多工器原理及在广播电视无线发射中的作用

永州市大华山电视调频转播台 冯德武

一、前言

我台是始建于上个世纪八十年代的高山无线发射台，隶属于全省广播电视局管理的十八个高山骨干台之一。由于当时建台资金紧，加上对广播电视事业的发展趋势估计不足，在发射台的重要设施----铁塔资源中，当时只建了一座40米高的自立塔，只能容纳4层4面的米波蝙蝠翼、分米波藕极子面包板及FM双藕极子天线各一幅。起初只有米波、分米波电视各一套，铁塔使用还宽松。进入二十世纪以来，台领导为了充分利用高山台的水、电、路、讯及机房资源，多方与中央、省市各媒体广泛协调合作，引进转播节目。现已有11CH 1KW米波电视一套、23/32CH 1KW二套，中央人民广播电台3KWFM二套、省新闻、交通和市交通音乐台3KWFM三套，均放置在这一自立塔上。当时由于铁塔容量小，现又存在经费不足，没有办法及时增加铁塔，为了解决这一矛盾，我在上节目之初充分考虑铁塔的实际情况，与合作单位和生产厂家协商，尽量建议使用大功率天线及主馈，在室内采用多工器使铁塔容量不足的困难得到解决。

二、多工器及应用特点

多工器的工作原理是将不同频率的发射机发射出来的信号进行功率合成，而且在频率合成之前不产生干扰。即多频道合成器的简称。它的使用位置是在几部发射机和一幅宽频带天线之间，一般是直接连接在机房内发射机后面，是广播电视实现多频共塔的必要设备。它有双工器、三工器或多工器之分，多工器的使用是广播电视无线发射发展的必然选择。具有如下优点：

1.多套节目共用一副大功率天线，充分利用了铁塔资源，让铁塔发挥大效益，并减轻铁塔载荷。

2.减少了上铁塔维护天线的工作量，节约维修成本。

3.它的位置是在几部发射机和一副宽频带天线之间，一般是直接放置在机房内发射机后面。不受风雨浸蚀，故障率低，维护方便。

4.可以显著的提高方案的性价比、提高发射效率、易于频道扩展。

三、多工器的基本结构及工作原理

1.多工器按其输入端口数量分为双工或多工。双工器是一种有三个端口的无源器件，它有两个输入端口和一个输出端口。两个不同频率的信号由输入端口进入，无损耗地在输出端叠加成一路宽带信号。用于电视发射的双工器，由任一端口至输出端的插入损耗都应在0.5db以下。两个输入端之间互相隔离，其隔离度应达到30db以上，以免两个信号互相干扰，造成信号的交互调制。

多工器是多端口器件，有N个输入端口和一个输出端口。N个输入端口中的任一端口与输出端之间的插入损耗都应很小。多工器能把N个信号无损耗地合成一路信号。其示意图如图1、2。

2.双工器从结构上看主要是由多个双工器为组成单元形成的多频率信号的功率合成装置，一般有三种型式：星点型、定阻型和不等臂3db桥型(相敏型)。

(1)星点型双工器

它是由两个不同通频带的带通滤波器(BPF)和两段λ/4的馈线(管)在O点再与输出端芯线相连，O点又称星点。一定要注意的是，必须使一个带通滤波器在连接点所呈现的变换阻抗，不影响另一个滤波器的通频带。

图3中带通滤波器F1、F2的通带宽度应等于发射机的信号带宽，并要有很好的驻波系数，使插入损耗尽可能的小。从星点O往F2看是高阻，保证信号F1不干扰F2，而直接发射到天线上。F1对信号f2的作用也一样。对于图4中的三工器从O点向F2、F3看也为高阻，即谐振于f2、f3的滤波器F2、F3及引线L2、L3在O点并连后，对频率f1形成并联谐振，呈开路的高阻状而全反射。同理，F1、F3其引线L1、L3在频率f2处形成并联谐振，F1、F2其引线L1、L2在频率f3处形成并联谐振，使得三路信号互不干扰地送到天线。

