C頻段收發前端高隔離環形器設計與實現技術*

馬美霞，段斌，趙慧敏，張波

(中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術國家級重點實驗室，陜西 西安 710100)

C頻段收發前端高隔離環形器設計與實現技術*

馬美霞，段斌，趙慧敏，張波

(中國空間技術研究院西安分院 空間微波技術國家級重點實驗室，陜西 西安 710100)

介紹了微位移測量系統微波收發信道微波前端高隔離環形器的具體設計方法、實現形式以及測試結果。微位移收發信道是同頻、同時、同天線的工作體制，所以發射信號會通過環形器泄露到接收信道中，造成接收通道飽和，接收信道對有用信號的信噪比，影響最后的系統測量精度；或者使得整個系統的測量距離很小，無法實際工程應用。為了在接收信道中將發射信號通過環形器泄露到接收信道中的信號進行抑制，采用的方法是在發射信道末端通過耦合器耦合一定信號能量，并使耦合信號進過可調衰減器和移相器對其幅度和相位進行調整，使耦合信號與泄露信號的幅度相等、相位相差180°，從而達到對環形器泄露信號的抑制抵消。該高隔離環形器指標要求工作頻段是5 750～5 850 MHz，發射端輸出電平高于30 dBm,接收端口對發射端口隔離度110 dB(最大)，穩態大于88 dB，噪聲系數小于3.5 dB。

微位移；對消；信噪比；隔離度；環形器；三同

0 引言

近年來全國多地地震、洪澇等災害頻發，對人民生命財產、大型公共設施造成巨大的損失和破壞，為了能有效降低由此帶來的不良影響，有效的方法是加強預警機制。對于大型水庫的庫岸邊坡，山區公路、鐵路邊坡有危巖、滑坡、地裂等地質災害，橋梁、大壩、摩天大樓等大型建筑會發生微位移、微變形。微位移量是危險報警的主要監測參數。

1 微位移測量系統原理

微位移基本測量系統如圖1所示，由安放在被測點上的角反射器和測點上的微波比相設備構成。并設微位移方向與電波傳播方向近似平行。角發射器由3塊鋁板構成，對微波有較強的反射力，把入射到它的微波按原路徑全反射回來[1-4]。微位移同頻、同時、同天線的工作體制實現，主要取決于關鍵電路環形器的高隔離度。

微位移測量系統工作原理如下：

如圖1所示，晶體振蕩器產生的200 kHz單頻信號經過發射信道變頻到5.8 GHz，再過后端高隔離環形器、收發天線發射出去，經過角發射器發射后，在經過收發天線、高隔離環形器以及后端接收信道變頻到200 kHz。將此變頻后信號與晶體振蕩器產生另一路200 kHz信號在鑒相器PD中比相，得到表示相位差的電平U=kφ，k為比例常數(V/(°))，φ為相位差(°)，由電平指示器顯示，或把此電路經A/D變換后數字顯示，如位移太大，使相位差φ超過360°，則由整周計數器作整周計數計，設整周數為N[1]。同時，為了消除不同參考源頻率與相位漂移導致的相位測量誤差，收發信道采取同參考源。

2 高隔離環形器設計

高隔離環形器結構框圖如圖2所示[5]，根據隔離度實現的高低，可分為一級對消形式和兩級對消形式。以下就具體電路設計、仿真和計算作出詳細介紹。

圖2 高隔離環形器結構Fig.2 High isolation circulator’s structure

2.1 一級對消電路

一級對消電路的組成如圖3所示：隔離度為25 dB環形器，耦合度10 dB耦合器，隔離器，0°～360°模擬移相器，0～50 dB模擬衰減器，放大器。其工作原理是，通過調整移相器和衰減器相位與幅度，使耦合到端口2的信號VAPe-jθAP與經過環形器泄露到端口2信號Ve-jθ幅度相等V=VAP，相位差θ=θAP±n·180°(n為奇數)，兩者達到對消，從而實現理想的高隔離度[6-10]。

考慮元器件實際精度普遍水平，即移相器精度是1°，衰減器精度0.1 dB，仿真隔離度達-74.01 dB，仿真原理圖和結果如圖3。

由于在工程應用中，元器件的絕對相移量和衰減量會隨環境溫度變化而較大偏離，其中移相器相位溫度穩定度為1.0°/10℃，衰減器衰減溫度穩定度為0.2 dB/10℃，天線端口阻抗偏離為(50±3)Ω，因此根據以上3種工程情況，仿真出環形器隔離度敏感度特性，3種工程情況：衰減量固定(取值17 dB)時相位(180±10)°變化，相位固定(取值180°)時衰減量(17±1)dB變化，衰減量和相位固定時天線端口阻抗偏離(50±3)Ω，如表1～3所示。

