。每路腔體濾波器可通過調(diào)節(jié)3個調(diào)諧螺釘深度，調(diào)諧得到各自中心頻率，兩路同頻或異頻都可，調(diào)諧中心頻率范圍可達(dá)20 MHz[4]。

2 各分模塊的設(shè)計

2.1 開關(guān)控制電路的設(shè)計

開關(guān)控制電路的主要作用是根據(jù)輸入的直流控制信號，對輸入的微波信號進(jìn)行路徑選擇，為了簡化設(shè)計難度和調(diào)試難度，開關(guān)控制電路選用HITTITE公司的HMC435MS8GE芯片作為主芯片進(jìn)行設(shè)計，該芯片工作帶寬為DC～4 GHz，且無需電源供電，屬于無源芯片，控制端的電壓為0/+5 V，低電平有效，兩個控制端A、B根據(jù)不同的電壓組合來選擇不同的路徑，簡化了設(shè)計難度和調(diào)試難度。開關(guān)控制電路的設(shè)計如圖2所示。

圖2 開關(guān)控制電路原理圖

圖2中X1為輸入信號，X2和X3為輸出信號，A、B為控制輸入端， C1、C2、C3分別為端口隔直電容，R1、R2為保護(hù)電阻，D1、D2為端口保護(hù)二極管，目的是防止控制信號出現(xiàn)負(fù)電壓毀壞芯片。開關(guān)控制電路的信號通斷真值表如表1所示。

表1 開關(guān)控制電路信號通斷真值表

2.2 分波道濾波器的仿真設(shè)計

分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)中腔體濾波器的作用是濾除帶外寄生信號，保證混頻器能抑制鏡頻干擾，并減弱寄生輸出信號。分波道濾波器采用三階方桿梳狀腔體濾波器，即由3個TEM模諧振器之間直接耦合的平行耦合線陣列構(gòu)成，每個諧振桿裝有調(diào)諧螺釘，通過調(diào)節(jié)調(diào)諧螺釘?shù)纳疃龋瑏碚{(diào)諧濾波器的中心諧振頻率[5]。

設(shè)計時，通過梳狀線濾波器結(jié)構(gòu)計算耦合系數(shù)，確定諧振桿導(dǎo)體間距和腔體尺寸。為減小體積，在梳狀線濾波器各諧振器頂端設(shè)置調(diào)諧螺釘，調(diào)試時通過調(diào)諧螺釘深度來調(diào)節(jié)電容值大小，實現(xiàn)調(diào)諧腔體中心諧振頻率f0。輸入輸出裝置采用探針耦合方式，輸入輸出波導(dǎo)傳輸線直接搭焊在最外側(cè)的兩諧振桿導(dǎo)體內(nèi)，輸出連接到殼體上的SMA轉(zhuǎn)接器內(nèi)芯。圖3為微波轉(zhuǎn)換開關(guān)兩分波道濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真效果圖。

圖3 分波道濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真

圖4 分波道濾波器仿真結(jié)果

圖4為轉(zhuǎn)換開關(guān)濾波器仿真得到的傳輸系數(shù)曲線，通過曲線可以看出，中心頻點f0處接通損耗S21為-0.5 dB，帶寬約160 MHz，通道隔離S31為-65 dB，滿足設(shè)計要求。

3 測試與分析

微波轉(zhuǎn)換開關(guān)的腔體、梳狀諧振桿和調(diào)諧螺釘?shù)牟牧蠟辄S銅，輸入輸出同軸傳輸線采用殷鋼，各加工件表面均鍍銀。由于窄帶濾波器對Q值較敏感，通過提高內(nèi)腔表面的光潔度要求，來保證濾波器較高的Q值和較低的插損[6]。

為了驗證微波開關(guān)的性能，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對微波轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行測試。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)過校準(zhǔn)后，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端口經(jīng)測試線纜分別連接端口X1和X2，X3端口加50歐姆匹配負(fù)載。測試RF1通道導(dǎo)通時，此時微波開關(guān)控制端A加0 V電壓，控制端B加5 V電壓，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的是X1到X2的導(dǎo)通損耗，當(dāng)控制端A加5 V電壓，控制端B加0 V電壓，此時RF2導(dǎo)通，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的X1到X2的關(guān)斷隔離度。

