多工器在調(diào)頻廣播中的應(yīng)用研究

陳為儒

【摘要】隨著微波技術(shù)的發(fā)展，頻帶資源變得日益擁擠，在盡可能小的頻帶內(nèi)傳輸盡可能多的信息，越來越受到關(guān)注。多工器是有效利用頻譜資源的手段之一，本文主要通過比較當(dāng)下幾種類型的多工器特點對不同的類型的多工器進(jìn)行分析，并闡述多工器在調(diào)頻廣播中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】多工器;調(diào)頻廣播

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.002

1. 概述

多工器在通信系統(tǒng)中的主要作用是進(jìn)行射頻信道的劃分，將寬帶信號劃分成幾個窄帶信號，在滿足頻段信道化靈活性的同時又使單個信道中對功率放大器的性能要求降低了。與通信系統(tǒng)不同，在廣播系中，其主要作用是合并多個窄帶信號為一個單獨的寬帶混合信號，并使用共用天線來進(jìn)行發(fā)射。

2. 幾種常見的多工器

在多工器的構(gòu)造方面，從20世紀(jì)70年代中期開始，多工器的設(shè)計與實現(xiàn)有了很大的進(jìn)展。其最常用的結(jié)構(gòu)為混合電橋耦合多工器、環(huán)形器耦合多工器、定向濾波器多工器和多枝節(jié)耦合多工器，其中，多枝節(jié)耦合多工器還有一種特殊形式為星形結(jié)型多工器。下面我將對這幾款多工器進(jìn)行一個簡要的對比。

混合電橋耦合多工器，每個信道都由兩個相同的濾波器和兩個相同的90°混合電橋構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是方向性好，信道濾波器之間的相互干擾可以達(dá)到最小，同時每個濾波器僅需分擔(dān)一半的輸入功率。在高功率應(yīng)用項目中采用這種結(jié)構(gòu)的濾波器，還可以降低濾波器的設(shè)計難度。但是，它有兩個需要考慮的問題，一個是體積較大，在空間有限的應(yīng)用中容易受到局限;另外一個是當(dāng)兩路濾波器通過不同信道輸出時，輸出的信號就難免會產(chǎn)生相位偏差，這樣當(dāng)使用調(diào)諧器件無法很好平衡這個相位差的時候，就不得不通過提高加工精度來減小這一差距。

環(huán)形耦合多工器的每一個通道有一個環(huán)形器和一個濾波器組成。環(huán)形器具有單向性，利用這一特性同樣可以降低各信道之間的相互干擾。但是，由于環(huán)形器的應(yīng)用，各信道在考慮插入損耗的時候，需要考慮環(huán)形器的插入損耗，因此采用這種結(jié)構(gòu)的多工器會產(chǎn)生相對更高的插入損耗，另外如果它需要低損耗、高功率的鐵氧體環(huán)形器，在設(shè)計成本上會高一些。

定向濾波器多工器，主要是由一組定向濾波器級聯(lián)而成，通常是個四端口器件，其中一個端口接負(fù)載，另外三個端口實際上可以看作與帶通濾波器連接的環(huán)形器。采用這種結(jié)構(gòu)的多工器不需要使用鐵氧體環(huán)形器。這將使調(diào)試更加簡單，同時也能滿足信道濾波器之間無相互影響的條件。然而，這種類型的濾波器仍然存在一個系統(tǒng)性問題，那就是它具有一定的局限性，僅限于全極點函數(shù)，比如巴特沃斯和切比雪夫函數(shù)，同時濾波器的帶寬也被限制了，大于1%帶寬的濾波器實現(xiàn)起來并不容易。

多枝節(jié)耦合多工器，這種類型的多工器其信道濾波器由多枝節(jié)或者公共接頭連接，公共接頭連接的多枝節(jié)耦合多工器又被稱為星型結(jié)型多工器，區(qū)別于其他多枝節(jié)的耦合多工器的特點是所有的信道功率會在星型結(jié)的連接處集中，這會在星型結(jié)出產(chǎn)生較高的電壓和熱耗散，所以星型結(jié)型多工器對公共接頭的功率容量和散熱系統(tǒng)有一定的限制，從而導(dǎo)致了星型結(jié)型多工器所連接的信道數(shù)也受到了限制。而采用多枝節(jié)連接的多工器，其功率會沿著連接線呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。多枝節(jié)耦合多工器雖然可以實現(xiàn)最佳的絕對插入損耗、群延時響應(yīng)等性能，但是仍然存在一個比較麻煩的問題，那就是它在設(shè)計中需要考慮信道之間的相互影響，需要進(jìn)行一定的補償，因此在應(yīng)用場合上是沒法對任意頻率進(jìn)行分配的，在調(diào)試過程中，也比較麻煩，加入或減少信道，都需要重新考慮信道補償?shù)膯栴}，需要把改變后的多工器當(dāng)成一個新的多工器來設(shè)計，這樣是比較耗時的。

3. 多工器在調(diào)頻廣播中的工作原理

在調(diào)頻廣播的多工器系統(tǒng)的應(yīng)用中，并不是單一種類型的多工器來完成，常常是多種類型的多工器的組合，其中比較常見的多工器主要是定向濾波器多工器和多枝節(jié)耦合多工器的組合，而多枝節(jié)耦合多工器中的星型結(jié)多工器應(yīng)用相對較多一些。下面我將闡述這兩種多工器及其組合在調(diào)頻廣播中的工作原理。