得出結論，相移量、衰減量溫度穩定度和天線端口阻抗偏離會使隔離度惡化，所以為達到高隔離度，要么必須在一級對消電路外加溫控措施，確保溫度變化范圍小于10℃，并且確保天線端口阻抗為50 Ω，要么采取更優化的電路設計：兩級對消電路。然而工程實現上，前者會帶來體積、重量、功耗等成本較大增加，而后者則完全可以在部件電路內部實現，成本較低。

表1 衰減量17 dB相移量變化的隔離度Table 1 Isolation when alterable phase value and attenuator in 17 dB

表2 相移量180°固定衰減量變化的隔離度Table 2 Isolation when alterable attenuator value and phase in 180°

表3 相移量180°衰減量17 dB固定天線端口阻抗偏離的隔離度Table 3 Isolation when alterable impedance from antenna, attenuator in 17 dB and phase in 180°

經過計算、仿真一級對消電路的隔離度能達到74 dB，也即最終進入接收信道的泄露信號電平為-44 dBm，未達到指標要求的隔離度110 dB(最大)，穩態大于88 dB。在考慮工程應用成本情況下，實現高隔離度，將環形器設計為兩級對消電路形式，具體方法見第2.2節內容。

2.2 兩級對消電路

兩級對消電路是在一級粗調對消電路(1支路)基礎上再增加一級精調對消支路(2支路)，原理如圖4所示。仿真調整1支路的移相器、衰減器和2支路的移相器、衰減器4個變量，仿真隔離度達到117.508 dB(考慮元器件實際精度)，達到110 dB(最大值)指標要求。

圖4 兩級對消模式電路圖和仿真結果Fig.4 Two-stage cancellation’s circuit diagram and simulation

3 組裝、測試和結果分析

3.1 組裝、測試

此次完成的高隔離環形器產品是兩級對消形式，由集成模塊經過同軸電纜互連完成。

工程實現中，調整移相器、衰減器，會引起器件駐波變化，帶來電路內微波信號反射振蕩疊加，導致對消電路不穩定，所以為保證穩定性，在移相器、衰減器等模塊之間增加隔離器，消除了駐波變化引入的不穩定。同時調整兩支路的功率分布，讓對消支路工作在線性區，達到對消穩定[11-12]。如圖5所示。

圖5 高隔離環形器實物照片Fig.5 Picture of high isolation circulator

測試時將環形器公共端口接天線，發射端口接微位移發射信道輸出端口，信號頻率5.8 GHz，電平+23.21 dBm，通過調整產品面板上4個電位器來改變2個移相器、2個衰減器的控制電壓，從而調整2個對消支路相移量、衰減量。在對消完成后，在接收端口測得5.8 GHz信號電平為-91.35 dBm，經過15～20 min穩定后達到-67.68 dBm，也即高隔離環形器隔離度達到115 dB，穩定后達到91 dB。測試圖如圖6所示。

圖6 高隔離環形器測試圖Fig.6 Test pattern of high isolation circulator

3.2 結果分析

產品穩定后測試隔離度達到91 dB，而仿真隔離度可以達到117.508 dB。隔離度實物測試值與仿真結果有一定差距的主要原因：

(1) 對消電路中衰減器和移相器的控制電壓是由改變電位器電阻比例進行調整，當調試好后電位器調整臂存在一定的機械位移，參與分壓的電阻值變化，導致控制電壓的變化。

(2) 在長時間加電過程中產品溫度變化，同樣控制電壓下，衰減量和相移量會有變化，從表1～3隔離度敏感特性分析可以看出，衰減量和相移量有很小的變化0.1 dB和1°的變化將導致隔離度有10 dB變化，隔離度越高此變化越大。

4 結束語

本文設計了一種高隔離度環形器。闡述了其應用背景、系統中位置、實現的原理形式，并給出一級對消和兩級對消形式原理電路、仿真和測試結果。產品可承受功率大于等于30 dBm，隔離度達到115 dB，穩定后達到91 dB。產品參與位移系統聯試表現良好，達到系統應用需要。

[1] 曾浩，楊士中，曹海林.一種遠距離大目標微位移測量系統設計[J]. 儀器儀表學報，2008，29(5)：1084-1087. ZENG Hao,YANG Shi-zhong,CAO Hai-lin.New Micro-Displacement Measurement System for Large Object in Lang Distance[J].Chinese Journal of Scientific Iinstrument，2008，29(5)：1084-1087.

