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(lái)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(guò)比較當(dāng)下幾種類(lèi)型的多工器特點(diǎn)對(duì)不同的類(lèi)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(lèi)號(hào)：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hào)劃分成幾個(gè)窄帶信號(hào)，在滿(mǎn)足頻段信道化靈活性的同時(shí)又使單個(gè)信道中對(duì)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(gè)窄帶信號(hào)為一個(gè)單獨(dú)的寬帶混合信號(hào)，并使用共用天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行發(fā)射。

2. 幾種常見(jiàn)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(kāi)始，多工器的設(shè)計(jì)與實(shí)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?yàn)V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(duì)這幾款多工器進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的對(duì)比。

混合電橋耦合多工器，每個(gè)信道都由兩個(gè)相同的濾波器和兩個(gè)相同的90°混合電橋構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)每個(gè)濾波器僅需分擔(dān)一半的輸入功率。在高功率應(yīng)用項(xiàng)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(jì)難度。但是，它有兩個(gè)需要考慮的問(wèn)題，一個(gè)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(gè)是當(dāng)兩路濾波器通過(guò)不同信道輸出時(shí)，輸出的信號(hào)就難免會(huì)產(chǎn)生相位偏差，這樣當(dāng)使用調(diào)諧器件無(wú)法很好平衡這個(gè)相位差的時(shí)候，就不得不通過(guò)提高加工精度來(lái)減小這一差距。

環(huán)形耦合多工器的每一個(gè)通道有一個(gè)環(huán)形器和一個(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生相對(duì)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(jì)成本上會(huì)高一些。

定向?yàn)V波器多工器，主要是由一組定向?yàn)V波器級(jí)聯(lián)而成，通常是個(gè)四端口器件，其中一個(gè)端口接負(fù)載，另外三個(gè)端口實(shí)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(jiǎn)單，同時(shí)也能滿(mǎn)足信道濾波器之間無(wú)相互影響的條件。然而，這種類(lèi)型的濾波器仍然存在一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，那就是它具有一定的局限性，僅限于全極點(diǎn)函數(shù)，比如巴特沃斯和切比雪夫函數(shù)，同時(shí)濾波器的帶寬也被限制了，大于1%帶寬的濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。

多枝節(jié)耦合多工器，這種類(lèi)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(chēng)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(diǎn)是所有的信道功率會(huì)在星型結(jié)的連接處集中，這會(huì)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(duì)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(huì)沿著連接線(xiàn)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。多枝節(jié)耦合多工器雖然可以實(shí)現(xiàn)最佳的絕對(duì)插入損耗、群延時(shí)響應(yīng)等性能，但是仍然存在一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題，那就是它在設(shè)計(jì)中需要考慮信道之間的相互影響，需要進(jìn)行一定的補(bǔ)償，因此在應(yīng)用場(chǎng)合上是沒(méi)法對(duì)任意頻率進(jìn)行分配的，在調(diào)試過(guò)程中，也比較麻煩，加入或減少信道，都需要重新考慮信道補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，需要把改變后的多工器當(dāng)成一個(gè)新的多工器來(lái)設(shè)計(jì)，這樣是比較耗時(shí)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(lèi)型的多工器來(lái)完成，常常是多種類(lèi)型的多工器的組合，其中比較常見(jiàn)的多工器主要是定向?yàn)V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(duì)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(hào)和F2信號(hào)的帶通濾波器諧振腔，在工作中F1信號(hào)的帶通濾波器諧振腔A對(duì)F2信號(hào)呈現(xiàn)出全反射狀態(tài)，但允許F1信號(hào)通過(guò)，同理F2信號(hào)的帶通濾波器諧振腔B也呈現(xiàn)出類(lèi)似的特性，在A(yíng)和B模塊后接的是一個(gè)T型三通連接，這樣如果在F1信號(hào)和F2信號(hào)間隔4MHz以上的情況下，就可以較好地達(dá)到F1信號(hào)和F2信號(hào)互不干擾地輸出了。如果是多個(gè)頻率進(jìn)行合成輸出的話(huà)，情況也是類(lèi)似的，只是后面的連接器會(huì)比較復(fù)雜，但通常情況下是由多個(gè)星型結(jié)型雙工器來(lái)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(gè)信道之間的相互串?dāng)_問(wèn)題。

