多工器原理及在廣播電視無(wú)線發(fā)射中的作用

永州市大華山電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái) 馮德武

一、前言

我臺(tái)是始建于上個(gè)世紀(jì)八十年代的高山無(wú)線發(fā)射臺(tái)，隸屬于全省廣播電視局管理的十八個(gè)高山骨干臺(tái)之一。由于當(dāng)時(shí)建臺(tái)資金緊，加上對(duì)廣播電視事業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)估計(jì)不足，在發(fā)射臺(tái)的重要設(shè)施----鐵塔資源中，當(dāng)時(shí)只建了一座40米高的自立塔，只能容納4層4面的米波蝙蝠翼、分米波藕極子面包板及FM雙藕極子天線各一幅。起初只有米波、分米波電視各一套，鐵塔使用還寬松。進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái)，臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)為了充分利用高山臺(tái)的水、電、路、訊及機(jī)房資源，多方與中央、省市各媒體廣泛協(xié)調(diào)合作，引進(jìn)轉(zhuǎn)播節(jié)目。現(xiàn)已有11CH 1KW米波電視一套、23/32CH 1KW二套，中央人民廣播電臺(tái)3KWFM二套、省新聞、交通和市交通音樂臺(tái)3KWFM三套，均放置在這一自立塔上。當(dāng)時(shí)由于鐵塔容量小，現(xiàn)又存在經(jīng)費(fèi)不足，沒有辦法及時(shí)增加鐵塔，為了解決這一矛盾，我在上節(jié)目之初充分考慮鐵塔的實(shí)際情況，與合作單位和生產(chǎn)廠家協(xié)商，盡量建議使用大功率天線及主饋，在室內(nèi)采用多工器使鐵塔容量不足的困難得到解決。

二、多工器及應(yīng)用特點(diǎn)

多工器的工作原理是將不同頻率的發(fā)射機(jī)發(fā)射出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率合成，而且在頻率合成之前不產(chǎn)生干擾。即多頻道合成器的簡(jiǎn)稱。它的使用位置是在幾部發(fā)射機(jī)和一幅寬頻帶天線之間，一般是直接連接在機(jī)房?jī)?nèi)發(fā)射機(jī)后面，是廣播電視實(shí)現(xiàn)多頻共塔的必要設(shè)備。它有雙工器、三工器或多工器之分，多工器的使用是廣播電視無(wú)線發(fā)射發(fā)展的必然選擇。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.多套節(jié)目共用一副大功率天線，充分利用了鐵塔資源，讓鐵塔發(fā)揮大效益，并減輕鐵塔載荷。

2.減少了上鐵塔維護(hù)天線的工作量，節(jié)約維修成本。

3.它的位置是在幾部發(fā)射機(jī)和一副寬頻帶天線之間，一般是直接放置在機(jī)房?jī)?nèi)發(fā)射機(jī)后面。不受風(fēng)雨浸蝕，故障率低，維護(hù)方便。

4.可以顯著的提高方案的性價(jià)比、提高發(fā)射效率、易于頻道擴(kuò)展。

三、多工器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.多工器按其輸入端口數(shù)量分為雙工或多工。雙工器是一種有三個(gè)端口的無(wú)源器件，它有兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。兩個(gè)不同頻率的信號(hào)由輸入端口進(jìn)入，無(wú)損耗地在輸出端疊加成一路寬帶信號(hào)。用于電視發(fā)射的雙工器，由任一端口至輸出端的插入損耗都應(yīng)在0.5db以下。兩個(gè)輸入端之間互相隔離，其隔離度應(yīng)達(dá)到30db以上，以免兩個(gè)信號(hào)互相干擾，造成信號(hào)的交互調(diào)制。

多工器是多端口器件，有N個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口。N個(gè)輸入端口中的任一端口與輸出端之間的插入損耗都應(yīng)很小。多工器能把N個(gè)信號(hào)無(wú)損耗地合成一路信號(hào)。其示意圖如圖1、2。

2.雙工器從結(jié)構(gòu)上看主要是由多個(gè)雙工器為組成單元形成的多頻率信號(hào)的功率合成裝置，一般有三種型式：星點(diǎn)型、定阻型和不等臂3db橋型(相敏型)。

