定向耦合器在天線隔離度測試中的應用

梁小亮 史劍鋒 寧 敏 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

天線作為飛機通信導航系統中電磁能量的發射和接收端口，最有可能形成相互的輻射干擾，即天線的能量發生相互耦合。而在飛機位置有限的機體結構上，天線間的耦合情況相對較為嚴重[1-2]。天線隔離度是衡量天線之間電磁能量相互耦合的程度，是衡量系統電磁兼容性的一個關鍵指標。為了更好地驗證天線間的電磁兼容性，需要對天線間的隔離度進行測試，這為天線布局優化設計及設計驗證提供了數據支持。理論上天線隔離度的影響因素較多[3]，主要包括發射天線和接收天線的電壓駐波比VSWR(voltage standing wave ratio)，發射系數ρ的相位差以及歸一化互阻抗Z12。但一般在實際工程測試中，天線端口和轉接口等并不是阻抗完全匹配，仍有反射波存在，不過通常默認為所有轉接口都理想匹配，從而可以較為便捷地得到測試數據。天線隔離度測試方法一般有兩種，第一種方法分為兩步，首先是在不接入發射天線和接收天線的情況下，在測試系統功率放大器的輸出端插入衰減器，通過連接頻譜儀直接讀取接收端的功率，然后接入發射天線和接收天線，以同樣的發射功率進行發射，讀取接收天線輸出端口的功率，兩者相差即可得到天線隔離度[4-5]。但是這種測試方法在實際測試操作中較為繁瑣，相對耗時也比較長。第二種測試方法是通過定向耦合器的端口功率檢測，得到發射天線端口輸入功率和接收天線端口輸出功率，根據隔離度定義計算天線隔離度。

1 定向耦合器性能參數及其測試方法

定向耦合器在微波技術的各個領域中用途很廣泛，是一種具有方向性的功率耦合(分配)的微波元件，可以用于進行功率檢測和分離。定向耦合器是一個四端口器件, 如圖1所示，當電磁波從輸入端口(端口1)輸入時，除了有一部分能量直接從直通端口(端口2)輸出外，同時還有部分能量從耦合端口(端口3)輸出。當各端口都接匹配負載時，若端口1加信號，則端口2、3有輸出，隔離端口(端口4)理論上是沒有輸出，但是在實際工程中，端口4一般都不是0。

定向耦合器的性能參數有工作頻段、耦合度、隔離度、方向性、插入損耗等。耦合度定義為，端口1輸入功率和端口3輸出功率之比，如式(1)所示：

(1)

其中，P1為定向耦合器端口1的輸入功率，單位為W；P3為端口1耦合到端口3的功率，單位為W，耦合度單位為dB。

主線插入損耗定義為端口1輸入功率和端口2輸出功率之比，如式(2)所示，

(2)

其中，P1為定向耦合器端口1的輸入功率，單位為W；P2為端口2輸出功率，單位為W，插入損耗單位為dB。

圖1 定向耦合器示意圖

定向耦合器為四端口網絡，其耦合度和插入損耗可以通過矢量網絡矢量分析儀測量散射參數S31和S21得到。散射參數Sij定義為，在j端口施加入射波電壓為Vj+時，端口i上的反射波電壓Vi-和Vj+的比值，如式(3)所示，此式成立的條件是除了j端口其他端口都必須匹配(即j端口外的其他端口入射波都為0)。

(3)

根據散射參數定義，可以得出耦合度C和主線插入損耗L采用矢網進行測試時的計算方法[6]，如式(4)、(5)所示。

(5)

以測試定向耦合器的耦合度C為例，如圖2所示，可以通過測試耦合器的散射參數S31得到，首先對矢網的IN端口和OUT端口進行開路、短路、50 Ω匹配進行校準，然后把定向耦合器的端口1和端口3分別接到矢網的IN端和OUT端，定向耦合器的端口2和端口4接50Ω匹配負載。得到S31以后，通過式(5)計算得出定向耦合器的主線插入損耗。同理，可以利用此方法計算定向耦合器的耦合度。理論上，定向耦合器的耦合度和主線插入損耗都是頻率的函數，但是實際工程中，在使用頻段內定向耦合器的耦合度和主線插入損耗值隨著頻率變化非常微小，一般當做常數處理。

