大功率短波寬帶天線收發開關

周 浩 方 繁 文必洋

（武漢大學電子信息學院，湖北武漢430072）

大功率短波寬帶天線收發開關

周 浩 方 繁 文必洋

（武漢大學電子信息學院，湖北武漢430072）

為了實現天線收發共用，設計了一種大功率短波寬帶收發開關，它主要用于高頻雷達和大功率短波通信系統.從提高隔離度的角度提出了以對稱式雙PIN二極管為核心的開關電路，為了減少收發開關的轉換時間、降低功耗和提高其穩定性，提出了單極性脈沖電路作為開關電路的控制脈沖電路，同時提出了接收機和發射機保護電路.在便攜式高頻地波雷達系統中，單極子／交叉環天線通過大功率短波收發開關實現了一發三收收發共用，簡化了便攜式高頻地波雷達的天線系統，減少了天線的占地面積，同時降低了天線架設的難度，本系統硬件電路簡潔，功耗低，工作穩定、可靠.

高頻地波雷達；短波收發開關；調頻中斷連續波；對稱式雙PIN二極管；單極性脈沖

引 言

高頻地波雷達工作在短波段，利用垂直極化波，在高導電性的海水表面繞射傳播［1］，能夠探測到視距以外的海上移動船艦、低空飛行目標以及大面積的海洋動力學狀態參數［2－5］.用于探測海洋表面動力要素的中、遠程高頻地波雷達一般采用相控陣天線［6］或單極子／交叉環天線［7－8］.相控陣天線的天線口徑很大，可能達到數百米至數千米，在海邊尋找可以提供建設這種雷達站的地帶絕非易事［9］，收發共用可大幅降低場地要求和建設成本；在便攜式高頻地波雷達［10］中，將緊湊型單極子／交叉環接收天線中的單極子同時用作發射天線，則可以進一步提高雷達的便攜性和機動性，十分利于其在海洋探測領域的廣泛應用.近年來也出現過收發開關的研制，主要用于微波雷達和微波通信且功率小，如TR組件［11－15］.適用于短波段的大功率收發開關的研究比較少.例如寬帶通過式大功率收發開關［16］，該收發開關應用于通信對抗中系統中的跳頻干擾設備，比較好地解決了跳頻干擾設備中收發共用的難題，但其收發開關的轉換時間較長約為40μs；又如高頻地波雷達OSMAR2000收發開關［9］，電路簡潔，但其門控脈沖電路采用三極管組成的雙極性脈沖電路，結構比較復雜，在長時間工作時不穩定且容易燒毀，并且由于開關電路采用單PIN二極管結構隔離度只能達到81dB左右.因此它們的主要缺陷為：硬件系統不穩定、不能長時間工作，系統比較復雜，收發開關的轉換時間較長，由收發開關引入接收機的噪聲功率較大，功率損耗也較大.

針對上述問題，設計并制作了一種高頻雷達大功率短波寬帶收發開關，在便攜式高頻地波雷達中將一根單極子／交叉環天線中的單極子作為收發共用通道，使其中的交叉環作為兩個接收通道，一根單極子／交叉環天線依靠大功率短波寬帶收發開關實現一發三收收發共用，因此在便攜式高頻地波雷達系統中，只需要一根單極子／交叉環天線作為天線系統，使便攜式高頻地波雷達系統變得更為簡單，也使天線的架設變得更加容易；本系統采用新的硬件系統，解決高頻地波雷達寬帶收發開關不能長時間穩定工作的難題，并且收發開關開通和關斷的延時更短，提出了保護電路的思想，單極性脈沖電路采用超快速絕緣柵雙極型晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）管，根據小電壓控制大電壓的原理，設計出了能穩定快速工作的開關脈沖生成電路，整個系統穩定、可靠，能長時間工作，能承受的發射功率更高，達到500W，隔離度更大達到95dB，收發開關的轉換時間更短，達到1.5μs以下，插入損耗和傳輸損耗更小，且引入接收機的噪聲功率較小，功率損耗也較小.

1 對稱式雙PIN二極管電路

1.1 PIN二極管開關電路的隔離度和插入損耗

隔離度ISO是PIN二極管開關的關斷有效性的量度，由開關接通時在開關輸出端測得的功率（Pout）on與開關斷開時在開關輸出端測得的功率（Pout）off之比確定［9］，用分貝表示為

插入損耗IL是通過PIN二極管開關電路結構的傳輸損耗，即開關輸入端的功率Pin與開關開通時在開關輸出端測得的功率（Pout）on之比確定，用分貝表示為

在具體的PIN二極管開關電路中，隔離度主要由PIN二極管的反偏電容Ct決定，反偏電容Ct越小隔離度越大；插入損耗主要由PIN二極管的正偏電阻Rs決定，正偏電阻Rs越小插入損耗越小.在單PIN二極管結構的開關電路中，如圖1所示，隔離度和插入損耗的表達式為

式中，Z0為傳輸線的特性阻抗，且與負載阻抗相匹配.

