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【摘要】我台运用模拟CH15频道的宽频带天线，通过三工器使用多频道合成技术，将新增的数字CH31和CH43频道共用进行播出，从而提高了发射塔空间的使用率，降低了设备成本和维护成本。
【关键词】三工器;宽频带天线;多频道合成;3dB耦合器 滤波器
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.025
1. 任务背景
在中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的实施中，在七六一台规划了CH31、CH43两个功率等级均为1KW的数字频道，播出央视数字电视12套节目。
为推进七六一台无线广播电视数字化转换工作，需将功率等级为20KW的模拟CH15与数字功率等级为1KW的数字CH31、CH43进行多频道合成。
2. 技术改造方案
七六一台原有一个CH15功率等级为20KW模拟频道，运用该频道的宽频带天线，通过三工器使用多频道合成技术，将新增的CH31和CH43共用CH15的宽频带天线进行播出，从而提高了发射塔空间的使用率，降低了设备成本和维护成本。
2.1 系统方案设计
电视多工器是以双工器为基础进行的升级，可根据不同的应用条件来进行多种形式的组合。对三工器而言，主要类型有星型形式、桥式加宽带口滤波器形式、全桥式等等。对广播电视行业而言，应用的多工器基本组成单元滤波器主要为腔体同轴腔滤波器及腔体波导滤波器。
针对我台情况，同轴腔滤波器组成的多工器在功率等级上不能满足需求，因此多工器组成基本单元选择为腔体波导滤波器。
同时，为了便于安装及后期可能进行的改造，我台最终将方案确定为两个桥式双工器组成的桥式三工器，其中CH15经由三工器的宽带口输入到天线。三工器系统基本结构如下图1所示：
2.2 波导滤波器设计
本方案所选滤波器为腔体波导滤波器，其仿真模型如下图2所示：
从仿真模型可看出，滤波器包含两个圆柱谐振腔。圆波导工作的主模是TE11模，由于圆波导的对称性，当利用圆波导作为谐振器时，在一个圆波导的腔体内包含两个相互正交的极化简并模，这类似于两个无能量交换的同频率谐振器。
双腔双模带通滤波器的工作原理如仿真模型图所示，圆形端口馈入一垂直极化电场，进入圆波导谐振器后，激起模式1的垂直极化场，通过一个45°螺钉使垂直极化场产生水平极化分量，激励模式2的水平极化场，从而实现垂直极化和水平极化场的耦合。模式2的水平极化能量可以通过一个垂直的耦合窗口实现两个圆波导谐振器间水平极化场的耦合，依次实现能量在波导管中的储存传递，以实现滤波功能。
通过调节该波导滤波器的谐振频率及耦合量，可得到滤波器的仿真参数，如下图3、4所示：
通过仿真结果仿真结果看出，滤波器带宽满足8MHz数字化发射使用带宽。
2.3 3dB耦合器设计
通常应用于广播电视发射系统中的3dB定向耦合器是是一个四端口器件，采用单节长度为1/4λ平行板耦合结构，其原理如图5所示：
单节1/4λ（λ为中心频率波长）3dB耦合器的内导体由两个等宽的平行耦合板构成，耦合板长度为中心频率波长的1/4，各端口的特性阻抗均为Z0。3dB耦合器的电气特性如下：
A .如图6所示，当P1到1端口时分成两路分别到达端口2和端口4，功率大小相等，端口4的相位滞后90度。如果端口2和端口4处是完全匹配的（50欧姆）到达端口3的功率为0。
B.如图7所示，当2、4端口短路，功率从1口输入时理想状态下会从3端口完全输出。
