CN103066939B - 星点式耦合网络、星点式耦合器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星点式耦合网络，它包括天线、电抗对消匹配网络、多路传输线枝节，其特征在于：它还包括单刀多掷射频开关，单刀多掷射频开关设置于多路传输线枝节汇合结点处。本发明通过采用单刀多掷射频同轴开关，使得星点式耦合网络在满足耦合网络设计指标、保持工作频段内阻抗匹配持续合格和不影响其他滤波通道性能的前提下，解决了多路耦合器中一个滤波器调谐频率交叠造成其他滤波器带内失谐的干扰问题；同时保证了当频率间隔大于规定最小值时，各射频通路以任意频率组合，各通频带内的插入损耗、纹波、驻波比三项性能的持续优良与稳定合格，即不降低各滤波通路合路时的带内性能，解决了滤波器合路时的相互干扰问题。

Description

星点式耦合网络、星点式耦合器及其控制方法

技术领域

本发明涉及无源微波电路领域，尤其是指一种星点式耦合网络、星点式耦合器及其控制方法。

背景技术

多路耦合器（Multicoupler）亦称合路器，是通信系统中重要的电磁兼容设备，简单的说就是多部电台共用一部天线的中间设备，通过该设备，多部电台能够同时正常接收工作或发射工作。尤其在设备空间比较紧张时，亟需使用到多路耦合器。多路耦合器分为固定多路耦合器和可调多路耦合器两种。其中，可调多路耦合器各个射频通路的工作频率可以根据控制指令随时改变，因此抗干扰性能优异。

可调多路耦合器主要由构成各个射频通道的可调带通滤波器和耦合匹配网络两部分组成。在同一时刻，各个通道的工作频率互不相同，以保证通道间信号互相隔离，因此各个可调带通滤波器的中心频率互有间隔。

耦合匹配网络是一种无源微波网络，习惯称为耦合网络。其中，星点式耦合网络（StarpointCouplingNetwork）可调多路耦合器的重要部件，它通常包括若干个输入端，每个输入端各联接一个可调带通滤波器，可调带通滤波器经若干并联的等长传输线枝节，以星点状的形式联接到电抗对消匹配网络，完成电抗对消和宽频带阻抗匹配，最终经过一个输出端联接到宽带天线，这样就实现了多路耦合。采用上述技术构建的多路耦合器则称为星点式多路耦合器。

上述星点式耦合网络所能起到作用在于：解决多路带通滤波器合路情况下，通频带内的插入损耗、纹波、驻波比等射频性能变化较大甚至超标不合格的问题，保证多路耦合器每个通道在各自工作频段内都达到良好的匹配状态，使射频系统正常工作。

可见，耦合网络技术是可调多路耦合器的关键技术之一，因此在星点式耦合网络的设计过程中，理论上要考虑到的是：滤波器端口等效短路线长度Lf和滤波器到并联枝节汇合星点处的等效传输线长度Lt，两者的总和形成一段长的短路线L，这段短路线L要接近（最好是小于）多路耦合器工作频段的中心频率的四分之一波长，这样所设计的多路耦合器的合路性能才够优良，其带内性能与仅单路工作而无合路时的带内性能相比才能相差不大，理论分析、仿真和射频试验测试都证明了这一点。但是实践中的设计，由于多种很实际的原因，L一般远大于上述的四分之一波长，不能轻易做到减小。

此外，传统的星点式耦合网络的多路等长传输线枝节，无断点地，在分支接头处，互相并联地直接焊在一起。这样带来一个问题：当某一路机械可调滤波器正在调谐时，其中心频率连续变化，常与其他并联滤波器发生频率交叠，在交叠的短时间内造成其他并联滤波器严重失谐，参见图1、2，影响相应电台的连续正常通信。

