环行器/隔离器在微波通信中的应用

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1  前言
        当今世界已进入信息化时代，灵活、多样、方便的通信手段已使人类居住的地球变成了一个村落。据日本电子工业振兴会预测，2010年世界电子信息产业市场将达34万亿美元，年均增长率为7.4%，其中通信设备工业市场将达到3636.5亿美元，年均增长率为6.6%；电子整机销售年均增长4.6%，电子元器件年均增长率为6.7%。中国电子信息产业今后十年将保持3倍于国民生产总值增长率即年均增长率20%的速度发展，现代通信与网络是重点发展领域之一。至2005年，通信产业业务收入1万亿元，年增长率23.3%；制造业收入达2.5万亿元，年增长率20%，年销售收入1.5万亿元，年增长20%，出口1000亿美元，年增长率15%；
           
          通信能力：光缆总长250万公里，基本覆盖全国城乡，固定交换设备总容量超过3亿门，移动通信交换总容量超过3.6亿户。可见国际国内通信产业市场特别是国内市场多么的巨大。
           
          10－9μm～1mm的电磁场，其中包括了无线电波、红外线、光波及γ射线等。而无线电波又分为长波、中波、短波和微波。作为通信手段，其过程如图1所 示。其中声音、图像、数据等信息为第一载体，电磁波为第二载体，必须将第一载体加于第二载体上，通信才能实现。作为通信系统可分为有线和无线两大类，用无 线电波传送的则为无线通信，而用长、中、短波的无线通信称为普通无线通信；用微波进行通信手段的则称为微波通信，它是现代无线通信的主力军。

       

          300MHz～300GHz的无线电波，其频带宽度为299.7GHz，占整个无线电频带的99.9%，这是一个十分可贵的频率资源。而微波又分为分米波、厘米波和毫米波频段，其信道频带宽度分别为几MHz、几十MHz和上千MHz。若一路电视广播占用4～8MHz的话，一部毫米波发射机可同时发送几百套电视节目；若以一路电视所占用频宽为1500路电话的频带宽度来计算的话，则毫米波通信系统可同时传送几十万路电话。可见微波通信的通信潜力十分巨大。 /隔离器器件则是极为重要的一大类高频元器件。
           
          2 环行器/隔离器在微波通信中的地位与作用
        80%以上都用于军事上，如精密制导雷达、舰载雷达、机载、远程警戒预警雷达，导航和炮描雷达等都采用了相控阵天线。例如海湾战争中，美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术，而铁氧体移相器则是相控阵技术的关键元件之一。在AV/MPQ导弹系统中使用了5161个X波段铁氧体移相器，它可以同时监视100个目标，同时跟踪8个目标，同时制导8枚导弹。冷战结束后，美俄等发达国家，也实行了“军转民”战略，微波铁氧体器件开始大量向民用方面转移，所以在卫星通信、微波通信、微波能应用、工农医疗等方面获得了广泛应用，市场日益扩大。   
           
          3  应用与市场
        3.1  微波通信的方式
        3.1.1  卫星通信:由地球站、通信卫星、转发器、接收站组成，其工作频段有S、C、X、K波段，即将开发的有V、Q和M波段。
         
        3.1.2  微波接力通信:由始发站、中继（接力）站和终端站组成，它是利用电磁波沿地面直线传播，中继站间的距离50km，工作频段为150MHz至20GHz，其典型频段是2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、11GHz、12GHz和20GHz，费用低，颇受欢迎。
         
        3.1.3  移动通信它：是在移动用户间，移动用户与固定站或移动站之间的通信，其业务是：无线通电话——便携式或双向无线电话；无线传呼系统——单向、双向；调度系统——车队调度等；移动电话；无线电数据包交换；工作频段为超高频、L、C和Ku波段等。
         
