摘要：为了满足无人机数据链路测试中信号转换的需求，提出一种可调谐的S波段分波道微波转换开关设计方案，其中采用开关控制电路对输入微波信号进行分波道选择，两路加载集总电容的三阶方杆梳状腔体滤波器对微波信号进行选频、滤波，同时可通过调节调谐螺钉实现两波道中心谐振频点同频或异频，调谐中心频率范围可达20 MHz，自由度较高；微波开关经参数仿真结果满足设计要求，研制完成的微波开关经过实际测试和应用验证，各项技术指标满足使用要求，同时该微波转换开关具有大功率、低损耗、高隔离度等优点，性能稳定、自由度高、易于实现，可满足无人机数据链测试诊断的信号转接要求。
关键词：微波开关；腔体滤波器；可调谐
0 引言
近年来，随着相控阵雷达、微波数字通信、卫星通信、机载数据链等装备及其测试保障技术的发展，微波测试系统中出现了大量的微波控制电路，如采用微波开关电路作为控制器件实现微波信号的通、断或转接，其性能的优劣往往会直接影响整个装备或测试系统的质量，这类微波开关器件在各种军用雷达、通信电台、射频微波导航制导设备、卫星通信、机载数据链以及电子对抗等多个领域，扮演着不可或缺的角色[1]。
无人机数据链路测试决定了起飞后是否能够在微波频段范围内实现对无人机的遥控、遥测、侦察视频信息传输，以及对无人机的跟踪定位。微波转换开关在是微波数据链路测试系统中起着信号转换的重要作用，同时在相控阵雷达、电子对抗、微波通信、卫星通信以及微波测量等方而也有着广泛的应用[2]。微带元件具有功率容量低、插损大等缺点，而腔体滤波器能够承受高功率，并且具有低插损、高抑制、窄带宽等良好性能[3]。本文将腔体滤波器结构集成在微波转换开关的设计中，可实现微波转换开关大功率、窄带通、低损耗、高隔离度等优点，性能稳定、自由度高、易于实现，满足各种体制雷达及机载数据链的要求，且适应于环境恶劣的场所，具有较好的经济效益和军事效益。
1 设计原理
根据系统分析，基于腔体滤波器的可调谐微波开关的设计要求如下：
1)工作频段：S波段；
2)接通损耗：≦1.5 dB；
3)关断隔离度：≧35 dB；
4)带宽：160 MHz。
图1 分波道微波转换开关工作原理框图
整个分波道微波转换开关由一个开关控制电路和两个腔体滤波器组成，如图1所示。开关控制电路在控制信号A和控制信号B的作用下对输入的S波段微波信号进行通道选择，使其中的一路有微波信号输出，另一路无微波信号输出。两路腔体滤波器的作用是滤除带外寄生信号，保证混频器能抑制镜频干扰，并减弱寄生输出信号。每个滤波器的结构设计为加载集总电容的三阶方杆梳状窄带腔体滤波器，主要对开关控制电路输出的微波信号进行窄带选频、滤波。每路腔体滤波器可通过调节3个调谐螺钉深度，调谐得到各自中心频率，两路同频或异频都可，调谐中心频率范围可达20 MHz[4]。
2 各分模块的设计
2.1 开关控制电路的设计
开关控制电路的主要作用是根据输入的直流控制信号，对输入的微波信号进行路径选择，为了简化设计难度和调试难度，开关控制电路选用HITTITE公司的HMC435MS8GE芯片作为主芯片进行设计，该芯片工作带宽为DC～4 GHz，且无需电源供电，属于无源芯片，控制端的电压为0/+5 V，低电平有效，两个控制端A、B根据不同的电压组合来选择不同的路径，简化了设计难度和调试难度。开关控制电路的设计如图2所示。
图2 开关控制电路原理图
图2中X1为输入信号，X2和X3为输出信号，A、B为控制输入端， C1、C2、C3分别为端口隔直电容，R1、R2为保护电阻，D1、D2为端口保护二极管，目的是防止控制信号出现负电压毁坏芯片。开关控制电路的信号通断真值表如表1所示。
表1 开关控制电路信号通断真值表
2.2 分波道滤波器的仿真设计
分波道微波转换开关中腔体滤波器的作用是滤除带外寄生信号，保证混频器能抑制镜频干扰，并减弱寄生输出信号。分波道滤波器采用三阶方杆梳状腔体滤波器，即由3个TEM模谐振器之间直接耦合的平行耦合线阵列构成，每个谐振杆装有调谐螺钉，通过调节调谐螺钉的深度，来调谐滤波器的中心谐振频率[5]。
设计时，通过梳状线滤波器结构计算耦合系数，确定谐振杆导体间距和腔体尺寸。为减小体积，在梳状线滤波器各谐振器顶端设置调谐螺钉，调试时通过调谐螺钉深度来调节电容值大小，实现调谐腔体中心谐振频率f0。输入输出装置采用探针耦合方式，输入输出波导传输线直接搭焊在最外侧的两谐振杆导体内，输出连接到壳体上的SMA转接器内芯。图3为微波转换开关两分波道滤波器的结构设计仿真效果图。
图3 分波道滤波器结构设计仿真
图4 分波道滤波器仿真结果
图4为转换开关滤波器仿真得到的传输系数曲线，通过曲线可以看出，中心频点f0处接通损耗S21为-0.5 dB，带宽约160 MHz，通道隔离S31为-65 dB，满足设计要求。
3 测试与分析
微波转换开关的腔体、梳状谐振杆和调谐螺钉的材料为黄铜，输入输出同轴传输线采用殷钢，各加工件表面均镀银。由于窄带滤波器对Q值较敏感，通过提高内腔表面的光洁度要求，来保证滤波器较高的Q值和较低的插损[6]。
为了验证微波开关的性能，通过矢量网络分析仪对微波转换开关进行测试。矢量网络分析仪经过校准后，矢量网络分析仪测试端口经测试线缆分别连接端口X1和X2，X3端口加50欧姆匹配负载。测试RF1通道导通时，此时微波开关控制端A加0 V电压，控制端B加5 V电压，矢量网络分析仪测试的是X1到X2的导通损耗，当控制端A加5 V电压，控制端B加0 V电压，此时RF2导通，矢量网络分析仪测试的X1到X2的关断隔离度。
表2和表3分别列出了在S波段4个不同频点下微波开关不同导通状态的试验数据结果。
表2 X2导通时测试结果
表3 X3导通时测试结果
测试结果表明：在测试的4个频点中，其中f1、f2、f3均在滤波器带宽内，导通损耗都小于1.5 dB，关断隔离度大于36 dB，f4在滤波器带外，因此会出现频点f4的导通损耗大于其余3个频点的现象。该微波转换开关可以通过调节螺钉，使滤波器中心谐振频率在20 MHz范围内进行调整，可实现两分波道同频或异频，以满足不同场合的需求。
4 结束语
本文设计了一种可调谐的S波段分波道微波转换开关，S波段输入微波信号在控制信号的作用下可选择两路不同输出通道，并将两路腔体滤波器对输入微波信号进行选频、滤波，两分波道输出频率同频或异频都可，自由度较高，调谐频率范围可达20 MHz。该微波转换开关具有大功率、窄通带、低损耗、高隔离度等优点，性能稳定，易于实现，满足某型机载数据链测试要求，且适应于环境恶劣的场所，具有较好的经济效益和军事效益。