为了解决上述问题，现有技术中是通过在多路并联的同轴传输线枝节的每一路传输线枝节中嵌入单刀两掷射频同轴开关（SPDT——SinglePoleDoubleThrow）并设置与滤波器端口等效短路线（该短路线可用来表征可调滤波器端口在阻带的阻抗特性），以使得滤波器能够从并联枝节上断开。当某路滤波器要调谐时，SPDT开关切换到该滤波器的端口等效短路线上，等调谐完毕再切换回滤波器。这样虽然可以解决前文所述的一路滤波器调谐频率交叠造成其他滤波器受干扰失谐的问题，但同时带来一个新问题：由于实际工程安装的空间限制和SPDT射频同轴开关内部等效传输线电长度较大，使得所并联的传输线枝节等效短路线总长度L远远大于多路耦合器工作频段的中心频率的四分之一波长，导致多路耦合器能实现的带宽和允许的通道数量下降；甚至造成更严重的后果，即多路耦合器各射频通路在互相邻近的频率组合下（尤其在工作频段高端），各个通频带内的插入损耗、纹波、驻波比三项性能指标严重恶化、超标不合格。如图3、4所示的现有解决方案下多路耦合器的测试曲线，中心频率分别是230MHz、250MHz、270MHz、290MHz的四个通道合路同时工作：a)图3中L比四分之一波长大10%；b)图4中L比四分之一波长大30%，受扰后的八条曲线与四条较平整圆滑的滤波曲线对比（较平整圆滑的曲线是仅单路工作而无合路时的原型曲线），可见，此时合路的四个通路互相影响，带内性能各有不同程度地恶化，依然会导致电台通信质量下降，甚至不能通信。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种星点式耦合网络、星点式耦合器及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的有益效果在于针对星点式可调多路耦合器的工作特点，设计了一种采用经典的常开式单刀多掷射频同轴开关（NormallyOpenSPnTRFCoaxialSwitch）的星点式耦合网络，在满足耦合网络设计指标、保持工作频段内阻抗匹配持续合格和不影响其他滤波通道性能的前提下，解决了多路耦合器中一个滤波器调谐频率交叠造成其他滤波器带内失谐的干扰问题；同时保证了当频率间隔大于规定最小值时，各射频通路以任意频率组合，各通频带内的插入损耗、纹波、驻波比三项性能的持续优良与稳定合格，即不降低各滤波通路合路时的带内性能，解决了滤波器合路时的相互干扰问题。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为背景技术中普通技术方案下测试曲线示意图1；

图2为背景技术中普通技术方案下测试曲线示意图2；

图3为背景技术中现有解决方案下多路耦合器的L比四分之一波长大10%情况下的测试曲线；

图4为背景技术中现有解决方案下多路耦合器的L比四分之一波长大30%情况下的测试曲线；

图5为本发明一实施例的常开式单刀四掷射频同轴开关原理图及其等价电路示意图；

图6为本发明一实施例的四路星点式耦合网络及对应的耦合网络的多路耦合器的原理示意图；

图7为本发明一实施例的四路星点式耦合网络的等价示意图；

图8为本发明一实施例的四路星点式多路耦合器的一组性能测试曲线。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明提供了一种星点式耦合网络，它包括天线、电抗对消匹配网络、多路传输线枝节及单刀多掷射频开关（NormallyOpenSPnTRFCoaxialSwitch），单刀多掷射频开关设置于多路传输线枝节汇合结点处。具体的，单刀多掷射频开关包括公用控制接口、公用接口及多路开关单元，开关单元与传输线枝节一一对应，所述开关单元主要由汇接口、控制接口及继电器组成，继电器的常开触点与汇接口相连、常闭触点与公用接口相连、转换触点与控制接口相连；所述公用接口与电抗对消匹配网络相连，电抗对消匹配网络与天线相连；所述汇接口一一对应连接传输线枝节。上述公用接口经传输线连接至电抗对消匹配网络，所述传输线的长度由计算和仿真获得。

本发明的技术方案通过针对星点式可调多路耦合器的工作特点，在星点式耦合网络并联枝节汇合结点处，引入单刀多掷射频开关（NormallyOpenSPnTRFCoaxialSwitch），使并联的多路传输线枝节的通断变得可控，这样在满足耦合网络设计指标、保持工作频段内阻抗匹配持续合格和不影响其他滤波通道性能的前提下，解决了多路耦合器中一个滤波器调谐频率交叠造成其他滤波器带内失谐的干扰问题。

