濾波器在甚高頻天線共用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

2020年是中國共產(chǎn)黨全面建成小康社會決勝之年，也是中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃收官之年，隨著深化經(jīng)濟體制改革的推進，民航業(yè)已成為國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略意義的行業(yè)。面對高速發(fā)展的行業(yè)趨勢，空中交通管制也發(fā)生了巨大的變化，管制方式優(yōu)化、空中飛行流量“量級”變大、管制扇區(qū)的增多等。甚高頻地空通信是民航空管對空通信的主要手段之一，其通信質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性對飛行、管制的安全尤為重要。隨著甚高頻通信波道不斷增加，天線場地的有限、電磁環(huán)境的復(fù)雜等因素，其所需要的硬件支撐水平也在不斷提高。這些因素致使甚高頻通信系統(tǒng)由傳統(tǒng)單電臺單天線轉(zhuǎn)變至多電臺共用天線的模式，能夠較好地保障管制的陸空通信質(zhì)量和資源配置。

濾波器在甚高頻共用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

甚高頻共用通信系統(tǒng)主要由天饋系統(tǒng)、濾波器、收發(fā)信機及監(jiān)控系統(tǒng)組成。對于發(fā)射過程，管制員使用某通信頻率進行空中交通管制時，其語音信號和鍵控信號通過語音交換系統(tǒng)送出，經(jīng)過傳輸鏈路送入甚高頻共用通信系統(tǒng);在相應(yīng)工作頻率的信道內(nèi)，由其邏輯上的主用發(fā)射機對語音信號進行調(diào)制并輸出已調(diào)制射頻信號;該射頻信號經(jīng)繼電器進入濾波器，濾除雜波后在合路器處與其它信道的射頻信號混合輸出，并通過饋線送到天線輻射出去。對于接收過程，天線接收到空中的VHF頻段的無線電波，經(jīng)過分路器后，工作頻率的信號能夠通過調(diào)諧后的濾波器（非工作頻率信號被濾除），經(jīng)3dB 功分器一分為二分別送入主、備兩臺VHF 收信機中進行解調(diào)，還原出語音信號后，由邏輯上的主用收信機從其線路端口輸出語音信號;經(jīng)傳輸鏈路送到控制端后通過內(nèi)話系統(tǒng)輸出供管制員收聽。甚高頻共用通信系統(tǒng)的組成框圖如下圖1-1所示。

濾波器在發(fā)射通路中，可以有效的抑制帶外雜散信號，抑制非工作頻率信號輻射、串?dāng)_，增大信道間射頻信號隔離度，減小發(fā)射機對其他設(shè)備的影響;在接收通路中，濾波器可以將接收機不需要的帶外信號濾除，提升接收機的抗干擾能力，信道的選擇性。

濾波器的介紹及工作原理

民航甚高頻地空通信電臺的工作頻率為118MHz～136.975MHz，信道帶寬僅為25kHz，在如此窄的信道帶寬內(nèi)要求設(shè)備具有較好的抗干擾能力，必然要求窄通帶、高抑制的帶通濾波器。對于窄帶的帶通濾波器，耦合諧振腔是常用的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計過程從低通原型濾波器出發(fā)，經(jīng)過頻率變換，用阻抗變換或者導(dǎo)納變換實現(xiàn)各個諧振腔的級聯(lián)，將低通原型網(wǎng)絡(luò)用K變換器進行變換，并用集總電感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)K變換器，從而獲得帶通濾波器的性能。應(yīng)用阻抗變換器后的等效電路如圖2-1所示，應(yīng)用導(dǎo)納變換器后的等效電路如圖2-2所示。

按照濾波器的實現(xiàn)方式來看，常用的濾波器有LC集總參數(shù)濾波器、腔體濾波器、微帶濾波器、介質(zhì)濾波器等。從實現(xiàn)的難度和技術(shù)要求上來看，腔體濾波器是一種可行的方案，腔體濾波器與其他類型的濾波器相比，可以提供高的多的Q值，具有很寬的調(diào)諧范圍和較窄的通帶寬度、在通帶中具有很小的插入損耗，以及在阻帶中具有很高的抑制度和大功率處理能力。