        3.1.4  无线电系统包括点对点、一点对多点用户无线电通信系统，特别适宜于农村和城市近郊，工作频段是短波，特高频，L、S、K波段等。
         
        3.1.5  有线微波传输：它有同轴、波导等之分，特别是长距离通信优于微波中继通信。
         
        3.1.6  散射通信工作频率为400～6000MHz，可靠性高达99.9%。
            总之，微波通信的优点是：无线增益高，方向性强，通信容量大，稳定性好，信噪比高，可靠性好，但网灵活性大，投资和维护费用低；若将模拟式转换为数字式，更易于加密处理，抗干扰性更强，效率更高。上述各种微波通信方式都离不开铁氧体环行器、隔离器，凡微波发射、接收、传输系统中都有它的应用。
         
          3.2  在微波通信中的应用
        环行器/隔离器在现代通信中占有重点地位，起着其他元器件不可替代的作用。现就它在移动通信和微波中继通信中的具体应用，着重介绍如下。
         
        3.2.1  在移动通信中的应用
        移动通信系指移动用户之间、移动通用户与固定站之间或移动台之间的一种通信，如图2所示。
           

       

         

          移动通信已经历了模拟语音移动通信（第一代）、数字语音移动通信（第二代）如GSM、CDMA两 代，现已进入了能覆盖全球的多媒体通信——第三代，其主要特点之一是可以实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任意人之间的交流成为可能；将来还要发展到 第四代——高速移动通信。这些系统都属于无线通信之列，它们都要采用微波作为传输手段，因此微波铁氧体环行器、隔离器是不可缺少的基本器件。   
           
          隔离器在移动通信中的应用主要是在基台（站）和移动台系统中。而在基台和移动台中主要作收、发信机的天线共用装置（双工器或多工器），在发射和接收系统中作功率放大器、开关放大器的输入和输出隔离以及在测量系统中起去耦作用，里已有较好论述，在此不再论及，但就一些应用实例以及在当前数字式手持电话的应用作一介绍。    1）中继器和基台无线设备    LCX）原理作成列车隧道通信系统时，当隧道很长时要在隧道内增设几个中继器才能实现有效通信，图3a、b分别示出了直接放大式中继器（外用、内用）组成方框图。在这两个中继器中均要使用环行器作功率分配与合成器、双工器。
           

       
          

         

          在基台无线设备中，由于移动台和波道很多，必须对互调作充分、仔细考虑。当基台分散配置时，一个移动台将会收到几个发射天线所发出的强弱不同的信号会产生频率相互调制，干扰有用信号的接收；各波道间也必然会产生互调产物。为此在发信系统中采用了集中基台方式，如图4所示。这时共用一个发射天线，利用桥接电路和环行器实现了一付基台发射天线可供64个波道使用，而且在每一个发信机线路上使用了一个隔离器。在基台接收系统中，由于每一波道的分配损失太大，利用一付天线不能达到全部波道共用的要求，所以采取一付天线16个波道共用的方式，如图5所示，而每一收信机线路中又使用了一个隔离器。
           

       

       

         
          2）手持式数字电话系统
        随着移动通信技术的不断发展，对其环行器/隔离器的基本要求则是高性能（低插入损耗、高隔离度、宽频带、高功率及高的温度稳定性等）、小型轻量、低成本，尤其是用于手机中的器件，小型轻量与低成本显得特别重要。用于手持式数字电话系统的环行器/隔离器同样是作天线共用器和发射功率放大器输出隔离去耦，如图6、图7所示。
           

       

       
         

         

          微波中继（接力）通信是利用微波频段的无线电波传递信息的。由于大地对微波要强烈吸收，电离层又不能反射，所以沿地面是直视传播，其传播距离称为视距。所谓视距离是指当天线高度一定时微波直接传播的距离。中继线标准距离为2500公里，插在中间的主要微波站为主站，线路两端的为终端站，主站为双向性的，其设备比终端站多一倍，站间距离为50公里。    /隔离器主要用于发、收信设备的高频系统（图8）中，其中包括发信输出单元、混频单元、发信本振（图8a）以及收信单元、收信本振（图8b）。环行器均是接在单向器（隔离器，即在环行器的第三端上接以匹配负载）的形式，主要起级间隔离作用。