1.2 對稱式雙PIN二極管結構的開關電路

現有的短波段和微波段的收發開關主要采用單PIN二極管結構的開關電路，如圖1所示，這種開關電路的結構比較簡單，插入損耗也比較小，但也有其自身固有的缺陷，如隔離度不大，控制PIN偏置極性的脈沖電壓VCC1也會對主電路充電而導致控制脈沖的上升沿不陡峭，進而影響開關的轉換時間，并且較高的控制脈沖電壓會使開關電路的穩定性變差，由控制脈沖經開關電路引入接收機的噪聲功率也較大，降低了回波信號的信噪比，嚴重時會淹沒回波信號.

為了提高開關電路的隔離度、降低由控制脈沖經開關電路引入接收機的噪聲功率進而提高回波信號的信噪比、避免控制脈沖對開關主電路充電從而減少開關的轉換時間、削弱控制脈沖對開關主電路的影響從而提高其穩定度，本文在單PIN二極管結構的開關電路的基礎上提出了對稱式雙PIN二極管結構的開關電路，對稱式雙PIN二極管開關電路的隔離度更大，為單PIN二極管開關電路的兩倍，并且能有效地解決單極性脈沖電路的輸出脈沖對主開關電路進行充電而使脈沖邊沿延時增大的問題，從而明顯地提高了開關的速度，也有效地提高了開關電路的穩定性，降低了由控制脈沖經開關電路引入接收機的噪聲功率.對稱式雙PIN二極管開關電路如圖2所示.大功率短波寬帶收發開關的開關電路采用對稱式雙PIN二極管結構的開關電路，其在發射支路采用一個對稱式雙PIN二極管的開關電路，在接收支路采用一個對稱式雙PIN二極管的開關電路和一個單PIN二極管的開關電路.

經推導可得對稱式雙PIN二極管開關電路的隔離度ISO和插入損耗IL如下.

2 大功率短波寬帶收發開關

2.1 大功率短波寬帶收發開關系統的結構及功能

大功率短波寬帶收發開關主要包括開關電路、保護電路、單極性脈沖電路三個部分，開關電路分為兩個部分：發射機到天線的發射電路；天線到接收機的接收電路，保護電路為防雷電保護和過流保護，單極性脈沖電路為收發共用提供門控大脈沖，系統的整體框圖如圖3所示.

單極性脈沖電路輸出三路門控大脈沖，即發射控制脈沖TP，壓地波脈沖TB1，接收控制脈沖TB2：在發射期，TP為0V，TB1為240V，TB2為24V，此時發射電路開通，接收電路關斷，收發開關快速可靠地使天線與發射機接通而與接收機斷開；在接收期，TP為24V，TB1為0V，TB2為0V，此時發射電路斷開，接收電路開通，收發開關快速可靠地使天線與接收機接通而與發射機斷開.雷達工作時，大功率短波寬帶收發開關能快速、穩定、可靠地在發射期與接收期之間切換.

2.2 大功率短波寬帶收發開關的開關電路

開關電路由發射機到天線的發射電路和天線到接收機的接收電路兩部分組成，如圖4所示.

在開關電路中，兩個PIN管組成對稱式雙PIN二極管結構，其兩端為穩定的12V直流電壓，中間為單極性脈沖電路提供的單極性脈沖電壓，這種電路結構不僅提高了隔離度，而且有效地抑制了脈沖電壓對電路充電和放電，使控制脈沖的前后邊沿更陡峭，從而明顯地提高了開關速度，并且較大的正負偏壓進一步提高了開關的速度.

