数字电视多工器的原理与维护范文

摘要：本文对组成数字电视多工器的最基本单元——桥式多工器的组成、原理和调试方法进行了阐述和分析，并以数字电视四工器为例，介绍了数字电视多工器的维护方法，并提出了一些建议。

关键词：组成原理；调试方法；数字电视多工器；桥式双工器；维护建议

1引言

数字电视多工器能够将多个不同频道的数字电视发射机发射的射频信号转化为组合信号，并通过一个宽频天馈系统发射出去，这样无需增加额外的天线，减少了广播电视塔的占地空间，降低了发射系统建设投资的费用。在技术方面，多工器系统具有良好的电气、机械性能，各频道信号之间互不干扰，各端口之间有较高的隔离度，后期的调试维护成本低，因此其应用范围很广。随着地面数字广播电视技术的发展及普及，数字电视多工器在无线广播电视领域得到了日益广泛的应用。

2数字电视多工器的工作原理

地面广播电视发射系统所使用的数字电视多工器通常都是以桥式双工器为基本单元，经级联后，组合成数字电视多工器。

2.1桥式双工器的基本构成和原理

下面以桥式双工器的实现原理为例，分析多工器的工作原理。桥式双工器结构组成示意图如图1所示。桥式双工器由两个中心频率不同的3dB定向耦合器（3dB1、3dB2）和两个带通滤波器（BPF1、BPF2）连接构成。其工作原理是：数字电视发射机射频信号f1经A1端口输入，经定向耦合器3dB1分别在B1、D1端口形成功率各一半的输出信号，其中，B1端口与A1端口同相位，D1端口经λ/4，滞后B1端口90°，两路信号分别通过带通滤波器（BPF1和BPF2）输出到定向耦合器3dB2的B2和D2端口，由于C2端口与D2端口同相位，C2端口经λ/4，滞后B2端口90°，两路信号在C2端口同相位合成，输出滞后90°的信号f1。由于B2与A2同相位，A2滞后D2信号90°，两路信号在A2端口相位相差180°，f1信号经定向耦合器（3dB2）在A2端口没有输出。f1信号经3dB1端口A1输入，输出两路信号相差90°，在C1端口形成反向180°的信号，相互抵消，在C1端口无输出。数字电视发射机射频信号f2经A2端口输入，经定向耦合器3dB2端口B2、D2输出相位差90°信号，经带通滤波器（BPF1和BPF2）全反射，再经定向耦合器3dB2后，在C2端口合成输出滞后90°的信号f2；在A2端口形成反向180°信号相抵消，无输出。自此，两部数字电视发射机输出信号f1和f2在C2端口合成输出f1+f2。实际上，两个滤波器并不能完全反射f2信号，会有一小部分信号泄漏到3dB1的B1和D1端，通常在C1端加入50Ω吸收负载进行吸收，不会传到A1端口，对f1进行串扰。

2.2带通滤波器的原理与调试

带通滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率范围的信号通过，而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。带通滤波器由RLC元件或RC元件构成，一般由低通滤波器和高通滤波器组合而成，如图2所示。带通滤波器的上限截止频率是低通滤波器的上限截止频率，带通滤波器的下限截止频率是高通滤波器的下限截止频率，即它可以滤掉低端频率，又可以滤掉高端频率，只让指定频率通过。用于广播发射系统的带通滤波器通常是腔体滤波器，它能够满足发射系统大功率容量的需求，带通滤波器分为传统级联滤波器和交叉耦合滤波器。传统级联滤波器各谐振腔体通过耦合结构首尾相连，腔体个数越多，越容易满足性能要求，其缺点是插入损耗的带外抑制度平缓，这样会导致相邻频道间产生干扰；交叉耦合滤波器的谐振单元，除首尾各连接一个谐振腔外，侧壁往往通过耦合结构连接其余谐振单元。交叉耦合滤波器可用更少的谐振单元实现相同的目标，其缺点是调试过程较复杂。数字广播电视带通滤波器通常采用交叉耦合滤波器，其关键是要调节腔内部谐振柱导体的长度，也就是通过改变耦合电容的大小，来调整腔体的谐振频率，使其与输入频率相同，并满足带宽要求。三腔带通滤波器结构示意图如图3所示。数字腔体滤波器将激励的方式改变为可调结构，例如通过设置可上下移动、左右旋转可调的耦合环，改变环形馈电激励的耦合大小等。三腔带通滤波器反射系数曲线调试过程图如图4所示，调试过程如下：首先微调环形馈电激励的螺栓，改变耦合度大小和强度，使得反射曲线中出现明显的三个极点，依次调节三个谐振柱的螺栓和微调谐振柱的螺栓，使反射曲线极点落于所需频道中心，如图4中的反射曲线1所示；此时再次调整环形馈电激励的螺栓，改变耦合度大小和强度，使得三个极点向中心频率靠拢逼近，再依次调节三个谐振柱的螺栓和微调谐振柱的螺栓，使极点再次落在频道中心，如图4中的反射曲线2所示；依次循环上述操作，直至频道内回波损耗指标满足要求，如图4中的反射曲线3所示。由上述调试过程可知：此种三腔带通滤波器调节方式既节约时间，又能够较为准确地得到反射曲线，且频点偏移更小。