相比于背景技术中在并联的同轴传输线枝节上嵌入SPDT射频同轴开关和引进可调滤波器端口等效短路线的解决方案而言，本技术方案的有益效果在于：

1）、由于无需设置在传输线枝节中，有效地减小了射频开关内部传输线加上传输线枝节总体的等效电长度，使耦合网络每根并联枝节等效短路线的总长度L下降到多路耦合器工作频段的中心频率的四分之一波长以下。这样保证了当频率间隔大于规定最小值时，多路耦合器各射频通路以任意频率组合，各通频带内的插入损耗、纹波、驻波比三项性能的持续优良与稳定合格，即不降低各滤波通路合路时的带内性能，解决了滤波器合路时的相互干扰问题。

2）、从对应每路传输线枝节设置单刀双掷射频同轴开关变为仅选设置一个单刀多掷射频开关，有效减少了开关数量，提高了耦合网络的可靠性。

3）、简单的结构带来的是星点式耦合网络在整机上的安装固定变得更简单方便，提高了可维修性。

4）、简单的结构进一步降低了产品的成本。

参见图5-8为一个基于上述技术方案的一个四路星点式耦合网络的实施例：

图中的粗线属于射频支路通路，粗虚线表示内射频支路断开。

如图5中（a）所示为一个经典的常开式单刀四掷（SP4T）射频同轴开关的原理图，（b）为其等价电路示意图。

本发明中使用到的单刀多掷射频开关的传统用法是：一次仅选多路中的某一路上电，则射频连接端仅选通闭合多路射频支路中的某一路（故名单刀四掷），以满足单路传输线连续地阻抗匹配。

然而，本发明中，针对星点式耦合网络的工作特点，将经典的常开式单刀多掷射频开关嵌入到星点式耦合网络中，突破单刀多掷射频开关的传统用法，通过在其控制端多路同时上电，从而实现同时选通闭合多条射频支路，以实现阻抗匹配。下面结合图6作进一步说明。

如图6所示，其中内虚线框中为四路星点式耦合网络的原理示意、而外虚线框中则是应用了上述耦合网络的四路耦合器的原理示意。其中的可调机械滤波器1-4用来选择通道的工作频率，它们经四段传输线分别联接至电台1-4。

在内虚线框的四路星点式耦合网络的原理示意图中，可见经典的常开式单刀四掷射频同轴开关嵌入到了四路星点式耦合网络中，开关射频连接端汇接口1（J1）、汇接口2（J2）、汇接口3（J3）、汇接口4（J4），经并联的四路等长传输线枝节分别联接至可调机械滤波器1-4，当四路滤波器需要全部接入工作时，开关的四个射频支路同时闭合，若仅需两路滤波器工作，则只需闭合开关中的相应两个射频支路，即射频支路以最小量按需闭合；射频连接端公用接口（COM）经确定长度（结果由计算和仿真获得）的传输线联接至电抗对消匹配网络，然后经一段传输线联接至一部宽带天线。耦合网络消除由于可调滤波器的接入给其他通道带来的影响，使各个通道能够同时正常工作。由于四个可调滤波器的工作频率随时可变，因此要求耦合网络必须在多路耦合器的整个工作频段内都能尽量消除每一路可调滤波器接入所带来的影响，使所有通道同时正常工作。

由此，采用该星点式耦合网络，就避免了调谐中的滤波器对其他已接入的正工作的滤波器的干扰，即使调谐频率交叠也能避免其他滤波器带内受扰失谐，保证了电台连续正常地通信。

四路星点式耦合网络的等价示意图如图7所示，其输入端经一个可调滤波器接到电台，输出端接宽带天线，图中粗虚线表示开关内射频支路断开，从输入端到输出端的主通道上，所并联的三个短路传输线长度L，为Lf和Lt的总和。

上述方案中，由于所采用的经典的常开式单刀四掷射频同轴开关内部的等效电长度较小，因此在满足可调机械滤波器实际工程安装的前提下，实测和仿真计算都表明这段短路线L可以小于多路耦合器工作频段的中心频率的四分之一波长，而且是较容易地满足了这一点理论要求。在此前提下所设计的新型耦合网络，制作后装机，测试表明：当频率间隔大于规定最小值时，四个射频通路以任意频率组合，各通频带内的插入损耗、纹波、驻波比三项性能的持续优良与稳定合格，即四个滤波通路合路时的带内性能与仅单路工作而无合路时的带内性能相比才能相差不大，这样就解决了四个可调滤波器合路时的相互干扰问题。

