大功率數(shù)字電視發(fā)射雙工器

大功率數(shù)字電視雙工器房少軍教授2011年12月10日目錄一、大功率數(shù)字電視多工器概況二、3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)三、濾波器的設(shè)計(jì)四、雙工器組裝、連接測(cè)試大功率數(shù)字電視雙工器概述地面數(shù)字電視信號(hào)傳輸主要依靠數(shù)字電視發(fā)射天線把電視信號(hào)向外輻射出去。通常情況下，電視臺(tái)會(huì)同時(shí)廣播或轉(zhuǎn)播一個(gè)以上的不同的節(jié)目。如果每部發(fā)射機(jī)都配備一副天線，則投資會(huì)大幅度的提高，鐵塔也要預(yù)留出地方放置其他頻道的天線。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用多個(gè)頻道信號(hào)共用一副天線的方法，稱之為多工。雙工器就是將兩個(gè)頻道共用一副天線，數(shù)字電視功率較大，隔離度要求高，通常采用的是橋式雙工器。橋式雙工器通過(guò)級(jí)聯(lián)可組成多工器。橋式雙工器原理橋式雙工器由兩個(gè)3dB定向耦合器和兩個(gè)帶通濾波器構(gòu)成的。電視信號(hào)由1端輸入，在3、4端形成功率各一半的信號(hào)，其中3端與1端同相位，4端相位比1端滯后，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器到達(dá)3’、4’端，由于4’端與2’端同相位，3’端經(jīng)過(guò)相位延遲后到達(dá)2’端，這樣對(duì)于的兩路信號(hào)在2’端同相位合成。而在1’端已經(jīng)延遲的信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器后再延遲，共延遲，這樣，的兩路信號(hào)在1’端正好反相抵消，無(wú)輸出。電視信號(hào)由1’端輸入，在3’，4’端輸出兩路各一半功率的信號(hào)，在帶通濾波器的輸入端被全反射，由于相位的關(guān)系，在2’端合成一路信號(hào)，于是，在2’端電視信號(hào)和被合成一路信號(hào)由天線輻射出去。星型雙工器介紹通過(guò)調(diào)節(jié)L1和L2的長(zhǎng)度達(dá)到F1和F2能共用天線又不相互干擾。通常F1和F2相隔較遠(yuǎn)。此結(jié)構(gòu)已設(shè)計(jì)用于調(diào)頻廣播。雙工器的相關(guān)指標(biāo)功率容量：雙工器所能承受的最大功率容量駐波比：各輸入通道的回波損耗，一般要求1.1下插入損耗：能量通過(guò)雙工器所引起的損耗，一般要求0.3dB下輸入隔離度：各輸入通道之間的隔離度，一般要求-30dB下橋式雙工器的重要組成部分3dB定向耦合器濾波器3dB定向耦合器原理及設(shè)計(jì)由于數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射功率大，對(duì)定向耦合器的駐波比和隔離度要求都很高，通常VSWR<1.1dB,隔離度達(dá)到-30dB以下，因此傳統(tǒng)的微帶結(jié)構(gòu)就不能夠應(yīng)用，本設(shè)計(jì)給出了采用金屬板電橋結(jié)構(gòu)的定向耦合器。由于金屬板電橋的耐高壓擊穿特性，使得定向耦合器的功率容量大大提高。金屬板定向耦合器結(jié)構(gòu)圖耦合帶狀結(jié)構(gòu)定向耦合器

該類型定向耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好，而且功率容量大適合數(shù)字電視發(fā)射的要求。根據(jù)寬面耦合帶狀線的綜合，可設(shè)計(jì)出定向耦合器的大概尺寸，然后利用HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到要求的性能指標(biāo)。3dB定向耦合器優(yōu)化、仿真由仿真結(jié)果可知，在f=400MHz~650MHz的頻帶范圍內(nèi)，反射系數(shù)都達(dá)到了-30dB以下，耦合度在范圍內(nèi)基本可以覆蓋接近30個(gè)數(shù)字電視頻道（a）定向耦合器的反射系數(shù)S11、隔離度S41曲線（b）