3.2 定向?yàn)V波多工器

如圖3.2所示為一個(gè)定向?yàn)V波雙工器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)帶通濾波器諧振腔構(gòu)成。關(guān)于定向?yàn)V波雙工器的原理分析可以分成兩個(gè)方面，一方面是F1信號(hào)在輸入到3dB耦合A后，分成了兩路信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)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(hào)無(wú)阻礙通過(guò)，但對(duì)F2信號(hào)呈現(xiàn)出全反射狀態(tài)，F(xiàn)1信號(hào)在通過(guò)3dB耦合器B后，在F1+F2輸出端同相加恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)，同時(shí)在F2信號(hào)的輸入端反相相加，相互抵消，避免進(jìn)入了F2信號(hào)的通道，這樣就不會(huì)對(duì)F2信號(hào)產(chǎn)生干擾了。另一方面是F2信號(hào)輸入到3dB耦合器B后，也被分成兩路信號(hào)，由于帶通濾波器諧振腔F1的作用，它們均被反射回來(lái)從F1+F2輸出端輸出，也不會(huì)對(duì)F1信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_。通過(guò)這樣的一個(gè)構(gòu)件，F(xiàn)1信號(hào)和F2信號(hào)就可以共用一個(gè)天線(xiàn)輸出或者輸出到下一級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了頻率合成。通常情況下，F(xiàn)1信號(hào)的端口帶寬較窄一些，而F2信號(hào)端口的帶寬會(huì)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(lái)吸收少部分泄漏的功率，因?yàn)樽龀隼硐氲闹C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(gè)好處是調(diào)試安裝相對(duì)比較容易，然而由于其構(gòu)成的不同，在安裝和調(diào)試的過(guò)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(lèi)似的。其中諸如圖3.3的三工器或者以此類(lèi)電橋構(gòu)成的多工器在調(diào)頻廣播中最為常見(jiàn)，這樣組合的優(yōu)點(diǎn)在于可以靈活地升級(jí)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(gè)信道可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。但現(xiàn)實(shí)和理想往往存在一定的差距，這種構(gòu)造的多工器可能會(huì)出現(xiàn)多幅、相位誤差的問(wèn)題，這會(huì)其實(shí)際特性偏離理想曲線(xiàn)。尤其是當(dāng)連接的數(shù)目多了以后，插入損耗也會(huì)比較大。

4. 調(diào)頻廣播中多工器的一些應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

衡量一個(gè)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(jí)。在安裝的時(shí)候，應(yīng)該仔細(xì)檢查多工器的各個(gè)接口或者連接件是否配合緊密，絕不能有松動(dòng)的現(xiàn)象。通常調(diào)試的時(shí)候，應(yīng)在多工器系統(tǒng)的總輸出口，即天線(xiàn)端接入一個(gè)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(xiàn)系統(tǒng)，調(diào)試的順序應(yīng)該是由靠近天線(xiàn)端口的那部分開(kāi)始，然后逐級(jí)向前推進(jìn)。在進(jìn)行所有指標(biāo)的測(cè)試中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)輸入口的駐波比特性，駐波比越大，發(fā)射機(jī)反射就越大?？梢愿鶕?jù)各個(gè)輸入口的駐波比特性來(lái)進(jìn)行多工器的微調(diào)。

在平時(shí)的使用和維護(hù)中，由于插入損耗的影響，會(huì)使多工器的溫度發(fā)生變化，從而對(duì)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(shí)，多工器的溫度可能會(huì)上升，這有可能會(huì)導(dǎo)致多工器因?yàn)闇囟鹊挠绊懓l(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(huì)使發(fā)射機(jī)的反射變大，此時(shí)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(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)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(gè)惡性循環(huán)的狀態(tài)。

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