(1)星點(diǎn)型雙工器

它是由兩個(gè)不同通頻帶的帶通濾波器(BPF)和兩段λ/4的饋線(管)在O點(diǎn)再與輸出端芯線相連，O點(diǎn)又稱星點(diǎn)。一定要注意的是，必須使一個(gè)帶通濾波器在連接點(diǎn)所呈現(xiàn)的變換阻抗，不影響另一個(gè)濾波器的通頻帶。

圖3中帶通濾波器F1、F2的通帶寬度應(yīng)等于發(fā)射機(jī)的信號(hào)帶寬，并要有很好的駐波系數(shù)，使插入損耗盡可能的小。從星點(diǎn)O往F2看是高阻，保證信號(hào)F1不干擾F2，而直接發(fā)射到天線上。F1對(duì)信號(hào)f2的作用也一樣。對(duì)于圖4中的三工器從O點(diǎn)向F2、F3看也為高阻，即諧振于f2、f3的濾波器F2、F3及引線L2、L3在O點(diǎn)并連后，對(duì)頻率f1形成并聯(lián)諧振，呈開路的高阻狀而全反射。同理，F(xiàn)1、F3其引線L1、L3在頻率f2處形成并聯(lián)諧振，F(xiàn)1、F2其引線L1、L2在頻率f3處形成并聯(lián)諧振，使得三路信號(hào)互不干擾地送到天線。

星點(diǎn)多工器優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)：一是頻率間隔大，一般＞4MHZ，且合成的頻道數(shù)量不能太多。二是插入損耗也偏大，三是調(diào)整困難。

(2)定阻型多工器

定阻型雙工器由兩個(gè)3db藕合器(如圖5所示)和兩個(gè)帶通濾波器或陷波器及若干饋線(管)和一個(gè)吸收負(fù)載組成。它有四個(gè)端口，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的情況下，即兩個(gè)3db藕合器和兩條等長(zhǎng)的橋臂以及兩個(gè)對(duì)稱安裝的濾波器。當(dāng)每個(gè)端口終結(jié)時(shí)，由任一端口看人的輸入阻抗都是在寬帶范圍內(nèi)的恒定阻抗，實(shí)現(xiàn)寬帶匹。當(dāng)兩臂上接有反射器時(shí)，從橋的每個(gè)端口看入的阻抗也是匹配的，即寬帶內(nèi)有恒定阻抗特性。故稱為定阻抗多工器(恒阻3db橋)。按濾波器的性質(zhì)，3db橋?yàn)V波器雙工器又分帶通式和帶阻式兩種。

1)3db定向藕合器

3分貝定向耦合器是一個(gè)有四個(gè)端口的無(wú)源器件，是依靠?jī)?nèi)部?jī)筛L(zhǎng)度為λ/4、寬度為L(zhǎng)的相互平行的帶狀線的定向藕合作用，將一半的能量饋送到與之平行的另一根線上。定向耦合器的能量輸入端如圖所示為1號(hào)口，一般能量一部分直接從4號(hào)口出來(lái)，若是同向耦合器則從3號(hào)口輸出而2號(hào)口沒有輸出，反向定向耦合器則是2號(hào)口有輸出3號(hào)口沒有輸出。

表1 多工器的技術(shù)指標(biāo)

2)帶阻式雙工器

帶阻式濾波器雙工器，如圖6(a)。其端口2接負(fù)載，端口4接天線，端口1可輸入帶阻濾波器f2以外的極寬頻信號(hào)，端口3只能輸入帶寬為濾波器帶阻寬度的信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)同時(shí)在端口4輸出。因?yàn)?db藕合器能提供的隔離度一般在30db以上，窄帶端到寬帶端的隔離度要大于30db，為提高窄帶端到寬帶端的隔離度，一般在寬帶端加上一個(gè)帶通濾波器。

理論上通過(guò)3db耦合器的隔離度和在帶寬內(nèi)濾波器的插損為寬帶端到窄帶端的隔離度，如果兩頻率為相鄰頻率的情況下，保障信號(hào)甲級(jí)播出的情況下應(yīng)該做到60db以上。

3)帶通式雙工器

帶通式濾波器雙工器，如圖6(b)。端口2接終端負(fù)載，端口4接天線，端口1輸入的是窄帶信號(hào)，帶寬等于濾波器的通常寬度，端口3輸入的是寬帶信號(hào)，其帶寬可以是濾波器通常以外的廣大區(qū)域。這種3db濾波雙工器比第一種有更大的優(yōu)越性。上述兩種常常被稱為一合成器單元，多個(gè)這種單元相連就組成了多工器。

