調頻多工天饋系統原理與優化設計應用

計 可

（作者單位：安徽廣播電視臺科技處）

調頻多工天饋系統原理與優化設計應用

計 可

（作者單位：安徽廣播電視臺科技處）

隨著社會發展文化生活豐富多彩，調頻骨干臺擔負十幾套調頻節目的發射任務現實存在，如何利用有限的天線資源做好調頻節目的發射工作，使用一副調頻天線發射五套以上不同頻率的節目成為必然。

調頻多工器；3dB定向耦合器；星形組合；橋式組合

調頻多工器在廣播電視播出系統中已廣泛采用，其中3dB定向耦合器是全固態調頻發射機和天饋系統的功率合成與分配電路中不可缺少的重要組成部分。

1 3dB定向耦合器

3dB定向耦合器是1個四端口器件，如圖1所示。圖1中1～2、3～4為2根傳輸線，線間有一定的耦合機構，當電磁波從端口1輸入時，一部分能量直接從端口2輸出，同時還有部分能量到3～4通道中，從端口3輸出而端口4無輸出，叫“同向定向耦合器”，反之叫“反向定向耦合器”。3dB定向耦合器的主要指標有：定向度、耦合度、輸入駐波比、隔離度和工作帶寬。

圖1 3dB定向耦合器原理

1.1 3dB定向耦合器的輸出相位

圖2所示為定向耦合器內部結構圖。輸入電壓信號從端口“①”經A點輸入, 到達D點的信號有兩路, 一路是由分支線直達, 其波行程為λg/4, 另一路由A→B→C→D, 波行程為3λg/4；兩條路徑到達的波行程差為λg/2, 相應的相位差為π, 即相位相反若選擇合適的特性阻抗, 使到達的兩路信號的振幅相等, 則端口“④”處的兩路信號相互抵消, 從而實現隔離。同樣由A→C的兩路信號為同相信號, 由于周期T等于波長λg，1/2λg與初始相位是同相的，故在端口“③”有耦合輸出信號。端口“②”與端口“③”相位上差90°。

圖2 定向耦合器內部結構圖

圖3波形也解釋了波的初始相位與1/2λ、λ處是同相的（λ=T）

圖3 波長與周期的相位圖

1.2 3dB定向耦合器能量輸出數學推導公式

圖4

因為P1=2P2=2P3

隔離端口4輸出為0伏

2 調頻多工器兩種主要基本組成形式

圖5、圖6所示為調頻多工器主要采用的橋式組合（要求頻率間隔大于1MHz以上）、星形組合（要求頻率間隔大于3MHz以上）兩種形式，當然間隔越大相互影響越小。單純的星形組合調頻多工器僅可以實現兩三個頻率的共用，橋式組合調頻多工器利用 3dB 耦合器的特性可以實現多個頻率的共用，后者的電氣指標也要優于前者。

2.1 調頻多工器的技術指標

（1）發射特性（即輸入回波損耗）：在負載端接標阻的情況下，要求各輸入端口的反射損耗優于-26dB，即電壓駐波比VSWR＜1.1.

（2）傳輸特性（即插入損耗）：要求各輸入端口和總輸出端口之間的插入損耗小于0.4dB。

（3）頻率隔離度：各輸入端口之間的隔離度及各輸入端口與吸收負載之間的隔離度要大于26dB。

圖5 橋式組合調頻多工器

圖6 星形組合調頻多工器

圖7是一組橋式雙工器原理圖，解釋功率能量的分配過程。

組成：

（1）兩個3DB定向耦合器D1、D2

（2）兩個F2頻率的帶通濾波器B2。

（3）一個吸收負載R。

（4）連接的硬饋。

圖7 橋式雙工器原理圖

2.2 一組橋式多工器原理

3dB耦合定向器即是功率分配器也是功率合成器。F2為窄帶輸入端口，F1為寬帶輸入端口即多頻率合成輸入端口。射頻信號F2通過電橋D1的1口在3口和4口形成功率一半輸出，其中3口和1口相位同相，4口相位比1口滯后90°。兩路信號通過B2濾波器到達D2電橋的3口和4口。其中D2耦合器的4口2口的相位相同，3口經過90°延時后到達D2的2口。對于F2信號在D2的2口正好同相和成。而在D2的1口，已經延時90度的D2的4口信號經過3dB耦合器后再延時90°，共延時180°，于D2的3口過來沒有延時的F2信號正好反相抵消，因此F2在D2的1口沒有功率輸出。

信號F1通過D21端輸入，在3和4端口輸出功率一半的F1信號，在帶通濾波器輸入口變全反射，由于相位關系在D2的2端口和成，因此在D2的2口有F1+F2輸出。

3 調頻多工器實例組成及調試方法

蕪湖臺現有9套調頻節目。考慮發射塔安裝有3個調頻發射天線，從成本考慮采用3個頻率共1個天線的星型多工連接法。如圖8所示。

圖8

從三個帶通濾波器輸出的硬饋到公共接點的長度只要不是自身頻率的1/4λ就可以，如果三個頻率中有串擾，取其1/4λ長度的硬饋進行連接，相當于開路阻抗于該頻率以起到阻塞的作用。

4 調頻天饋系統的優化組合使用

當前安全優質播出工作重于泰山，臺9套調頻節目的發射采用了三個星型多工器連接法，優點是結構簡單、維護方便，一套調頻發射天線出現問題，其余六套節目還能正常播出。從安全播出角度出發，并不是多工器發射的節目越多越好，那是考慮發射天線資源短缺之選擇，一切發射工作要以最低的停播概率來考慮。

從安全優質播出的停播概率最小的角度出發不計成本，可以采取如下方案進行改造，對于新建調頻發射臺也有借鑒意義。

方案一：3套節目的發射頻率采取星型三工連接法共一個發射天線；6套節目的發射頻率采用星型和橋式混合多工器連接法共一個發射天線；第三個發射天線接一臺全波段調頻發射機做為9套節目的備份機；3工器和6工器的調頻發射天線采用上下對稱半副天線。

方案二：4套和5套節目分別采用圖9所示的多工饋線系統發射，各自使用1個發射天線；第三個發射天線接一臺全波段調頻發射機作為9套節目的備份機；正式播出的調頻發射天線均采用上下對稱半副天線。

以上方案的優點是調頻發射天線進行了備份，可以根據需要添加發射節目，各個發射機進行了備份，從而達到安全播出的要求，降低了停播概率。