C.如图8所示，当功率从2端口输入P1/2相位是0度，同时功率从4端口输入P1/2相位是-90度，从3端口会有功率P1的完全输出此时的相位为-90度;如果四个端口完全匹配则1端口无功率输出。
在各端口都与特性阻抗为Z0的负载连接达到匹配状态时，若有信号从端口1输入，则端口2、4将有信号输出而隔离端口3没有输出。由于耦合信号（端口4的输出）的传播方向与输入信号方向相反，所以这种耦合器是有反向定向的作用。
根据3dB耦合器原理在仿真软件中搭建的仿真模型如下图9示：
通过调整耦合器相关尺寸得出仿真结果如下：
由耦合器仿真结果可知，该耦合器在UHF波段满足驻波比小于1.06，插入损耗小于0.2。
2.4 电视三工器调试
对于桥式多工器的调试，首先对滤波器进行调试。对于我台应用的双腔双模式波导滤波器相当于普通四腔滤波器，且该类型滤波器基本为定频结构，对谐振腔的谐振频率只需微调即可达到使用频率，然后对端口耦合及45°耦合柱进行适当调试后，即可满足使用要求。
然后将两个相同频率滤波器为一组，连接3dB耦合器（耦合器为全频段设计，不需独立调试）组成桥式单元，桥式单元整体调试可通过耦合器及滤波器微调柱来实现。
两个桥式单元分别调试完成后，将其组合成为三工器，如图1形式，再通过调试滤波器、耦合器微调柱来调节整体指标。
三工器调试完成后指标如以下几图所示：（图11、图12、图13）
通过对电视三工器的仿真及实物的调试，电视三工器的反射损耗、插入损耗、隔离度都具有良好的技术指标。
2.5 电视多工器的安装
对电视多工器调试完成后，將多工器置于预先策划地点，再次对多工器进行测试后，指标与预调指标相符。然后进行各馈管连接，多工器输入口分别连接发射机、同轴开关输出口，多工器输出口连接开关板，通过双馈进行播出。
3. 结束语
经过我台人员对电视三工器的设计、调试、安装，本次我台电视多工器的改造顺利完成且运行至今无任何由多工器引发的不良问题产生。希望我台本次电视多工器的改造可为各广播电视发射台提供一定的参考，为广电事业的发展尽我台绵薄之力。
【关键词】三工器;宽频带天线;多频道合成;3dB耦合器 滤波器
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.01.025
1. 任务背景
在中央广播电视节目无线数字化覆盖工程的实施中，在七六一台规划了CH31、CH43两个功率等级均为1KW的数字频道，播出央视数字电视12套节目。
为推进七六一台无线广播电视数字化转换工作，需将功率等级为20KW的模拟CH15与数字功率等级为1KW的数字CH31、CH43进行多频道合成。
2. 技术改造方案
七六一台原有一个CH15功率等级为20KW模拟频道，运用该频道的宽频带天线，通过三工器使用多频道合成技术，将新增的CH31和CH43共用CH15的宽频带天线进行播出，从而提高了发射塔空间的使用率，降低了设备成本和维护成本。
2.1 系统方案设计
电视多工器是以双工器为基础进行的升级，可根据不同的应用条件来进行多种形式的组合。对三工器而言，主要类型有星型形式、桥式加宽带口滤波器形式、全桥式等等。对广播电视行业而言，应用的多工器基本组成单元滤波器主要为腔体同轴腔滤波器及腔体波导滤波器。
针对我台情况，同轴腔滤波器组成的多工器在功率等级上不能满足需求，因此多工器组成基本单元选择为腔体波导滤波器。
同时，为了便于安装及后期可能进行的改造，我台最终将方案确定为两个桥式双工器组成的桥式三工器，其中CH15经由三工器的宽带口输入到天线。三工器系统基本结构如下图1所示：
2.2 波导滤波器设计
本方案所选滤波器为腔体波导滤波器，其仿真模型如下图2所示：