在發射期：由圖5（a）所示單極性脈沖電路產生的TP為0V，TB1為240V，TB2為24V，此時，D11和D12均正偏，呈現電阻特性，大功率發射信號以很小的插入損耗進入天線；D21和D22均反偏，呈現電容特性，由于反偏電壓很大（228V），容值很小約為0.62pF，因此對高頻信號呈現一個很大的阻抗，從而使大功率發射信號在接收支路被阻隔，保護了接收機；D3反偏，D4、D5、D6、D7均正偏，它們對進入到接收支路的發射信號進一步衰減，發射支路的插入損耗達到0.5dB以下，整個接收支路對發射信號的隔離度達到95dB，從而使發射信號以很小的損耗進入天線.在接收期，由圖5（a）所示單極性脈沖電路產生的TP為12V，TB1為0V，TB2為0V，此時，D11和D12均反偏，呈現電容特性，容值很小，約為2pF，對由天線接收的回波信號呈現一個較大的阻抗，從而使小功率回波信號在發射支路被阻斷；D21、D22、D3均正偏，呈現電阻特性，正偏電流均為60mA，阻值約為0.7Ω，從而使小功率回波信號以很小的傳輸損耗經接收支路進入接收機；D4、D5、D6、D7均反偏，呈現電容特性，容值很小約為2pF，對有用的小功率回波信號呈現一個較大的阻抗，從而使回波信號不會被衰減，整個接收支路對回波信號的衰減達到0.5dB以下.

系統的隔離度主要由開關電路決定，實驗中發射機輸出信號的功率為200W（53dBm），在發射電路開通且接收電路關斷時通過頻譜儀測得的接收機端信號功率為－42.8dBm.由公式（1）得開關電路的隔離度為95.8dB.

系統對回波信號的衰減主要由開關電路中的接收電路決定，主要為PIN二極管的插入損耗和接收電路的傳輸損耗，為得到系統對回波信號的實際衰減，在天線端輸入信號為－0.274 7dBm，當發射電路開通且接收電路關斷時在接收機端通過頻譜儀測得的信號功率為－0.840 3dBm，由于測試中同軸線會引起附加的傳輸損耗，整個系統對回波信號的衰減為0.56dB.

2.3 大功率短波寬帶收發開關的單極性脈沖電路

單極性脈沖電路為本系統的核心，其性能直接影響了本系統的性能，它為開關電路提供門控脈沖，使大功率短波寬帶收發開關在發射期和接收期交替工作，通過控制PIN二極管的偏置極性來實現.

現有的收發開關中通常采用三極管組成的雙極性脈沖電路作為脈沖控制電路，其電路結構比較復雜，輸出脈沖的前后邊沿延時較大，影響了開關的速度，并且其電路中的極性互補三極管對的偏置點很難設定，在長時間工作時不穩定，容易燒毀，特別是對于高壓脈沖表現得更為突出.由于控制脈沖只需要為開關電路提供偏置電壓，對電流的要求不高，因此本系統從控制脈沖的電壓角度出發，設計出了一種單極性脈沖電路，利用小的脈沖電壓控制生成大的脈沖電壓，再將大的脈沖電壓控制開關電路的開通與關斷，其主要由IGBT管組成的半橋電路，半橋輸出的脈沖為低電壓和高電壓時均沒有電流流過IGBT管和功耗器件，大大降低了系統的功耗，且沒有電阻接入，因此沒有充放電回路，使得輸出脈沖的前后沿均很陡峭，提高了開關的速度，它不僅實現了雙極性電路的所有功能，而且其電路更加穩定、可靠，功耗更低，速度更快，其電路圖如圖5（a）所示.

單極性脈沖電路的輸入和輸出脈沖電壓時序圖如圖5（b）所示，其中發射控制脈沖TPIN和壓地波控制脈沖TBIN為同相同周期，由于實際中單極性脈沖電路的輸出脈沖TB的前后沿有延時，進而會引起開關電路的接收電路關斷和開通均有延時，因此為了保護接收機，通常使接收支路在發射期提前關斷，在接收期延后接收，即TBIN的前沿較TPIN提前Δt1，后沿較TPIN滯后Δt2，Δt1和Δt2根據生成脈沖的邊沿而定，由于TB的前后沿延時均很小，由Δt2引起的距離盲區很小，遠小于高頻地波雷達的實際近距離盲區.

發射控制脈沖TPIN經施密特觸發反相器整形后輸出邊沿陡峭的TPOUTH和TPOUTL兩路控制脈沖，同樣，壓地波控制脈沖TBIN經施密特觸發反相器后輸出邊沿陡峭的TBOUTH和TBOUTL兩路控制脈沖，經過整形后，所輸出的四路控制脈沖的前后沿均達到了1.2μs以下，整形效果較好.

單極性脈沖電路輸出三路脈沖電壓，TP為0V和24V，TB1為0V和240V，TB2為0V和24V，三路脈沖的前后邊沿均很陡峭達到1.5μs以下.

單極性脈沖電路的供電電源為具有高穩定度的線性電源，如果電源的穩定度不高，則由電源產生的噪聲會淹沒弱的回波信號進而影響實驗結果.

