環行器/隔離器在微波通信中的應用

1 前言
當今世界已進入信息化時代，靈活、多樣、方便的通信手段已使人類居住的地球變成了一個村落。據日本電子工業振興會預測，2010年世界電子信息產業市場將達34萬億美元，年均增長率為7.4%，其中通信設備工業市場將達到3636.5億美元，年均增長率為6.6%；電子整機銷售年均增長4.6%，電子元器件年均增長率為6.7%。中國電子信息產業今後十年將保持3倍於國民生產總值增長率即年均增長率20%的速度發展，現代通信與網絡是重點發展領域之一。至2005年，通信產業業務收入1萬億元，年增長率23.3%；製造業收入達2.5萬億元，年增長率20%，年銷售收入1.5萬億元，年增長20%，出口1000億美元，年增長率15%；

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通信能力：光纜總長250萬公裡，基本覆蓋全國城鄉，固定交換設備總容量超過3億門，移動通信交換總容量超過3.6億戶。可見國際國內通信產業市場特別是國內市場多麼的巨大。

10^－9μm～1mm的電磁場，其中包括了無線電波、紅外線、光波及γ射線等。而無線電波又分為長波、中波、短波和微波。作為通信手段，其過程如圖1所 示。其中聲音、圖像、數據等信息為第一載體，電磁波為第二載體，必須將第一載體加於第二載體上，通信才能實現。作為通信系統可分為有線和無線兩大類，用無 線電波傳送的則為無線通信，而用長、中、短波的無線通信稱為普通無線通信；用微波進行通信手段的則稱為微波通信，它是現代無線通信的主力軍。

300MHz～300GHz的無線電波，其頻帶寬度為299.7GHz，佔整個無線電頻帶的99.9%，這是一個十分可貴的頻率資源。而微波又分為分米波、釐米波和毫米波頻段，其信道頻帶寬度分別為幾MHz、幾十MHz和上千MHz。若一路電視廣播佔用4～8MHz的話，一部毫米波發射機可同時發送幾百套電視節目；若以一路電視所佔用頻寬為1500路電話的頻帶寬度來計算的話，則毫米波通信系統可同時傳送幾十萬路電話。可見微波通信的通信潛力十分巨大。 /隔離器器件則是極為重要的一大類高頻元器件。

2 環行器/隔離器在微波通信中的地位與作用
80%以上都用於軍事上，如精密制導雷達、艦載雷達、機載、遠程警戒預警雷達，導航和炮描雷達等都採用了相控陣天線。例如海灣戰爭中，美國威力顯赫的「愛國者」飛彈主要依靠了相控陣雷達技術，而鐵氧體移相器則是相控陣技術的關鍵元件之一。在AV/MPQ飛彈系統中使用了5161個X波段鐵氧體移相器，它可以同時監視100個目標，同時跟蹤8個目標，同時制導8枚飛彈。冷戰結束後，美俄等發達國家，也實行了「軍轉民」戰略，微波鐵氧體器件開始大量向民用方面轉移，所以在衛星通信、微波通信、微波能應用、工農醫療等方面獲得了廣泛應用，市場日益擴大。

3 應用與市場
3.1 微波通信的方式
3.1.1 衛星通信:由地球站、通信衛星、轉發器、接收站組成，其工作頻段有S、C、X、K波段，即將開發的有V、Q和M波段。

3.1.2 微波接力通信:由始發站、中繼（接力）站和終端站組成，它是利用電磁波沿地面直線傳播，中繼站間的距離50km，工作頻段為150MHz至20GHz，其典型頻段是2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz、9GHz、11GHz、12GHz和20GHz，費用低，頗受歡迎。

3.1.3 移動通信它：是在移動用戶間，移動用戶與固定站或移動站之間的通信，其業務是：無線通電話——可攜式或雙向無線電話；無線傳呼系統——單向、雙向；調度系統——車隊調度等；行動電話；無線電數據包交換；工作頻段為超高頻、L、C和Ku波段等。

