多工器在调频广播中的应用研究

陈为儒

【摘要】随着微波技术的发展，频带资源变得日益拥挤，在尽可能小的频带内传输尽可能多的信息，越来越受到关注。多工器是有效利用频谱资源的手段之一，本文主要通过比较当下几种类型的多工器特点对不同的类型的多工器进行分析，并阐述多工器在调频广播中的应用。

【关键词】多工器;调频广播

中图分类号：TN94                     文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.002

1. 概述

多工器在通信系统中的主要作用是进行射频信道的划分，将宽带信号划分成几个窄带信号，在满足频段信道化灵活性的同时又使单个信道中对功率放大器的性能要求降低了。与通信系统不同，在广播系中，其主要作用是合并多个窄带信号为一个单独的宽带混合信号，并使用共用天线来进行发射。

2. 几种常见的多工器

在多工器的构造方面，从20世紀70年代中期开始，多工器的设计与实现有了很大的进展。其最常用的结构为混合电桥耦合多工器、环形器耦合多工器、定向滤波器多工器和多枝节耦合多工器，其中，多枝节耦合多工器还有一种特殊形式为星形结型多工器。下面我将对这几款多工器进行一个简要的对比。

混合电桥耦合多工器，每个信道都由两个相同的滤波器和两个相同的90°混合电桥构成。这种结构的主要优点是方向性好，信道滤波器之间的相互干扰可以达到最小，同时每个滤波器仅需分担一半的输入功率。在高功率应用项目中采用这种结构的滤波器，还可以降低滤波器的设计难度。但是，它有两个需要考虑的问题，一个是体积较大，在空间有限的应用中容易受到局限;另外一个是当两路滤波器通过不同信道输出时，输出的信号就难免会产生相位偏差，这样当使用调谐器件无法很好平衡这个相位差的时候，就不得不通过提高加工精度来减小这一差距。

环形耦合多工器的每一个通道有一个环形器和一个滤波器组成。环形器具有单向性，利用这一特性同样可以降低各信道之间的相互干扰。但是，由于环形器的应用，各信道在考虑插入损耗的时候，需要考虑环形器的插入损耗，因此采用这种结构的多工器会产生相对更高的插入损耗，另外如果它需要低损耗、高功率的铁氧体环形器，在设计成本上会高一些。

定向滤波器多工器，主要是由一组定向滤波器级联而成，通常是个四端口器件，其中一个端口接负载，另外三个端口实际上可以看作与带通滤波器连接的环形器。采用这种结构的多工器不需要使用铁氧体环形器。这将使调试更加简单，同时也能满足信道滤波器之间无相互影响的条件。然而，这种类型的滤波器仍然存在一个系统性问题，那就是它具有一定的局限性，仅限于全极点函数，比如巴特沃斯和切比雪夫函数，同时滤波器的带宽也被限制了，大于1%带宽的滤波器实现起来并不容易。

多枝节耦合多工器，这种类型的多工器其信道滤波器由多枝节或者公共接头连接，公共接头连接的多枝节耦合多工器又被称为星型结型多工器，区别于其他多枝节的耦合多工器的特点是所有的信道功率会在星型结的连接处集中，这会在星型结出产生较高的电压和热耗散，所以星型结型多工器对公共接头的功率容量和散热系统有一定的限制，从而导致了星型结型多工器所连接的信道数也受到了限制。而采用多枝节连接的多工器，其功率会沿着连接线呈现均匀分布状态。多枝节耦合多工器虽然可以实现最佳的绝对插入损耗、群延时响应等性能，但是仍然存在一个比较麻烦的问题，那就是它在设计中需要考虑信道之间的相互影响，需要进行一定的补偿，因此在应用场合上是没法对任意频率进行分配的，在调试过程中，也比较麻烦，加入或减少信道，都需要重新考虑信道补偿的问题，需要把改变后的多工器当成一个新的多工器来设计，这样是比较耗时的。

3. 多工器在调频广播中的工作原理

在调频广播的多工器系统的应用中，并不是单一种类型的多工器来完成，常常是多种类型的多工器的组合，其中比较常见的多工器主要是定向滤波器多工器和多枝节耦合多工器的组合，而多枝节耦合多工器中的星型结多工器应用相对较多一些。下面我将阐述这两种多工器及其组合在调频广播中的工作原理。