2.4 大功率短波寬帶收發開關的保護電路

系統從保護雷達發射機和接收機的角度提出了防雷電保護和過流保護，防雷電保護設計為單向電路，從發射機輸出的大功率信號能順利送到天線，正常情況下，天線接收到的回波信號功率很小，但當天線受到雷擊時，從天線回來大電流會使防雷電保護電路斷開而保護發射機和接收機，使雷擊的代價更小；接收電路中的保護電路為過流保護，正常情況下，接收電路通過的都是很弱的回波信號，但當開關電路不正常或從天線回來的信號不正常時，保護電路會因電流大于所設定的電流值而斷開，從而保護了接收機不受損壞.

3 雷達實測結果

便攜式高頻地波雷達的天線為單極子／交叉環天線，本系統使一根單極子／交叉環天線中的單極子作為收發共用通道，使其中的交叉環作為兩個接收通道，一根單極子／交叉環天線依靠收發開關實現一發三收收發共用：發射期，收發開關快速可靠地使天線與發射機接通而與接收機斷開；在接收期，收發開關快速可靠地使天線與接收機接通而與發射機斷開.

現場實驗的效果很好，當發射機輸出峰值功率為200W的發射信號時，大功率短波寬帶收發開關能長時間穩定、可靠地工作，雷達的發射機和接收機均工作正常，收到的5km處的回波信號信噪比為30dB到40dB，大功率短波寬帶收發開關很好地實現了便攜式高頻地波雷達收發共站和其天線收發共用的功能.圖6（a）為現場實驗得到的二維距離多普勒譜圖；圖6（b）為現場實驗得到的多普勒譜圖.從圖中可以看出，本系統效果較好，第1距離元的一階峰信號的信噪比為達到40dB，能比較好地提取海流等海態參數信息.

4 結 論

大功率短波寬帶收發開關使一根天線收發共用，很大程度上縮減了天線的占地面積，同時降低了天線的架設難度，也在一定程度上保護了短波系統的接收機不受損壞，開關電路的隔離度和插入損耗均達到了較高的指標，能工作在較寬的頻帶內，脈沖電路輸出的脈沖前后沿均很陡峭，收發開關能快速地關斷和開通，且脈沖電路的功耗較低，能長時間穩定工作，整個大功率短波寬帶收發開關在現場實驗中有較好的表現，很好地實現了其功能.

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High power HF wideband antenna T／R switch

ZHOU Hao FANG Fan WEN Biyang
（School of Electronic Information，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China）

In order to realize an antenna for transmitting and receiving sharing，developing a high-power HF wideband T／R switch，it is mainly used for high frequency radar and high power HF communication system.Putting forward the switch circuit which taking the symmetric PIN diodes as the core from the view of improving the isolation，in order to reduce the switching time of switch，reduce power consumption and improve its stability，putting forward taking the unipolar pulse circuit as control pulse circuit of switch circuit，at the same time，putting forward the protection circuit of the receiver and transmitter.In the portable high frequency surface wave radar system，the crossedloop／monopole antenna realize transmitting and receiving sharing through the high-power HF wideband T／R switch，simplifying the antenna system of portable high frequency surface wave radar，reducing the antenna area，also reducing the difficulty of erecting the antenna，This system has the characteristics of simple hardware circuit，low power consumption，stabilization and reliability.

HFSWR；HF T／R switch；FMICW；symmetrical double PIN diodes；unipolar pulse

TN958.93

A

1005-0388（2015）01-0121-07

周 浩 （1978－），男，湖北人，武漢大學電子信息學院副教授，博士.主要研究方向為自適應信號處理、陣列信號處理以及海洋環境監測技術.

方 繁 （1990－），男，湖北人，碩士，主要研究方向為高頻地波雷達系統設計、陣列信號處理、現代電路設計。

文必洋 （1963－），男，湖北人，武漢大學電子信息學院教授，博士，博士研究生導師.研究方向為高頻地波雷達海洋環境監測技術、目標檢測與跟蹤、自適應信號處理陣列信號處理等.

周 浩，方 繁，文必洋.大功率短波寬帶天線收發開關［J］.電波科學學報，2015，30（1）：121-127.

10.13443／j.cjors.2014031401

ZHOU Hao，FANG Fan，WEN Biyang.High power HF wideband antenna T／R switch［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：121-127.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014031401

2014-03-14

國家重大科學儀器專項（2013YQ160793）；國家自然科學基金（61371198）聯系人：方繁E-mail：fangfan＠whu.edu.cn