3.1 星型結(jié)型多工器

如圖3.1所示，A和B部分分別是F1信號和F2信號的帶通濾波器諧振腔，在工作中F1信號的帶通濾波器諧振腔A對F2信號呈現(xiàn)出全反射狀態(tài)，但允許F1信號通過，同理F2信號的帶通濾波器諧振腔B也呈現(xiàn)出類似的特性，在A和B模塊后接的是一個T型三通連接，這樣如果在F1信號和F2信號間隔4MHz以上的情況下，就可以較好地達(dá)到F1信號和F2信號互不干擾地輸出了。如果是多個頻率進(jìn)行合成輸出的話，情況也是類似的，只是后面的連接器會比較復(fù)雜，但通常情況下是由多個星型結(jié)型雙工器來構(gòu)成三工、四工、五工等多路耦合的多工器，其復(fù)雜程度也隨之而上升了，還需要考慮每個信道之間的相互串?dāng)_問題。

3.2 定向濾波多工器

如圖3.2所示為一個定向濾波雙工器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般由兩個3dB耦合器，兩個帶通濾波器諧振腔構(gòu)成。關(guān)于定向濾波雙工器的原理分析可以分成兩個方面，一方面是F1信號在輸入到3dB耦合A后，分成了兩路信號分別通過兩個帶通濾波器后輸出到3dB耦合器B，這里的帶通濾波器諧振腔F1可以使F1信號無阻礙通過，但對F2信號呈現(xiàn)出全反射狀態(tài)，F(xiàn)1信號在通過3dB耦合器B后，在F1+F2輸出端同相加恢復(fù)成原來的信號，同時在F2信號的輸入端反相相加，相互抵消，避免進(jìn)入了F2信號的通道，這樣就不會對F2信號產(chǎn)生干擾了。另一方面是F2信號輸入到3dB耦合器B后，也被分成兩路信號，由于帶通濾波器諧振腔F1的作用，它們均被反射回來從F1+F2輸出端輸出，也不會對F1信號產(chǎn)生串?dāng)_。通過這樣的一個構(gòu)件，F(xiàn)1信號和F2信號就可以共用一個天線輸出或者輸出到下一級，從而實現(xiàn)了頻率合成。通常情況下，F(xiàn)1信號的端口帶寬較窄一些，而F2信號端口的帶寬會比較寬一些。另外吸收負(fù)載一般是選用50歐姆阻抗的，其作用是用來吸收少部分泄漏的功率，因為做出理想的諧振腔全反射元件是很難的，甚至不可能的。

3.3 由雙工器構(gòu)成的多工器

如圖3.3和圖3.4所示，它們都是三工器，但它們都是由雙工器構(gòu)成，這做的一個好處是調(diào)試安裝相對比較容易，然而由于其構(gòu)成的不同，在安裝和調(diào)試的過程進(jìn)行的操作也將大不相同。如果要構(gòu)成更復(fù)雜的多工器，比如四工器、五工器等，其基本原理和三工器是類似的。其中諸如圖3.3的三工器或者以此類電橋構(gòu)成的多工器在調(diào)頻廣播中最為常見，這樣組合的優(yōu)點在于可以靈活地升級多工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使其數(shù)目更多，有更大的余地。另外各個信道可以獨立設(shè)計。但現(xiàn)實和理想往往存在一定的差距，這種構(gòu)造的多工器可能會出現(xiàn)多幅、相位誤差的問題，這會其實際特性偏離理想曲線。尤其是當(dāng)連接的數(shù)目多了以后，插入損耗也會比較大。

4. 調(diào)頻廣播中多工器的一些應(yīng)用技術(shù)要點

衡量一個多工器的指標(biāo)主要有駐波比、隔離度、插入損耗、頻率間隔、功率等級。在安裝的時候，應(yīng)該仔細(xì)檢查多工器的各個接口或者連接件是否配合緊密，絕不能有松動的現(xiàn)象。通常調(diào)試的時候，應(yīng)在多工器系統(tǒng)的總輸出口，即天線端接入一個標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，然后進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試到最佳狀態(tài)后再切換到天饋線系統(tǒng)，調(diào)試的順序應(yīng)該是由靠近天線端口的那部分開始，然后逐級向前推進(jìn)。在進(jìn)行所有指標(biāo)的測試中，應(yīng)該重點關(guān)注各個輸入口的駐波比特性，駐波比越大，發(fā)射機反射就越大?？梢愿鶕?jù)各個輸入口的駐波比特性來進(jìn)行多工器的微調(diào)。

在平時的使用和維護(hù)中，由于插入損耗的影響，會使多工器的溫度發(fā)生變化，從而對多工器的性能產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)多工器的插入損耗增大時，多工器的溫度可能會上升，這有可能會導(dǎo)致多工器因為溫度的影響發(fā)生形變，進(jìn)而引起濾波器的中心頻率或者帶寬發(fā)生偏離，這會使發(fā)射機的反射變大，此時吸收負(fù)載可能由于吸收的功率變大而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，當(dāng)時間一長，就會改變吸收負(fù)載的阻抗匹配狀態(tài)，反射進(jìn)一步加大，由此進(jìn)入一個惡性循環(huán)的狀態(tài)。

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