星点多工器优缺点：优点是结构简单、成本低。缺点：一是频率间隔大，一般＞4MHZ，且合成的频道数量不能太多。二是插入损耗也偏大，三是调整困难。

(2)定阻型多工器

定阻型双工器由两个3db藕合器(如图5所示)和两个带通滤波器或陷波器及若干馈线(管)和一个吸收负载组成。它有四个端口，在系统结构完全对称的情况下，即两个3db藕合器和两条等长的桥臂以及两个对称安装的滤波器。当每个端口终结时，由任一端口看人的输入阻抗都是在宽带范围内的恒定阻抗，实现宽带匹。当两臂上接有反射器时，从桥的每个端口看入的阻抗也是匹配的，即宽带内有恒定阻抗特性。故称为定阻抗多工器(恒阻3db桥)。按滤波器的性质，3db桥滤波器双工器又分带通式和带阻式两种。

1)3db定向藕合器

3分贝定向耦合器是一个有四个端口的无源器件，是依靠内部两根长度为λ/4、宽度为L的相互平行的带状线的定向藕合作用，将一半的能量馈送到与之平行的另一根线上。定向耦合器的能量输入端如图所示为1号口，一般能量一部分直接从4号口出来，若是同向耦合器则从3号口输出而2号口没有输出，反向定向耦合器则是2号口有输出3号口没有输出。

表1 多工器的技术指标

2)带阻式双工器

带阻式滤波器双工器，如图6(a)。其端口2接负载，端口4接天线，端口1可输入带阻滤波器f2以外的极宽频信号，端口3只能输入带宽为滤波器带阻宽度的信号，两个信号同时在端口4输出。因为3db藕合器能提供的隔离度一般在30db以上，窄带端到宽带端的隔离度要大于30db，为提高窄带端到宽带端的隔离度，一般在宽带端加上一个带通滤波器。

理论上通过3db耦合器的隔离度和在带宽内滤波器的插损为宽带端到窄带端的隔离度，如果两频率为相邻频率的情况下，保障信号甲级播出的情况下应该做到60db以上。

3)带通式双工器

带通式滤波器双工器，如图6(b)。端口2接终端负载，端口4接天线，端口1输入的是窄带信号，带宽等于滤波器的通常宽度，端口3输入的是宽带信号，其带宽可以是滤波器通常以外的广大区域。这种3db滤波双工器比第一种有更大的优越性。上述两种常常被称为一合成器单元，多个这种单元相连就组成了多工器。

(3)延时线(不等臂)3db双工器

不等臂3db桥双工器的组成如图7所示即频率信号F1和F2通过2个3db耦合器和不等长传输线后一输出端接吸收负载，一端口为功率合成输出。通过传输线不等长度来调节双工器的阻抗来实现选频、合成的功能。这样的双工器又称延时线双工器，如图7。

不等臂3db桥双工器的工作原理为将信号F1和F2输入到耦合器的两个隔离端口，在不同长度的馈线上实现功率等分配，馈线长度满足下面关系时，可以实现F1和F2在输出端口的功率合成，传输系数为1.

△L=(2m+1)(λ1/2) m=0，1，2…

=nλ2n=1，2，3…

式中λ1和λ2对应频率F1和F2的波长。

对于两个中心频率预先确定的在使用上完全成立很难做到，只能近似成立。而对于两个中心频率相距24MHz以上的分米波频道可以组成一个较理想的双工器。且中心频率越大越好。由于减少了腔体滤波器，定阻型和延时线型双工器造价更低，性能上更加稳定。现在发射台多部分使用的多工器为星点式、桥式双工器级连、组合而成

四、多工器的技术指标及要求

多工器通常由多个双工器组合而成。其性能好坏一般由以下参数决定，系统合成的频率中包含了电视邻频，那么频率间的隔离、单频的插损、最小频率间隔等都是整个多工器系统的稳定性重要指标，如表1所示。