表2和表3分別列出了在S波段4個不同頻點下微波開關(guān)不同導(dǎo)通狀態(tài)的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 X2導(dǎo)通時測試結(jié)果

表3 X3導(dǎo)通時測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：在測試的4個頻點中，其中f1、f2、f3均在濾波器帶寬內(nèi)，導(dǎo)通損耗都小于1.5 dB，關(guān)斷隔離度大于36 dB，f4在濾波器帶外，因此會出現(xiàn)頻點f4的導(dǎo)通損耗大于其余3個頻點的現(xiàn)象。該微波轉(zhuǎn)換開關(guān)可以通過調(diào)節(jié)螺釘，使濾波器中心諧振頻率在20 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，可實現(xiàn)兩分波道同頻或異頻，以滿足不同場合的需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種可調(diào)諧的S波段分波道微波轉(zhuǎn)換開關(guān)，S波段輸入微波信號在控制信號的作用下可選擇兩路不同輸出通道，并將兩路腔體濾波器對輸入微波信號進(jìn)行選頻、濾波，兩分波道輸出頻率同頻或異頻都可，自由度較高，調(diào)諧頻率范圍可達(dá)20 MHz。該微波轉(zhuǎn)換開關(guān)具有大功率、窄通帶、低損耗、高隔離度等優(yōu)點，性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，滿足某型機(jī)載數(shù)據(jù)鏈測試要求，且適應(yīng)于環(huán)境惡劣的場所，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

[1] 楊 健. W波段單刀單擲開關(guān)和單刀雙擲開關(guān)[D].成都：電子科技大學(xué),2005.

[2] 劉呈斌, 徐 軍, 羅慎獨. 高隔離微帶PIN單刀單擲開關(guān)[A]. 2003年全國微波毫米波會議[C]. 2003: 307-310.

[3] 袁婷婷, 陳曉娟, 陳中子, 等. 隔離度大于95dB 的Ku 波段微帶型開關(guān)[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報, 2008,29(10): 2034-2037.

[4] 張 華, 孫 健, 陶若燕. C波段窄帶腔體濾波器設(shè)計[A]. 2007年全國微波毫米波會議論文集[C]. 2007, 10: 1135-1138.

[5] 張曉齊. 圓桿梳狀及交指帶通濾波器的計算機(jī)輔助設(shè)計[J]. 微波, 1985,4: 16-26.

[6] 馬慧瑾, 劉忠健等. 一種可調(diào)諧的窄帶圓桿梳狀腔體濾波器的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2013,21(11):3083-3086.

Design of Tuning Microwave Conversion Switch Based on Cavity Filters

Weng Lu1, Ma Huijin2, Liu Shou2

(1.Ordnance Equipment Bureau of Naval Equipment Department,Beijing 100063，China;2.Beijing Aerospace Measurement & Control Corp., Beijing 100041，China)

In order to meet the requirement of the signal conversion during the test of the airborne data link of UAV, we advance a tuning S-band double-way microwave conversion switch. The switch-control circuit choose the microwave signal among the double ways. The two pectinate cavity filters loaded capacitance select available signals and get rid of unavailable signals, and the tuning bolts can realize same or different central syntonic frequency. The range of the tuning frequency can reach 20 MHz. It is very flexible. This microwave conversion switch has the advantages of bigger power, lower insertion loss, high isolation, and easy-realized, can meet the electronic counter requirement of radar requirements.

microwave conversion switch; cavity filter; tuning

2016-07-06；

2016-07-19。

國家自然科學(xué)基金項目(A0420132302)。

翁 璐(1979-)，女，湖北襄陽人，主要從事海軍機(jī)械裝備管理方向的研究。

1671-4598(2016)09-0178-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.050

TP242.6

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