定向耦合器的傳輸系數(shù)S21、耦合系數(shù)S31曲線

3dB定向耦合器仿真結(jié)果功率容量的估算我們觀察此定向耦合器在中心頻率處場(chǎng)強(qiáng)分布，當(dāng)PORT1輸入功率為1W時(shí)，金屬板上最大場(chǎng)強(qiáng)8.9417E+2V/m，板間為空氣介質(zhì)，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.00E+6V/m。所以得到該定向耦合器的最大功率容量為3.355KW。耦合板所承受的輸入功率主要耦合板間距有關(guān)，適當(dāng)在不影響耦合度的情況下，增大板間距，功率容量可以相應(yīng)增大。此外，觀察耦合板場(chǎng)強(qiáng)分布圖，我們發(fā)現(xiàn)，兩金屬板之間的場(chǎng)強(qiáng)幾乎都在7.1534V/m以下，所以該定向耦合器的功率容量應(yīng)該能夠更高一些。定向耦合器實(shí)物圖若端口1為輸入端，則端口2為直通端，端口3為耦合端，端口4為隔離端。實(shí)物調(diào)試后測(cè)試結(jié)果回波損耗S11隔離度S41實(shí)物調(diào)試后測(cè)試結(jié)果耦合系數(shù)S31傳輸系數(shù)S21橋式雙工器的重要組成部分3dB定向耦合器濾波器

同軸諧振腔是由一端短路一端開路的同軸線構(gòu)成的，它的開路端是利用一段處于截止?fàn)顟B(tài)的圓波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由兩端面處的邊界條件可知，在諧振時(shí)，其腔長(zhǎng)等于諧振波長(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍，即所以，它的諧振波長(zhǎng)為：

同軸諧振腔原理數(shù)字電視方腔圓軸濾波器可等效為同軸諧振腔，因?yàn)閳A軸末端與腔壁存在電容效應(yīng)，所以圓軸長(zhǎng)度小于同軸諧振腔間耦合系數(shù)的提取諧振腔間的耦合強(qiáng)弱可用耦合系數(shù)來(lái)表示，耦合系數(shù)越大，耦合越強(qiáng)。如果磁耦大于電耦，則認(rèn)為該耦合為磁耦合，相反則為電耦合。兩腔間的總耦合等于磁耦減電耦。圖（a）、（b）分別通過(guò)在同軸諧振腔開路端開窗和添加耦合桿來(lái)實(shí)現(xiàn)電耦合；圖（c）、（d）分別通過(guò)在同軸諧振腔短路端開窗配合調(diào)諧螺釘和耦合環(huán)的形式實(shí)現(xiàn)磁耦合。輸入輸出耦合一個(gè)諧振腔只有與外界存在能量的交換才有實(shí)用價(jià)值。圖（a）采用同軸探針直接與諧振桿相連，耦合最弱，有載Q值最大；圖（b）采用同軸探針頂端圓盤來(lái)增大探針與諧振桿之間的電容，屬于電耦合方式；圖（c）采用同軸探針彎折與諧振腔外壁相連構(gòu)成耦合環(huán)，屬于磁耦合方式。圖（b）、（c）耦合強(qiáng)，有載Q值比較小。*根據(jù)給定的指標(biāo)，計(jì)算出濾波器的耦合系數(shù)、有載Q值等參量。*根據(jù)客戶要求的重量、外形、尺寸等，確定合適的單腔腔體尺寸。*選用合適的諧振腔阻抗，盡量保證諧振腔的無(wú)載Q值最大—無(wú)載Q值越大，諧振腔的損耗越小。諧振腔的等效阻抗在76歐姆時(shí)，無(wú)載Q值最大。通過(guò)下式可以計(jì)算得到方腔圓桿的諧振腔阻抗值，由此可以確定腔體的尺寸。(上式中，是填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，b是諧振腔的邊長(zhǎng)，a是諧振桿的直徑)

*單腔仿真，得到實(shí)現(xiàn)中心頻率的諧振桿高度和調(diào)諧螺釘?shù)纳疃取?雙腔仿真，得到實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)的開窗寬度、高度或耦合桿的位置。*Q值仿真，得到輸入輸出接頭的尺寸和位置。*全腔仿真及調(diào)試，得到理想的交叉耦合濾波器的結(jié)構(gòu)和尺寸。濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程濾波器的HFSS仿真模型HFSS中對(duì)濾波器進(jìn)行優(yōu)化、仿真HFSS仿真結(jié)果實(shí)物加工與測(cè)試濾波器加工實(shí)物圖通過(guò)不斷調(diào)節(jié)可調(diào)頻率、耦合螺釘使測(cè)試結(jié)果滿足要求雙工器組裝、連接測(cè)試雙工器的整體連接圖待兩個(gè)定向耦合器和濾波器都調(diào)試好后，進(jìn)行組裝、測(cè)試。組裝時(shí)一定要固定好，且盡量保持清潔網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試CH16反射損耗CH16為窄帶通道信號(hào)，由測(cè)試圖看出，反射損耗在-30dB一下，即駐波滿足1.1下的要求網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試CH16插入損耗由圖看出，窄帶通道的插損滿足-0.3dB下網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試CH21反射損耗寬帶信號(hào)CH21的駐波也滿足1.1下網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試CH21插入損耗寬帶信