[2] 齊峰.連續波雷達寬帶泄露信號對消技術研究[D].南京：南京理工大學，2007. QI feng.Studies on Cancellation Technology of Wide-Band Leakage From CW Radar[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2007.

[3] XU Zhen-feng.CAO Liang-cai,SU Ping.Micro-Displacement Sensor with Large Dynamic Range Based on Photonic Crystal Co-Directional Coupler[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,2007,43(2):182-187.

[4] IZUTSU M,ENOKIHARA A,SUETA T.Optical Waweguide Microdisplacement Sensor[J].IEEE Electronics Letters,1982,18(20):867-868.

[5] 楊士中.一種微位移測量技術：中國，CN1542407[P].2003-11-04. YANG Shi-zhong.A Microdisplacement Measure Technology:China,CN1542407[P].2003-11-04.

[6] WATKINS S E. Smart Bridges with Fiber Optic Sensors[J].IEEE Instrumentation & Measurement Magazine,2003,6(2):25-30.

[7] 何福紅，李勇，張晴雯.基于GPS不同測量間距的DEM地形信息提取溝蝕參數對比[J].水土保持學報，2006，20(5)：116-120. HE Fu-hong,LI Yong,ZHANG Qing-wen.Comparison of Topographic-Related Parameters Through Different GPS-Survey Scales in Gully Catchments of Upper Yangtze River Basin[J].Journal of Soil Water Conservation,2006，20(5)：116-120.

[8] JOHN D K,RONALD J M.天線[M].3版.章文勛，譯.北京：電子工業出版社，2004:276-299. JOHN D K,RONALD J M.Antennas:for all Applications[M].3rd ed.ZHANG Wen-xun，Trans.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:276-299.

[9] 賀靜波，劉曉東.雷達作用距離的分形技術研究[J].系統工程與電子技術，2006，28(1)：53-55. HE Jing-bo,LIU Xiao-dong.Studies on Fractal Features of Radar Range[J] Systems Engineering and Electronics,2006，28(1)：53-55.

[10] KRATYUK V,HANUMOLU PK, UN-KU MOON.A Design Procedure for All-Digital Phase-Locked Loops Based on a Charge-Pump Phase-Locked-Loop Analogy[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II:Express Briefs,2007,54(3):247-251.

[11] Merrill I Skolnik. Radar Handbook[M].2nd ed.NewYork:McGraw-Hill inc.,1990

[12] ZHANG Guo-hua,ZHU Chang,FU Yun-qi,et al. Using High Impedance Ground Plane for Radiation Improving in Microwave Antennas [C]∥IEEE APMC2005 Proceedings,2005,11:1-4.

Design and Realization Technology of High Isolation Circulator in Microwave Transceiver

MA Mei-xia，DUAN Bin，ZHAO Hui-min，ZHANG Bo

(China Academy of Space Technology(Xi’an)，National Key Laboratory of Space Microwave Technology，Shaanxi Xi’an 710100，China)

The design and realization of high isolation Circulator in microwave transceiver is presented. In a micro displacement measuring system which adopts co-frequency co-time and co-antenna configuration, the measuring accuracy usually will be aggravated by the leakage from the transmitter to the receiver, which could be larger than the reflecting signal and lead to an overdrive to the receiver channel and a worse C/N ratio. In this case, the measure precision will be affected or the micro displacement measuring system cannot come true for small measuring distance. To reduce the leakage, a certain level RF signals obtained through a coupler at the transmitter and then adaptive processed by a attenuator and a phase shifter, so the high leakage suppression can be realized by the offset between the reflect signal from the antenna and the coupling signal which have been adjusted to the adaptive condition. The circulator works at the frequency of 5 750～5 850 MHz, the leakage suppression could be 110 dB (maxim), better than 88 dB (steady state) and a noise factor less than 3.5 dB.

micro displacement；cancellation；signal-to-noise ratio；isolation；circulator；co-frequency co-time and co-antenna

2014-03-15；

2014-07-06

馬美霞(1982-)，女，陜西榆林人。工程師，碩士，研究方向為空間微波技術。

通信地址：710100 陜西省西安市航天基地東長安街504號 E-mail：mameixial@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.017

P225.3;TN61

A

1009-086X(2015)-03-0093-05