从仿真模型可看出，滤波器包含两个圆柱谐振腔。圆波导工作的主模是TE11模，由于圆波导的对称性，当利用圆波导作为谐振器时，在一个圆波导的腔体内包含两个相互正交的极化简并模，这类似于两个无能量交换的同频率谐振器。
双腔双模带通滤波器的工作原理如仿真模型图所示，圆形端口馈入一垂直极化电场，进入圆波导谐振器后，激起模式1的垂直极化场，通过一个45°螺钉使垂直极化场产生水平极化分量，激励模式2的水平极化场，从而实现垂直极化和水平极化场的耦合。模式2的水平极化能量可以通过一个垂直的耦合窗口实现两个圆波导谐振器间水平极化场的耦合，依次实现能量在波导管中的储存传递，以实现滤波功能。
通过调节该波导滤波器的谐振频率及耦合量，可得到滤波器的仿真参数，如下图3、4所示：
通过仿真结果仿真结果看出，滤波器带宽满足8MHz数字化发射使用带宽。
2.3 3dB耦合器设计
通常应用于广播电视发射系统中的3dB定向耦合器是是一个四端口器件，采用单节长度为1/4λ平行板耦合结构，其原理如图5所示：
单节1/4λ（λ为中心频率波长）3dB耦合器的内导体由两个等宽的平行耦合板构成，耦合板长度为中心频率波长的1/4，各端口的特性阻抗均为Z0。3dB耦合器的电气特性如下：
A .如图6所示，当P1到1端口时分成两路分别到达端口2和端口4，功率大小相等，端口4的相位滞后90度。如果端口2和端口4处是完全匹配的（50欧姆）到达端口3的功率为0。
B.如图7所示，当2、4端口短路，功率从1口输入时理想状态下会从3端口完全输出。
C.如图8所示，当功率从2端口输入P1/2相位是0度，同时功率从4端口输入P1/2相位是-90度，从3端口会有功率P1的完全输出此时的相位为-90度;如果四个端口完全匹配则1端口无功率输出。
在各端口都与特性阻抗为Z0的负载连接达到匹配状态时，若有信号从端口1输入，则端口2、4将有信号输出而隔离端口3没有输出。由于耦合信号（端口4的输出）的传播方向与输入信号方向相反，所以这种耦合器是有反向定向的作用。
根据3dB耦合器原理在仿真软件中搭建的仿真模型如下图9示：
通过调整耦合器相关尺寸得出仿真结果如下：
由耦合器仿真结果可知，该耦合器在UHF波段满足驻波比小于1.06，插入损耗小于0.2。
2.4 电视三工器调试
对于桥式多工器的调试，首先对滤波器进行调试。对于我台应用的双腔双模式波导滤波器相当于普通四腔滤波器，且该类型滤波器基本为定频结构，对谐振腔的谐振频率只需微调即可达到使用频率，然后对端口耦合及45°耦合柱进行适当调试后，即可满足使用要求。
然后将两个相同频率滤波器为一组，连接3dB耦合器（耦合器为全频段设计，不需独立调试）组成桥式单元，桥式单元整体调试可通过耦合器及滤波器微调柱来实现。
两个桥式单元分别调试完成后，将其组合成为三工器，如图1形式，再通过调试滤波器、耦合器微调柱来调节整体指标。
三工器调试完成后指标如以下几图所示：（图11、图12、图13）
通过对电视三工器的仿真及实物的调试，电视三工器的反射损耗、插入损耗、隔离度都具有良好的技术指标。
2.5 电视多工器的安装
对电视多工器调试完成后，將多工器置于预先策划地点，再次对多工器进行测试后，指标与预调指标相符。然后进行各馈管连接，多工器输入口分别连接发射机、同轴开关输出口，多工器输出口连接开关板，通过双馈进行播出。
3. 结束语
经过我台人员对电视三工器的设计、调试、安装，本次我台电视多工器的改造顺利完成且运行至今无任何由多工器引发的不良问题产生。希望我台本次电视多工器的改造可为各广播电视发射台提供一定的参考，为广电事业的发展尽我台绵薄之力。