3.1.4 無線電系統包括點對點、一點對多點用戶無線電通信系統，特別適宜於農村和城市近郊，工作頻段是短波，特高頻，L、S、K波段等。

3.1.5 有線微波傳輸：它有同軸、波導等之分，特別是長距離通信優於微波中繼通信。

3.1.6 散射通信工作頻率為400～6000MHz，可靠性高達99.9%。
總之，微波通信的優點是：無線增益高，方向性強，通信容量大，穩定性好，信噪比高，可靠性好，但網靈活性大，投資和維護費用低；若將模擬式轉換為數字式，更易於加密處理，抗幹擾性更強，效率更高。上述各種微波通信方式都離不開鐵氧體環行器、隔離器，凡微波發射、接收、傳輸系統中都有它的應用。

3.2 在微波通信中的應用
環行器/隔離器在現代通信中佔有重點地位，起著其他元器件不可替代的作用。現就它在移動通信和微波中繼通信中的具體應用，著重介紹如下。

3.2.1 在移動通信中的應用
移動通信係指移動用戶之間、移動通用戶與固定站之間或移動臺之間的一種通信，如圖2所示。

移動通信已經歷了模擬語音移動通信（第一代）、數字語音移動通信（第二代）如GSM、CDMA兩 代，現已進入了能覆蓋全球的多媒體通信——第三代，其主要特點之一是可以實現全球漫遊，使任意時間、任意地點、任意人之間的交流成為可能；將來還要發展到 第四代——高速移動通信。這些系統都屬於無線通信之列，它們都要採用微波作為傳輸手段，因此微波鐵氧體環行器、隔離器是不可缺少的基本器件。

隔離器在移動通信中的應用主要是在基臺（站）和移動臺系統中。而在基臺和移動臺中主要作收、發信機的天線共用裝置（雙工器或多工器），在發射和接收系統中作功率放大器、開關放大器的輸入和輸出隔離以及在測量系統中起去耦作用，裡已有較好論述，在此不再論及，但就一些應用實例以及在當前數字式手持電話的應用作一介紹。 1）中繼器和基臺無線設備 LCX）原理作成列車隧道通信系統時，當隧道很長時要在隧道內增設幾個中繼器才能實現有效通信，圖3a、b分別示出了直接放大式中繼器（外用、內用）組成方框圖。在這兩個中繼器中均要使用環行器作功率分配與合成器、雙工器。

在基臺無線設備中，由於移動臺和波道很多，必須對互調作充分、仔細考慮。當基臺分散配置時，一個移動臺將會收到幾個發射天線所發出的強弱不同的信號會產生頻率相互調製，幹擾有用信號的接收；各波道間也必然會產生互調產物。為此在發信系統中採用了集中基臺方式，如圖4所示。這時共用一個發射天線，利用橋接電路和環行器實現了一付基臺發射天線可供64個波道使用，而且在每一個發信機線路上使用了一個隔離器。在基臺接收系統中，由於每一波道的分配損失太大，利用一付天線不能達到全部波道共用的要求，所以採取一付天線16個波道共用的方式，如圖5所示，而每一收信機線路中又使用了一個隔離器。

2）手持式數字電話系統
隨著移動通信技術的不斷發展，對其環行器/隔離器的基本要求則是高性能（低插入損耗、高隔離度、寬頻帶、高功率及高的溫度穩定性等）、小型輕量、低成本，尤其是用於手機中的器件，小型輕量與低成本顯得特別重要。用於手持式數字電話系統的環行器/隔離器同樣是作天線共用器和發射功率放大器輸出隔離去耦，如圖6、圖7所示。

微波中繼（接力）通信是利用微波頻段的無線電波傳遞信息的。由於大地對微波要強烈吸收，電離層又不能反射，所以沿地面是直視傳播，其傳播距離稱為視距。所謂視距離是指當天線高度一定時微波直接傳播的距離。中繼線標準距離為2500公裡，插在中間的主要微波站為主站，線路兩端的為終端站，主站為雙向性的，其設備比終端站多一倍，站間距離為50公裡。 /隔離器主要用於發、收信設備的高頻系統（圖8）中，其中包括發信輸出單元、混頻單元、發信本振（圖8a）以及收信單元、收信本振（圖8b）。環行器均是接在單向器（隔離器，即在環行器的第三端上接以匹配負載）的形式，主要起級間隔離作用。