2.3定向耦合器的调试

3dB定向耦合器作为桥式双工器的基本结构，其使用最为广泛的是单节λ/4定向耦合器，单节λ/4宽边定向耦合器结构示意图如图5所示。其阻抗和频带带宽都应满足整个发射系统的频道要求，并且耦合端与直通端插入损耗的幅度和相位差应整体保持在较小误差范围内，带外信号在端口反相相消的效果才会更好，各频道之间的隔离度才会更高。3dB定向耦合器三种不同尺寸直通端和耦合端的插入损耗对比图如图6所示。由图6可知：在所用调频频带88~108MHz范围内，应保证两个端口插入损耗的差值越小越好。在图6中，曲线3输出两端口的插入损耗差值过大，并且呈现上下脱离的趋势，因此与理想指标相差甚远；曲线2在频带两端频点能够达到零差值，但是频带中心范围插损差值较大；曲线1虽然零点在频带内，但是频带内插入损耗整体差值比前者小。经过上述比较，曲线3的效果相对好一些。耦合器正常工作情况下，带外信号反相抵消作用更明显，因此，在保证各端口反射系数指标要求的情况下，调试过程中应使耦合端和直通端插入损耗差值尽可能小。在耦合端和直通端插入损耗差值过大情况下，最简单实用的方法是，调节耦合板宽度，进而调节耦合度。

3数字电视多工器的维护

数字电视多工器是通过多个桥式双工器串联得到的，以数字电视多工器中的四工器为例，介绍其维护的方法。数字电视四工器连接图如图7所示，数字电视四工器由六个六腔带通滤波器、六个3dB定向耦合器、三个吸收负载及馈管连接而成。其中，f1输入端口为DTMB宽带口，f2、f3、f4分别为470~870MHz频率连续可调的任意三个数字电视频道接口。其工作原理是，f2信号通过3dB定向耦合器和带通滤波器后，在经3dB定向耦合器与宽带口的f1频率合成输出为（f1+f2）频率；f3信号通过3dB定向耦合器和带通滤波器后，再经3dB耦合器与宽带口的（f1+f2）合成为（f1+f2+f3）信号；f4信号通过3dB定向耦合器和带通滤波器后，再经3dB定向耦合器与（f1+f2+f3）合成，总输出（f1+f2+f3+f4）信号，最后经馈线送到天线发射。数字电视四工器应满足如下技术指标要求：输入端口反射系数大于26dB；输入窄带端口到宽带端口隔离度大于50dB、宽带端口到窄带端口隔离度大于35dB；中心频率f0插入损耗小于0.5dB；f0±3.8MHz频率小于0.7dB；f0±4.2MHz频率抑制度大于4dB；f0±4.2MHz频率抑制度大于40dB。其中心频率f0为电视频道所占带宽的中心频率。为满足上述各项技术指标，保证多工器正常工作，需对其进行如下维护。

3.1控制多工器的外部温度

由于机房环境温度升高或多工器工作中温度升高，会造成滤波器温度上升，由于热胀冷缩的原因，温度每升高1℃，滤波器的谐振频率降低20kHz左右。当滤波器温度上升30℃时，它的整个通带频率将向低漂移600kHz左右，多工器无法正常工作，因此，数字多工器中的带通滤波器温度的稳定性非常重要。同时，较高的温度也会降低多工器连接件的机械强度，造成3dB耦合器和带通滤波器接口处同轴馈线的连接件变形。因此，在多工器运行过程中，应定期测试工作环境的温度，通常要求温度的上限在30℃左右，一旦发现工作环境温度的异常或多工器表面金属温度过高，都应采取相应的冷却措施，保证多工器在正常的温度下进行工作。