(3)延時(shí)線(不等臂)3db雙工器

不等臂3db橋雙工器的組成如圖7所示即頻率信號(hào)F1和F2通過(guò)2個(gè)3db耦合器和不等長(zhǎng)傳輸線后一輸出端接吸收負(fù)載，一端口為功率合成輸出。通過(guò)傳輸線不等長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)雙工器的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻、合成的功能。這樣的雙工器又稱延時(shí)線雙工器，如圖7。

不等臂3db橋雙工器的工作原理為將信號(hào)F1和F2輸入到耦合器的兩個(gè)隔離端口，在不同長(zhǎng)度的饋線上實(shí)現(xiàn)功率等分配，饋線長(zhǎng)度滿足下面關(guān)系時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)F1和F2在輸出端口的功率合成，傳輸系數(shù)為1.

△L=(2m+1)(λ1/2) m=0，1，2…

=nλ2n=1，2，3…

式中λ1和λ2對(duì)應(yīng)頻率F1和F2的波長(zhǎng)。

對(duì)于兩個(gè)中心頻率預(yù)先確定的在使用上完全成立很難做到，只能近似成立。而對(duì)于兩個(gè)中心頻率相距24MHz以上的分米波頻道可以組成一個(gè)較理想的雙工器。且中心頻率越大越好。由于減少了腔體濾波器，定阻型和延時(shí)線型雙工器造價(jià)更低，性能上更加穩(wěn)定。現(xiàn)在發(fā)射臺(tái)多部分使用的多工器為星點(diǎn)式、橋式雙工器級(jí)連、組合而成

四、多工器的技術(shù)指標(biāo)及要求

多工器通常由多個(gè)雙工器組合而成。其性能好壞一般由以下參數(shù)決定，系統(tǒng)合成的頻率中包含了電視鄰頻，那么頻率間的隔離、單頻的插損、最小頻率間隔等都是整個(gè)多工器系統(tǒng)的穩(wěn)定性重要指標(biāo)，如表1所示。

五、多工器的運(yùn)用及調(diào)試

目前，隨著廣播電視事業(yè)的飛速發(fā)展，多工器在各單位的運(yùn)用已十分普遍。我臺(tái)就使用了三套多工器：23CH、32CH組成的分米波電視雙工器；中央經(jīng)濟(jì)頻道(89.5MHz)、中央音樂頻道(92.4MHz)組成的調(diào)頻雙工器和省交通頻道(91.8MHz)、省新聞?lì)l道(101.3MHz)及市交通音樂頻道(96.8MHz)組成的調(diào)頻三工器，多工器的利用讓我臺(tái)鐵塔的使用價(jià)值得到了充分的發(fā)揮。同樣，現(xiàn)在各臺(tái)也免不了在安裝、使用、維護(hù)方面要經(jīng)常與多工器打交道。

1.多工器的安裝注意事項(xiàng)

雖然多工器在安裝時(shí)對(duì)環(huán)境要求不高，但應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況，合理安排擺放位置，達(dá)到即美觀大方，又方便今后調(diào)試維修；對(duì)連接的硬饋盡可能的短，并一定注意使用的硬饋內(nèi)連接挺芯一定是同一個(gè)國(guó)標(biāo)件，因新老標(biāo)件尺寸有一定差別，不然會(huì)連接不緊，造成打火或燒毀多工器。

2.多工器的調(diào)試

由于各臺(tái)多工器數(shù)量的增加，維護(hù)調(diào)試工作量也會(huì)相應(yīng)加大，一旦出現(xiàn)故障都請(qǐng)廠家來(lái)人維修，即耽誤時(shí)間，又增加成本。配置必備儀器，掌握調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加快維修進(jìn)程具有重要意義。