据此实施后的四路星点式多路耦合器的一组性能测试曲线，如图8所示，中心频率分别是230MHz、250MHz、270MHz、290MHz的四个通道合路同时工作，可见基本无互扰，与图3、4相比有巨大改善。

以上实施例仅仅是四路的情况。其他的，n路耦合时(n≥2)，采用经典的常开式SPnT射频同轴开关，原理相同。

此外需要注意的是，本专利星点式耦合网络的各段传输线长度和电抗对消匹配网络，需要仿真设计和优化后确定。设计时，在给定分布式电路拓扑结构前提下，各段传输线的物理长度和其他集总参数，都由所需设计的技术指标来具体决定。利用AWRDesignEnvironment、AdvancedDesignSystem等射频电路仿真设计软件，可以获得满足星点式耦合网络需要特性的设计。

本发明还提供了一种星点式多路耦合器控制方法，它包括步骤，

a）、初始化，断开星点式多路耦合器中星点式耦合网络的单刀多掷射频开关的多路开关单元；通常，此步骤是在设备开机时完成的，一般情况下初始化后的默认是星点式耦合网络中单刀多掷射频开关的任何开关单元支路均是呈断开状态的。

b）、收到外部一个或多路电台的正常工作指令后，对连接该一个或多路电台支路的可调滤波器进行调谐，直至调谐完毕继续步骤；

c）、单刀多掷射频开关中对应连接上述电台的开关单元支路中的继电器闭合，这样设备相应射频通道完成备妥，该电台可以开始收信或发信；

d）、收到外部任何一个或多路电台的增加接入可调滤波器或已接入的可调滤波器需要更换频率指令后，断开与该电台支路对应的单刀多掷射频开关中对应连接可调滤波器的开关单元中的继电器，然后对应该电台连接的可调滤波器进行调谐，直至调谐完毕继续步骤；

e）、单刀多掷射频开关中对应连接上述一个或多路电台的开关单元支路中的继电器闭合，设备相应射频通道完成备妥，各电台可连续正常通信（多路电台的情况下也可同时收信或发信）。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种星点式多路耦合器的控制方法，其特征在于：它包括步骤，

a)、初始化，断开星点式多路耦合器中星点式耦合网络的单刀多掷射频开关的多路开关单元；

b)、收到外部一个或多路电台的正常工作指令后，对连接该一个或多路电台支路的可调滤波器进行调谐，直至调谐完毕继续步骤；

c)、单刀多掷射频开关中对应连接上述电台的开关单元支路中的继电器闭合；

d)、收到外部任何一个或多路电台的增加接入可调滤波器或已接入的可调滤波器需要更换频率指令后，断开与该电台支路对应的单刀多掷射频开关中对应连接可调滤波器的开关单元中的继电器，然后对应该电台连接的可调滤波器进行调谐，直至调谐完毕继续步骤；

e)、单刀多掷射频开关中对应连接上述一个或多路电台的开关单元支路中的继电器闭合；

所述星点式多路耦合器，它包括多路可调滤波器及星点式耦合网络，所述星点式耦合网络的多路传输枝节与多路可调滤波器一一对应设置连接；多路可调滤波器输出分别输出与外部电台连接；

所述星点式耦合网络，它包括天线、电抗对消匹配网络、多路传输线枝节，所述电抗对消匹配网络与天线相连，它还包括单刀多掷射频开关，单刀多掷射频开关设置于多路传输线枝节汇合结点处；

所述单刀多掷射频开关包括公用控制接口、公用接口及多路开关单元，开关单元与传输线枝节一一对应，所述开关单元主要由汇接口、控制接口及继电器组成，继电器的常开触点与汇接口相连、常闭触点与公用接口相连、转换触点与控制接口相连；所述公用接口与电抗对消匹配网络相连，所述汇接口对应连接传输线枝节。

2.如权利要求1所述的星点式多路耦合器的控制方法，其特征在于：所述公用接口经传输线连接至电抗对消匹配网络；所述传输线的长度由计算和仿真获得。

3.如权利要求1或2所述的星点式多路耦合器的控制方法，其特征在于：所述单刀多掷射频开关为常开式。