双工器工作原理与调试的方法

Exploration实践与探索双工器工作原理与调试的方法文/王　欣摘要：本文介绍了移动通信中双工移动台及转讯台的天线共用装置双工器的工作原理，并提出一种用常规测量仪器对双工器进行调试的方法。关键词：双工无线电通信　天线收发转换器　滤波器 调试方法阻抗变换后变成开路，就不会影响发信端。同理，λ/4阻抗变换也使发信滤波器不影响收信。对滤波器的要求与发信功率、发信频谱的远端噪声功率密度、收信机本身的噪声系数及收信阻塞指标等因素有关。收信滤波器对发信频率所需的衰减可用下式估算：随着工业社会向信息社会的发展，移动通信发展非常迅速，移动电话及各类专业通信网象雨后春笋一样出现。目前常见的专业收发信双工台有KYODO公司的KG系列转讯台及车载台、KENWOOD公司的TKR系列转讯台及车载台和ICOM与MOTOROLA的产品等。这些公司的产品质量一般都非常可靠，因此在组网中若通信距离达不到设计要求时，除了检测收信机灵敏度与发信机发射功率外，天馈线系统及双工器是一重要因素，必须认真检测。Ar(dB)＞Pt(dBm)-Sb(dB)-Ps(dBm)+衰减余量(dB)(1)其中，Pt为发信载波功率，Sb为收信阻塞干扰电平，Ps为达到收信灵敏度所需的输入信号功率。衰减余量取决于收信灵敏度受发信影响的程度。当衰减余量为0dB时，收信灵敏将恶化3dB。一般要求发信工作时接收机灵敏度的变化不大于1dB，这时衰减余量可取3～6dB。发信滤波器对收信频率所需的衰减可用下式估算：At(dB)＞Pt(dBm)+10logB+Sn(dB)-Pnf(dBm)+衰减余量(dB)(2)其中，Pt为发信载波功率，B为接收通带宽度，Sn为发射信号在收信通带内的平均噪声功率谱密度，Pnf为按接收机的灵敏度或噪声系数折算到天线端的等效噪声功率，衰减余量同(1)式。例如，接收机灵敏度为0.5μV，阻塞指标为90dB，发信功率10W，则由（1）式计算出收信滤波器对发信频率的衰减应为：Ar(dB)＞40dBm-90dB+113dBm+3dB=66dB如在收信通带内发信的平均噪声功率谱密度为140dB/Hz，收信通带为16kHz，噪声系数为3dB，则由（2）式可求得：At(dB)＞40dBm+42dB-140dB+123.6dBm+3dB=68.6dB上述滤波器是收发信机双工器工作时使用的，因此称之为双工滤波器或双工器。在UHF、VHF频段，集总参数的LC滤波器Q值较低，难以满足上述阻带衰减。通常使用同轴谐振腔或螺旋谐振腔作LC谐振回路，构成窄带滤波器。同轴谐振腔是一段一端短路的四分之一波长同轴线，其等效电路为一并联谐振回路。这种谐振回路由于其电磁场全部封闭在腔内，所以几乎没有辐射损耗，因此品质因数Q可以达到几千。这种特性是LC集总参数谐振器难以达到的。由同轴谐振腔构成的双工器常用于基地台或转讯台的天线系统中。一、双工器工作原理双工移动通信机工作时必须使用双工器，以使收发互不影响（转讯台有时也采用双天线隔离）。对于双工通信，收发频率之间有一保护频带。我国规定160MHz频段收发间隔为5.7MHz，460MHz频段收发间隔为10MHz，900MHz频段收发间隔为45MHz。发信机产生的射频功率对接收机的影响有两个方面。一是发信频率上的强信号使接收机前级产生阻塞。要消除这种影响，必须将进入接收机前级的本机发射信号抑制到阻塞电平以下。二是发信频谱在收信通带内的噪声会直接进入接收机，因而影响信噪比，所以必须在发信输出端抑制这部分噪声，使它低于接收机本身在天线输入端的等效噪声功率。前一种影响的消除，要依靠在接收机输入端接入收信滤波器，以阻止发信功率进入接收机。后一种则要依靠在发信机输出端接入发信滤波器，以抑制发信频谱造成在收信频带上的噪声功率。为了使两滤波器互不影响，各自还要通过λ/4传输线阻抗变换后接到天线端，如图1所示。收信滤波器输入端对发信频率相当于短路，经λ/4收信机　收信滤波　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1λ／４　发信机　发信滤波　接天线λ／４　OCCUPATION职　　业

