1、引言
在現代無線通信中，經常將多部電臺安裝在同一地點，并要求多部電臺滿足同時跳頻模式。為了解決復雜電磁兼容問題，本文給出如圖1所示的新型梳妝濾波放大合路器方案。這種方案極大的減少了過去合路器插入損耗大，功放的線性度和效率之間的矛盾等問題，是較先進的合路器方案，但需要合路器和收發信機一起設計，比較復雜。對于這種跳頻通信需要的合路器，前級兩組定頻多工器可采用經典的方法設計[1]或用其它方法來實現。本文主要研究位于后級的30-88MHz跳頻合路器的設計方法，主要采用了90°定向耦合器多工器方案。

圖1 新型合路器方案

2 、90°定向耦合器設計

由于需要工作的頻帶是30-88MHz，帶寬很寬，所以選用多節對稱耦合傳輸線來設計。選用最平坦設計，端口特性阻抗為50歐姆，根據經典設計方法[1-2]，查表[2]可得3階對稱傳輸線的歸一化的偶模阻抗如表1所示，從而可以計算相應的奇偶模阻抗值。

表1 定向耦合器阻抗值

30-88MHz的頻率低，中心頻率四分之一波長尺寸很大，這里可以選擇的線型較多，其中寬邊耦合帶狀線相比而言顯得更能夠滿足小型化的要求。這里線型選擇為寬邊耦合帶狀線如圖2所示。這種結構，具有體積小、功率容量大、損耗小、分配（合成）端口平衡性能優等特點。使用上文得到阻抗，運用HP公司的EESOF微波軟件[3]可以很好的綜合出實際的尺寸。

圖2 寬邊耦合帶狀線結構

本文選用介電常數為2.65，厚度為2.75mm，中間介質厚度為0.15mm的板材進行仿真，綜合尺寸如下：

第一節線：width1=width2=2mm, offset1=2.32mm, length1=235.7mm

第二節線：width1=width2=0.74mm, offset2=0.12mm, length2=539mm

把上述參數代入AWR中進行電路仿真，并進行優化得到較好的值。然后在HFSS中建立模型，進行全波仿真。選用粗糙度為1.7um的銅進行仿真，結構如圖3所示，物理尺寸小于10cm×10cm，仿真結果如圖4所示，該定向耦合器各個端口駐波均小于1.22，隔離大于21dB,幅度的平坦度為 0.95，相位平坦度為 5°，插入損耗小于0.35db，是比較好的仿真結果。

圖3 電橋仿真模型

(a)

(b)

(c)

(d)

圖4 0°定向耦合器仿真結果(a)耦合度 (b)隔離度 (c)各端口駐波比 (d)相位差

3 、合路器仿真

本文采用如圖5所示的定向耦合器[1,2,4,5]多工器方案設計30-88MHz合路器。

圖5 90°定向耦合器多工器原理圖

在本方案中，每個通道有兩個完全相同的濾波器和兩個完全相同的90°定向耦合器。這種方案的主要優點是90°定向耦合器的方向性，這使得濾波器之間的相互干擾最小化。因此，90°定向耦合器多工器適合模塊化設計，它允許靈活增加新的通道，新的通道對原來的多工器沒有任何影響，這個特點在一些系統的設計中是需要的。另外一個重要的優點是每次只有一半的功率通過濾波，這給在一些高功率多工器設計中的濾波器設計帶來了方便。但是，這種方案每個通道需要兩個濾波器和兩個90°定向耦合器，它的體積會很大。此外，在每個通道，信號經過的兩條路徑的相位的偏差要小，這樣才能使得兩個信號在輸出端無失真的疊加，這就對多工器的加工精度提出了較高的要求，調試的時候也比較困難。另外，對于這種級聯形式方案，末級通道的插入損耗較大。

使用90°定向耦合器方案來設計本例的跳頻合路器[6-9]，如圖6所示，這里的濾波器為實測電調濾波器的s2p數據，定向耦合器為HFSS仿真的s4p數據，這里沒有考慮連接電纜的影響。因為實際中連接電纜很短，多為鋼性電纜，電纜的插入損耗很小，一致性也很高，所以在這里忽略其影響來仿真是可行的。

圖6 跳頻合路器仿真圖

仿真結果如圖7所示。由仿真結果可見在30-88MHz頻段內插入損耗小于3，駐波小于2，仿真結果較好。其中實線為插入損耗設為0.2的理想定向耦合器仿真結果，虛線為HFSS仿真的定向耦合器的仿真結果。可見HFSS仿真模型和理想模型差距較為接近。

下面進行多種組合，查看反射和傳輸特性，最惡劣情況如圖8，9所示。可見由于是串聯形式方案，第四路如果處于高端的話，插入損耗在變得較大為-3.5dB，因為一方面電調濾波器在高端由于諧振腔間的耦合不合適，本身插入損耗較大，另一方面第四路經過多個定向耦合器，插人損耗積累，使得性能逐漸惡劣。所以定向耦合器的插入損耗是制約級聯方式合路器的重要因素之一。

圖7 理想與仿真結果對比

圖8 傳輸特性仿真結果

圖9 反射特性仿真結果

4 、結論

本文首先給出了解決集群通信系統中電磁兼容問題的一種新型合路器方案。接著詳細介紹了針對該方案的后級跳頻合路器的設計方法，主要包括一款30-88MHz 的90°定向耦合器的設計和合路器仿真。通過HFSS仿真，本文設計的90°定向耦合器各個端口駐波均小于1.22，隔離度大于21dB，幅度的平坦度為 0.95，相位平坦度為 5°，插入損耗小于0.35db，體積僅為10cm×10cm，性能較好。通過采用90°定向耦合器多工器方案，本文將實測電調濾波器的數據代入微波軟件，仿真了合路器性能，達到了設計要求，但由于串聯形式方案本身的缺陷，插入損耗是制約合路器的重要因素。