(1)常用儀器：網(wǎng)絡(luò)分析儀、標(biāo)阻若干及相應(yīng)連接線。

圖1 雙工器的原理

圖2 多工器的原理

圖4 星點(diǎn)三工器

圖5 定向耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖6 雙工器

圖7 延時(shí)線雙工器

(2)功率合成器對(duì)某一個(gè)頻率的帶通和帶阻作用是用過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)部導(dǎo)體長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整腔體諧振頻率與輸入頻率相同，另外腔體的帶通特性是通過(guò)調(diào)節(jié)耦合環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，總體來(lái)說(shuō)或諧振腔的帶通和諧振特性曲線可以通過(guò)內(nèi)導(dǎo)體長(zhǎng)度和耦合環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整的，直到達(dá)到系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)。

(3)橋式雙工器的調(diào)整步驟：首先確定3db耦合器和帶通濾波器的端口的連接是否緊密，按照國(guó)家測(cè)試規(guī)范確定分析儀的輸入、輸出口的連接符合規(guī)范，將腔體插損、反射值調(diào)節(jié)到最佳刻度位置，將RF IN接到腔體的吸收負(fù)載端口，這樣做的目的是為了測(cè)量整個(gè)腔體的隔離度。最后將RF IN接至寬帶輸入口，測(cè)量寬帶輸入口和窄帶輸入口間的隔離度，由于橋式雙工器中有3db耦合器和帶通濾波器，兩信號(hào)間隔離度較高，一般大于40db，要反復(fù)調(diào)整，使所有指標(biāo)達(dá)到要求方可。

(4)星型雙工器的調(diào)整步驟為：將兩個(gè)調(diào)整好的帶通濾波器用硬饋連接好，將分析儀RF OUT端接f1濾波器輸入端，RF IN接?xùn)|輸出端，f2濾波腔輸入端接標(biāo)阻，反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，使插入損耗和反射損耗達(dá)到最佳；然后將RF OUT接至f2濾波腔輸入端，f1輸入端接標(biāo)阻，同樣反復(fù)調(diào)整，使其達(dá)到要求。調(diào)整好后，RF OUT端接f1濾波器輸入端，RF IN接至f2濾波腔輸入端，可測(cè)出f1、f2隔離度。

(5)多工器的統(tǒng)調(diào)步驟為：先將各單元分別調(diào)整好后再連接成整體，進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)。調(diào)整時(shí)應(yīng)從后往前，即從靠近天線端口的一組先調(diào)，再將這組作為前一級(jí)的負(fù)載來(lái)調(diào)前一級(jí)，以此類推，將整個(gè)單元調(diào)好，并鎖定好所有緊關(guān)固螺絲。

3.多工器在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

(1)控制環(huán)境溫度，防止溫升引起頻漂，從而增加插入損耗。由于溫度升高，耦合器中等效電感和等效電容的值也會(huì)發(fā)生變化，從而引起震蕩頻率的漂移，增加內(nèi)部功率損耗，不利于多工器的穩(wěn)定工作.

(2)由于多工器的大量利用，室內(nèi)彎頭、接頭增加，應(yīng)隨時(shí)注意這些部位的溫度是否異常，顏色有無(wú)突然變化，觀察橋式多工器吸收負(fù)載的溫度情況，經(jīng)常做好維護(hù)，才能確保多工器運(yùn)行穩(wěn)定。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文從多工器的基本結(jié)構(gòu)組成入手，將功率合成原理融入到實(shí)際工作中常見的多工器典型結(jié)構(gòu)中，多工器的指標(biāo)及具體調(diào)試方法，與從事廣播電視工程的技術(shù)人員商榷。多工器在廣播電視發(fā)射中能很好地實(shí)現(xiàn)不同工作頻率發(fā)射機(jī)共用天線，提高鐵塔使用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際發(fā)射臺(tái)選購(gòu)多工器時(shí)最佳性價(jià)比的考慮，而且這樣的設(shè)備也給發(fā)射臺(tái)安全播出維護(hù)帶來(lái)很大的便利。

[1]王志剛,主編.電視與調(diào)頻廣播發(fā)射設(shè)備[M].

[2]柯賢亮,陶寧利,趙敬陸.調(diào)頻多工系統(tǒng)的應(yīng)用與調(diào)試[C].2010年全國(guó)廣播電臺(tái)技術(shù)工作會(huì)議論文集.

[3]萬(wàn)興梅.調(diào)頻多工器的原理與維護(hù)[J].科技信息,2011(15).

[4]武建敏.調(diào)頻廣播采用多工合成饋電的解決方案[OL].廣電電器網(wǎng).