五、多工器的运用及调试

目前，随着广播电视事业的飞速发展，多工器在各单位的运用已十分普遍。我台就使用了三套多工器：23CH、32CH组成的分米波电视双工器；中央经济频道(89.5MHz)、中央音乐频道(92.4MHz)组成的调频双工器和省交通频道(91.8MHz)、省新闻频道(101.3MHz)及市交通音乐频道(96.8MHz)组成的调频三工器，多工器的利用让我台铁塔的使用价值得到了充分的发挥。同样，现在各台也免不了在安装、使用、维护方面要经常与多工器打交道。

1.多工器的安装注意事项

虽然多工器在安装时对环境要求不高，但应根据场地的实际情况，合理安排摆放位置，达到即美观大方，又方便今后调试维修；对连接的硬馈尽可能的短，并一定注意使用的硬馈内连接挺芯一定是同一个国标件，因新老标件尺寸有一定差别，不然会连接不紧，造成打火或烧毁多工器。

2.多工器的调试

由于各台多工器数量的增加，维护调试工作量也会相应加大，一旦出现故障都请厂家来人维修，即耽误时间，又增加成本。配置必备仪器，掌握调试经验，对加快维修进程具有重要意义。

(1)常用仪器：网络分析仪、标阻若干及相应连接线。

图1 双工器的原理

图2 多工器的原理

图4 星点三工器

图5 定向耦合器内部结构图

图6 双工器

图7 延时线双工器

(2)功率合成器对某一个频率的带通和带阻作用是用过调节谐振腔内部导体长度来调整腔体谐振频率与输入频率相同，另外腔体的带通特性是通过调节耦合环来实现的，总体来说或谐振腔的带通和谐振特性曲线可以通过内导体长度和耦合环来实现调整的，直到达到系统的测试指标。

(3)桥式双工器的调整步骤：首先确定3db耦合器和带通滤波器的端口的连接是否紧密，按照国家测试规范确定分析仪的输入、输出口的连接符合规范，将腔体插损、反射值调节到最佳刻度位置，将RF IN接到腔体的吸收负载端口，这样做的目的是为了测量整个腔体的隔离度。最后将RF IN接至宽带输入口，测量宽带输入口和窄带输入口间的隔离度，由于桥式双工器中有3db耦合器和带通滤波器，两信号间隔离度较高，一般大于40db，要反复调整，使所有指标达到要求方可。

(4)星型双工器的调整步骤为：将两个调整好的带通滤波器用硬馈连接好，将分析仪RF OUT端接f1滤波器输入端，RF IN接东输出端，f2滤波腔输入端接标阻，反复进行调整，使插入损耗和反射损耗达到最佳；然后将RF OUT接至f2滤波腔输入端，f1输入端接标阻，同样反复调整，使其达到要求。调整好后，RF OUT端接f1滤波器输入端，RF IN接至f2滤波腔输入端，可测出f1、f2隔离度。

(5)多工器的统调步骤为：先将各单元分别调整好后再连接成整体，进行系统总调。调整时应从后往前，即从靠近天线端口的一组先调，再将这组作为前一级的负载来调前一级，以此类推，将整个单元调好，并锁定好所有紧关固螺丝。

3.多工器在使用中应注意的事项

(1)控制环境温度，防止温升引起频漂，从而增加插入损耗。由于温度升高，耦合器中等效电感和等效电容的值也会发生变化，从而引起震荡频率的漂移，增加内部功率损耗，不利于多工器的稳定工作.

(2)由于多工器的大量利用，室内弯头、接头增加，应随时注意这些部位的温度是否异常，颜色有无突然变化，观察桥式多工器吸收负载的温度情况，经常做好维护，才能确保多工器运行稳定。

六、结束语

本文从多工器的基本结构组成入手，将功率合成原理融入到实际工作中常见的多工器典型结构中，多工器的指标及具体调试方法，与从事广播电视工程的技术人员商榷。多工器在广播电视发射中能很好地实现不同工作频率发射机共用天线，提高铁塔使用价值，实现了实际发射台选购多工器时最佳性价比的考虑，而且这样的设备也给发射台安全播出维护带来很大的便利。

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