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Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.Exploration实践与探索删除，而同时要在天线与接收回路之间达到最小的通带信号衰减。调整与测试步骤如下：首先，高频信号发生器输出高频点，调校双工器的低通螺钉使收信机收到的信号慢慢减弱，使信号发生器输出不会导致接收机饱和。在必要时可将高频信号发生器输出慢慢增强，同时，将接收机调到临界静噪接收状态。然后，将负载与收信机位置互换，信号发生器输出低频点，收信机收低，调校双工器的高通螺钉使收信机收到的信号慢慢减弱，使信号发生器输出不会导致接收机饱和。在必要时亦可将高频信号发生器输出增强。上述过程反复几次可使双工器的隔离度达到最佳。依据上述方法，我们用实验室的常规测试仪器对在波长较长的VHF频段及UHF频段的低端，同轴谐振腔的体积较大，因此不适用于移动收发通信设备。将同轴腔内的导成螺旋状可使双工器的体积减小，因为电磁波沿螺旋内导体传输时，沿螺旋线轴向的相速被降低。这种慢波结构使电波沿轴向传输过程中的波长大为缩短。由一端短路的λ/4螺旋线构成的螺旋谐振腔，其内部电磁场分布与同轴谐振腔相似，只是Q值略低些。这是因为电波沿螺旋线传播时，各匝导线要受到相邻导线磁场的作用，使导线内电流集中到线圈外侧。导线截面上电流密度的不均匀相当于截面减小、等效电阻增加，因此导致Q值下降。二、双工器隔离度测试与调整方法天线Fr Ft x λ/4 y λ/4 收信机一些通信效果欠佳的通信网双工器进行调校，效果十分理想，使通信效果大为改善。所用测试仪器及具体操作如下。图3中的接收机用的是马兰士的C-150宽带 收信机手持机，其接收频点可在VHF段随意设置。信号发生器为XFC-6型标准信号发生器，该发生器的输出频率范围为4-300MHz,可覆盖VHF段（若调试UHF段双工器，则可利用XFC-6的谐波分量并加以放大输出）。匹配负载为C 2 П L 2 C1 І L1 2W/50欧姆碳膜电阻，用50欧姆同轴电缆连接并装入封闭的金属盒内以防电磁辐射。调整时首先将XFC-6的工图2作状态置为内调频，频偏为3kHz；然后将XFC-6与C-150的频点调整到待调双工器的频点，并按图3与双工器连接。在调试过程中，XFC-6的输出必须慢慢增大，通过调整双工器使C-150听不到1000Hz单音时，再增大XFC-6的输出。这样反复几次到XFC-6的输出达到最大后，双工器带阻衰减可达60dB左右。其频率特性如图4所示（以发射频率为157.525MHz，接收频率为163.225MHz的双工器为例）。0 –10 –20 –30 衰减 (db)–40 –50 –60 –70 155 156 157 158 159 160 161162 163 1 165 166 –40 同轴谐振腔或螺旋谐振腔双工器可以等效为图2所示电路：设发信频率Ft＞收信频率Fr，调节C1使并联回路I谐振于Fr，故回路I对Fr呈感性，并与C串联谐振于Fr（从Z到地）。同理并联回路Ⅱ谐振于Fr，故回路B对Ft呈容性,并与L串联谐振于Ft(从X到地)。从发射机来的信号经过Z点，由于回I对Ft呈并联谐振，阻抗大，故对发射信号的旁路作用小。由于Z点对地串联谐振于Fr，故落入接收频段内的发射机噪声和寄生分量将受到很大的抑制。由于X点对地串联谐振于Ft，即近似于对地短路，经过λ/4的阻抗变换作用后，对发射信号来说从Y点通向接收机一方的输入阻抗近似于无穷大，所以发射信号Ft只馈入天线，而从Y点进入接收机的部分很小，这一小信号再经过X点旁路作用的进一步衰减，不至引起发射机到接收机的干扰。同理可分析由天线来的接收信号。双工器隔离度的测试与调整就是调图2中的可调元件。调整它们的具体位置是调双工器底部的螺钉（调整谐振腔螺距），如图3所示。收信机高频信号发生器　发高频点５０欧　匹配负载图4频率MHz 目前，专业移动通信网中所使用的双工器大多为国内厂家所生产的。虽然出厂时一般都经过严格的隔离度测试，但由于种种原因如运输中的震动、频点的变更等，导致有些双工器的隔离度实际上达不到通信组网的设计要求。因此，在通信组网前对双工器的隔离度进行认真的测试与调整，对保证通信网的顺利开通是非常重低通天线高通要的。参考文献：双工器调整螺钉图3G.Macchiarella,S.Tamiazzo,“Novel Approach to the Synthesis of Microwave Duplexers”,IEEE Trans.Microwave Tech,Vol.MTT-,N 12,Dec 2006 PP.4281-4290.（作者单位：江西省化工技校）调整双工器的目的是把天线与接收回路的发射信号206

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