圖2 定向耦合器耦合度測試 本期專題:民機計量與檢測

2 天線隔離度測試方法

天線隔離度定義為接收天線凈輸出功率與發射天線的凈輸入功率的比值[7]，如式(6)所示，Pt為在發射天線端的凈輸入功率，單位為W；Pr為在接收天線端的凈輸出功率，單位為W；D為收發天線之間的隔離度，單位為dB。一般工程中，Pt和Pr采用dBm為單位，則隔離度為兩者之差。

(6)

通過定向耦合器測試天線隔離度的測試原理如圖3所示。其工作原理是通過測試定向耦合器的耦合端口和隔離端口的功率值，計算出耦合器直通端口的輸出功率，即發射天線的輸入功率。同理，可以得到接收天線的輸出功率。

圖3 機載天線隔離度測試示意圖

根據式(1)、(2)，測試端口3和端口4的功率可以得出發射天線端口的凈發射功率，具體分析過程為：首先通過端口3的測試功率和定向耦合器的耦合度得出定向耦合器端口1的輸入功率，再減去插入損耗，得到端口2的輸出功率，由于端口4有測試值，表明端口2有反射存在，所以，在考慮線纜損耗情況下，發射天線的凈輸入功率可由式(7)計算得出。

(7)

其中，P13為連接發射天線的定向耦合器端口3的測量功率，單位為dBm；C1為定向耦合器的耦合度，單位為dB；L′為主線插入損耗，單位為dB；P14為連接發射天線的定向耦合器端口4的測量功率，單位為dBm；L1為定向耦合器到天線端口的連接電纜和轉接頭的損耗，單位為dB，L1按式(8)計算：

L1=L1a+LT1+L1b

(8)

其中，L1a為定向耦合器到轉接頭的測試電纜插入損耗，單位為dB；LT1為轉接頭的插入損耗，單位為dB；L1b為連接發射天線的專用電纜插入損耗，單位為dB。

接收天線輸出至定向耦合器的端口1，因此可以根據耦合度的定義由式(9)直接得到接收天線的凈輸出功率：

Pr=P23+C2+L2

(9)

其中，P23為連接接收天線的定向耦合器端口3的測量功率，單位為dBm；C2為定向耦合器的耦合度，單位為dB；L2為定向耦合器到天線端口的連接電纜和轉接頭的損耗，單位為dB；L2按式(10)計算如下：

L2=L2a+LT2+L2b

(10)

其中，L2a為接收天線到轉接頭的專用電纜的插入損耗，單位為dB；LT2為轉接頭的插入損耗，單位為dB；L2b為連接定向耦合器的測試電纜插入損耗，單位為dB。

將式(7)、(9)代入式(6)，可以得到發射天線和接收天線之間的隔離度為：

(11)

3 天線隔離度測試及結果

測試選取發射天線和接收天線為兩套機載甚高頻(VHF)天線，取典型的測試頻點120 MHz、130 MHz和135 MHz，信號源發射17 dBm信號，連接發射天線的定向耦合器的耦合度C1為50 dB，通過機身上部的甚高頻天線VHF2發射。機身下部的甚高頻天線VHF1連接定向耦合器的耦合度C2為40 dB，并對隔離端口功率進行了檢測，發現其和環境噪聲處于同一電平等級，直通端口連接負載進行吸收。

發射天線定向耦合器輸出端口與發射天線端口之間的測試射頻電纜為10 m，天線專用轉接電纜為1 m。接收天線定向耦合器接收端口與接收天線端口之間測試射頻電纜為8 m，天線專用轉接電纜為1 m。依據電纜插入損耗數值(優質射頻電纜的統計值)及考慮測試現場環境條件，取測試射頻電纜插入損耗為0.07 dB/m，轉接頭插入損耗為0.1 dB，天線專用轉接電纜插入損耗0.1 dB/m。計算得出L1=0.9 dB，L2=0.76 dB。與發射天線連接的定向耦合器的主線插入損耗L′為0.01 dB。

為了保證試驗數據的可靠性，每個頻點測試三次后取平均值作為隔離度計算結果。根據以上測試方法，計算出兩個甚高頻天線在三個頻點下的隔離度分別為56.48 dB、50.49 dB和52.25 dB。

4 結論

通過定向耦合器定義性能參數和天線隔離度定義，給出了天線隔離度測試方法，并在飛機上進行了工程測試。測試結果表明，兩個VHF天線的隔離度滿足設計要求，天線占位設計合理。需要注意的是，測試過程中，應該結合測試頻段和定向耦合器的耦合度等因素合理選擇定向耦合器的型號和規格。