腔體濾波器為頻率可調(diào)整的帶通濾波器，具有頻率選擇作用，其濾波特性的優(yōu)劣直接關(guān)系到VHF收發(fā)信機作用的最佳發(fā)揮。不同頻率對應(yīng)不同的波長，所以就可以通過改變?yōu)V波器終端短路傳輸線的長度，來達(dá)到頻率選擇的作用。在腔體諧振點，插入損耗大，耦合輸出小。如下圖2-3所示，我們選用的是單腔體濾波器，它利用矩形腔體和內(nèi)部的金屬膜片、金屬諧振桿組成諧振腔，通過改變膜片的位置改變結(jié)構(gòu)諧振頻率實現(xiàn)可調(diào)的濾波特性。其性能指標(biāo)如表2-1所示。

濾波器在甚高頻共用通信系統(tǒng)中的作用

為了確保眾多不同頻率的電臺可以使用一根天線，既不能相互干擾，同時還要阻抗匹配，還必須使用耦合器件。天線多路耦合器必須滿足兩個方面的要求：1.從任一電臺輸出的射頻功率只能進入天線負(fù)載而不能串入其他電臺;2.任一電臺與天線之間的匹配狀況不受其他電臺工作狀態(tài)的影響。它實現(xiàn)主要的是通過適當(dāng)?shù)鸟詈暇W(wǎng)絡(luò)形式，再根據(jù)匹配的要求調(diào)整濾波器的輸出，從而確定耦合網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，最終是通道間的影響減低到最小程度。腔體濾波器的連接方式有T型串聯(lián)耦合網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形耦合網(wǎng)絡(luò)。

環(huán)形多路耦合器由環(huán)形均勻傳輸線組成，耦合網(wǎng)絡(luò)與各濾波器接口在環(huán)上的電長度為λ0/2（λ0中心頻率波長），在距二接口λ0/4處放置一個與濾波器輸出特性相同的電抗調(diào)配器，如圖3-1所示。由濾波器進入耦合網(wǎng)絡(luò)的信號等分成兩部分，經(jīng)傳輸后在天線口合成輸出。

在西北空管局目前使用的天線共用系統(tǒng)中，常用的耦合方式為環(huán)形耦合網(wǎng)絡(luò)。發(fā)射、接收耦合系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

實際應(yīng)用中還有一種，如下圖所示。其開路端接50Ω負(fù)載。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，便于安裝，缺點是耦合的電臺數(shù)量越多，耦合到天線端口的功率差異越大，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

四、濾波器的調(diào)試

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀0 dBm小信號方式調(diào)測濾波器。所有饋線、射頻接頭均使用網(wǎng)分校準(zhǔn)獲取0 dBm參考基準(zhǔn)，插入損耗、阻帶衰減、反向損耗均以參考進行計算。

濾波器插入損耗、選擇性調(diào)試。

（1）選擇中心頻率，Span為1Mhz，選擇直通校準(zhǔn)。分別用兩根射頻線連接到輸入、輸出口，用雙通器將它們相連，然后校準(zhǔn)。（2）校準(zhǔn)成功后，Marker所選擇的頻率，兩根射頻線分別接入濾波器的輸入輸出口，轉(zhuǎn)動濾波器調(diào)諧桿，使波峰位置移至中心頻率，分別調(diào)節(jié)調(diào)諧桿兩側(cè)的耦合天線環(huán)，使其達(dá)到發(fā)射濾波器的范圍值內(nèi)。（3）選擇性大于15dB，插入損耗小于1.5dB（如果連接上合路器調(diào)試時，插損一般在1.5-1.8dB之間）。（4）最后擰緊耦合天線環(huán)上的螺絲，并鎖死濾波器調(diào)諧桿上的旋紐扣。

濾波器駐波比調(diào)試。

（1）選擇中心頻率，Span為1Mhz，選擇直通校準(zhǔn)。分別用兩根射頻線連接到輸入、輸出口，用雙通器將它們相連，然后校準(zhǔn)。（2）校準(zhǔn)成功后，連接射頻線至濾波器輸入口，濾波器輸出口連接校準(zhǔn)件的負(fù)載端。選擇VSWR功能，進行測量。（3）Marker標(biāo)記到中心頻率并旋轉(zhuǎn)旋鈕使波峰對準(zhǔn)中信頻率，必要時調(diào)節(jié)耦合天線環(huán)使駐波比達(dá)到范圍值。（4）TX VSWR≤1.5，RX VSWR≤1.5。

五、結(jié)束語

在日益復(fù)雜的機房環(huán)境中，濾波器在甚高頻共用通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越發(fā)重要，有效防止了共用天線系統(tǒng)電臺間、波道頻率之間的干擾，使得管制員的地空通信更為安全可靠。

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