3.1 星型结型多工器

如图3.1所示，A和B部分分别是F1信号和F2信号的带通滤波器谐振腔，在工作中F1信号的带通滤波器谐振腔A对F2信号呈现出全反射状态，但允许F1信号通过，同理F2信号的带通滤波器谐振腔B也呈现出类似的特性，在A和B模块后接的是一个T型三通连接，这样如果在F1信号和F2信号间隔4MHz以上的情况下，就可以较好地达到F1信号和F2信号互不干扰地输出了。如果是多个频率进行合成输出的话，情况也是类似的，只是后面的连接器会比较复杂，但通常情况下是由多个星型结型双工器来构成三工、四工、五工等多路耦合的多工器，其复杂程度也随之而上升了，还需要考虑每个信道之间的相互串扰问题。

3.2 定向滤波多工器

如图3.2所示为一个定向滤波双工器，其内部结构一般由两个3dB耦合器，两个带通滤波器谐振腔构成。关于定向滤波双工器的原理分析可以分成两个方面，一方面是F1信号在输入到3dB耦合A后，分成了两路信号分别通过两个带通滤波器后输出到3dB耦合器B，这里的带通滤波器谐振腔F1可以使F1信号无阻碍通过，但对F2信号呈现出全反射状态，F1信号在通过3dB耦合器B后，在F1+F2输出端同相加恢复成原来的信号，同时在F2信号的输入端反相相加，相互抵消，避免进入了F2信号的通道，这样就不会对F2信号产生干扰了。另一方面是F2信号输入到3dB耦合器B后，也被分成两路信号，由于带通滤波器谐振腔F1的作用，它们均被反射回来从F1+F2输出端输出，也不会对F1信号产生串扰。通过这样的一个构件，F1信号和F2信号就可以共用一个天线输出或者输出到下一级，从而实现了频率合成。通常情况下，F1信号的端口带宽较窄一些，而F2信号端口的带宽会比较宽一些。另外吸收负载一般是选用50欧姆阻抗的，其作用是用来吸收少部分泄漏的功率，因为做出理想的谐振腔全反射元件是很难的，甚至不可能的。

3.3 由双工器构成的多工器

如图3.3和图3.4所示，它们都是三工器，但它们都是由双工器构成，这做的一个好处是调试安装相对比较容易，然而由于其构成的不同，在安装和调试的过程进行的操作也将大不相同。如果要构成更复杂的多工器，比如四工器、五工器等，其基本原理和三工器是类似的。其中诸如图3.3的三工器或者以此类电桥构成的多工器在调频广播中最为常见，这样组合的优点在于可以灵活地升级多工网络系统，使其数目更多，有更大的余地。另外各个信道可以独立设计。但现实和理想往往存在一定的差距，这种构造的多工器可能会出现多幅、相位误差的问题，这会其实际特性偏离理想曲线。尤其是当连接的数目多了以后，插入损耗也会比较大。

4. 调频广播中多工器的一些应用技术要点

衡量一个多工器的指标主要有驻波比、隔离度、插入损耗、频率间隔、功率等级。在安装的时候，应该仔细检查多工器的各个接口或者连接件是否配合紧密，绝不能有松动的现象。通常调试的时候，应在多工器系统的总输出口，即天线端接入一个标准负载，然后进行调试，调试到最佳状态后再切换到天馈线系统，调试的顺序应该是由靠近天线端口的那部分开始，然后逐级向前推进。在进行所有指标的测试中，应该重点关注各个输入口的驻波比特性，驻波比越大，发射机反射就越大。可以根据各个输入口的驻波比特性来进行多工器的微调。

在平时的使用和维护中，由于插入损耗的影响，会使多工器的温度发生变化，从而对多工器的性能产生影响。例如，当多工器的插入损耗增大时，多工器的温度可能会上升，这有可能会导致多工器因为温度的影响发生形变，进而引起滤波器的中心频率或者带宽发生偏离，这会使发射机的反射变大，此时吸收负载可能由于吸收的功率变大而导致发热严重，当时间一长，就会改变吸收负载的阻抗匹配状态，反射进一步加大，由此进入一个恶性循环的状态。

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