3.2保证多工器器件具有足够的机械强度

除了温度过高会影响多工器的机械强度外，另一个重要因素是各个机械加工件是否能满足足够的承重和机械强度。（1）通常腔体滤波器各腔之间是通过耦合窗实现电耦合，在腔体之间的金属隔板之间开窗，使得腔内能量之间能够相互耦合（见图3），但金属隔板的厚度不够或耦合窗口过大，都会导致因其机械强度不够，都会使得滤波器腔体上侧金属板和腔内耦合板承受更大的重力，很容易使其变形。（2）腔体滤波器除了可以调节腔内谐振柱实现频道的转换外，更多的是将滤波器输入输出端口激励设置成可调结构，以配合谐振柱调节，这样做，使得可调范围和灵活性变大。对于耦合器及各组件安装在滤波腔体侧面的情况，输入输出端口处的处理，通常都是将外部同轴馈线的内导体延伸进滤波器腔体内一段距离后，再连接激图7数字电视四工器连接图励器件（比如可旋转金属环或金属板等），这样会导致延伸进腔体的内导体需要承受激励器件的全部重力，并且在调节过程中，也会受到轻微变形产生的应力。由于内导体的尺寸有相应的标准限制（内外导体尺寸通常固定），这就要求激励器件不能过大或过小，过大会导致内导体产生变形甚至断裂；过小会使其失去调节作用，并且降低了滤波器的可调范围。

3.3确保各连接件之间连接紧密

对于多工器加工后的组装，应保证各器件之间连接的紧密性。滤波器与耦合器之间同轴馈管及连接组件应确保连接紧密，否则会导致射频信号能量泄露和多工器指标变差。通常滤波器和耦合器都设有微调谐柱，通过在谐振腔和耦合器外壁开小孔并内插可调螺柱达到微调指标性能的作用。微调柱过多或由加工误差引起的螺柱小孔螺纹未能紧密结合，都会导致信号能量的泄露，并且会降低多工器的功率容量；若多工器与天线的馈电部分连接不够紧密，同样也会导致信号能量的泄露及多工器的隔离度指标变差。因此，在调试之前，应首先要保证各连接件的紧密性，避免在能量泄露的情况下，调试多工器的性能指标。

3.4统调多工器指标

多工器的调试过程，应注意先后顺序，首先要对滤波器和耦合器的指标进行调试，滤波器可调性大，通常只需调节谐振柱与输入输出端口激励环便能达到指标要求；耦合器加盖封装后，可直接调节的器件只有微调螺柱，微调螺柱主要影响耦合器直通端和耦合端的插入损耗指标，并且其影响较小；在组装连接后，应由天线端口向输入端口逐级进行调试，并保证所有的连接点螺钉紧固，这样一旦发现指标不满足要求或射频泄露，便于查明原因。在保证上述测试调试过程无误，且各项指标满足要求的条件下，再对多工器进行整体测试，一般地，反射指标和端口隔离度指标若有频带偏差或未能达到要求，除了检查各连接口紧密性和调整吸收负载外，应主要调整滤波器单元，改善整体的测试指标。

4结束语

多工器在数字广播电视发射系统中具有广泛的应用，选用合适的多工器能够增强发射系统的覆盖范围，提高天馈系统的工作效率。本文针对多工器的基本结构和原理进行分析，并从多工器的维护方法入手，对多工器后期维护维修等问题进行了探讨，现提出如下三点注意事项。（1）要选用合适的多工器结构，有利于组装，避免在调试过程中，遇到不必要的问题，减少后期调试维护的时间周期。（2）多工器的维护和调试过程较为简单，要确保多工器工作的外部环境温度的正常以及通风性能良好，要定期对多工器进行维护及性能测试，确保多工器的正常运行。（3）要熟悉多工器后期调试及维护流程，只有这样，才能有效发挥多工器的作用，对系统进行更合理的维护和管理，确保数字广播电视信号的传输发送。

作者：刘淑文 单位： 辽宁省广播电视中心发射台