Малогабаритный диплексер для сложения мощности двух независимых передатчиков

(Радиоаматор. – 2005. – № 1. – С. 53–55)

Скачать всю статью в одном файле (PDF)

Для сложения мощности двух независимых передатчиков в антенне предложено использовать малогабаритный диплексер, выполненный на малогабаритных направленных ответвителях и низкодобротных режекторных фильтрах. Приведены формулы для расчета элементов диплексера, обеспечивающие минимизацию потерь мощности передатчиков при заданном разносе их рабочих частот. Даны рекомендации по изготовлению элементов диплексера и методика его настройки.

Проблема сложения мощности двух передатчиков в антенне может быть осуществлена различными способами. К ним относятся использование двойного квадратного моста с полной связью на отрезках коаксиальных линий, диплексера на двух направленных ответвителях и резонаторах, системы «Квадрат» на трех направленных ответвителях и двух отрезках фидера, кольцевого частотно-разделительного устройства на фильтрах нижних и верхних частот [1–3]. Недостатком известных в настоящее время систем сложения являются их большие габаритные размеры и необходимость использования фильтров высоких порядков. Поэтому, например, в телевизионных передатчиках с выходной мощностью менее 1 кВт, составляющих около 85 % от общего парка телевизионных передатчиков России [2], используется совместное усиление радиосигналов изображения и звукового сопровождения [1, 2].
Для устранения указанного недостатка предлагается использовать малогабаритный диплексер (рис. 1), реализованный на низкодобротных режекторных фильтрах и малогабаритных направленных ответвителях (НО), где НО1 и НО2 – первый и второй НО, С и L – емкость и индуктивность режекторных фильтров, Rб – балластное сопротивление, А – передающая антенна, Р1 и Р2 – выходные мощности первого и второго передатчиков.

Рис. 1

Физика работы диплексера заключается в следующем. Радиосигнал с первого передатчика попадая на НО1 делится поровну между выходами 3 и 4, достигая режекторных фильтров отражается от них, и складывается в фазе на выходе 2. Радиосигнал со второго передатчика делится поровну между выходами 5 и 6 НО2, достигает НО1, складывается на нем и попадает в антенну. Так как добротность режекторных фильтров конечна, часть мощности второго передатчика поглощается этими фильтрами. По этой же причине часть мощности первого передатчика уходит в балластное сопротивление. Из физики работы следует, что режекторные фильтры должны быть настроены на частоту радиосигнала первого передатчика.

Традиционно, НО создаются на основе связанных четвертьволновых линий передачи и поэтому имеют большие габаритные размеры. Используемые в передающей технике высокодобротные режекторные фильтры также имеют большие габариты. Рассмотрим возможность создания малогабаритного и дешевого диплексера. Для разработки малогабаритных направленных ответвителей диплексера воспользуемся методикой их изготовления описанной в [4], модифицируя эту методику с учетом особенностей настройки разрабатываемого диплексера. В соответствии с этим, НО диплексера предлагается выполнять из двух изолированных проводов, намотанных с одинаковым шагом на цилиндрический изолятор. Изолятор помещается затем в заземленный металлический цилиндрический экран, имеющий продольную щель вдоль всей длины и плотно обжимающий намотанные на изолятор провода. С помощью регулировки длины продольной щели металлического экрана достигается коэффициент ответвления мощности равный 0,5. Габаритные размеры такого цилиндрического направленного ответвителя, настроенного, например, на частоту первого телевизионного канала не превышают в диаметре 2 см при длине 4,5 см.

Потери в режекторных фильтрах обусловлены тангенсом угла потерь конденсаторов и активной составляющей сопротивления катушек индуктивности [5]. Поэтому для изготовления режекторных фильтров были выбраны конденсаторы с воздушным диэлектриком и катушки индуктивности, выполненные из залуженного медного провода. В результате экспериментальных исследований установлено, что добротность режекторных фильтров, выполненных на указанных элементах, как в метровом, так и в дециметровом диапазоне волн оказывается не хуже чем 380...420 [6].

;                                      (1)
                        (2)

где      – относительная расстройка между частотами радиосигналов передатчиков;
 – абсолютная расстройка;
 – резонансная частота режекторных фильтров;
дельта P – относительные потери выходной мощности радиосигналов первого и второго передатчиков, обусловленные использованием диплексера;
Lн, Сн – нормированные относительно волнового сопротивления антенно-фидерного тракта RА и  значения элементов режекторных фильтров.
Из соотношения (1) и результатов экспериментальных исследований рассматриваемого диплексера следует, что при относительной расстройке двух передатчиков равной 7 % потери мощности в диплексере не превышают 10 %, а при расстройке 20 % составляют около 5 %. Реальные потери мощности в известных устройствах сложения составляют величину порядка 5-10 % [1-3]. С учетом этого можно рекомендовать применение малогабаритного диплексера для сложения мощности двух передатчиков, если относительная расстройка между частотами сигналов передатчиков больше 5...20 %.

Рассматриваемый диплексер был использован при построении ряда усилителей телевизионных передатчиков с выходной мощностью 100 и 200 ватт, реализованных по схеме с раздельным усилением радиосигналов изображения и звукового сопровождения, и внедренных в различных городах Сибири, Казахстана и Средней Азии [7].

На рис. 2 приведена фотография внешнего вида малогабаритного диплексера, предназначенного для сложения в антенне мощности радиосигналов изображения и звукового сопровождения передатчика 5 канала телевидения с выходной мощностью 100 Вт. Габаритные размеры диплексера составляют 180х50х20 мм.

Рис. 2

Обкладки конденсаторов режекторных фильтров диплексера, подключаемые к выходам направленных ответвителей, изготовлены из латунной фольги толщиной 0,5 мм. Обкладки конденсаторов режекторных фильтров диплексера, подключаемые к катушкам индуктивности, изготовлены в виде тонких пленок напыленных на двухмиллиметровые керамические подложки. Использование вместо керамики стеклотекстолитовых пластин приводит к их выгоранию из-за больших напряжений на конденсаторах режекторных фильтров, поскольку эти напряжения в величину добротности превышают напряжения, приложенные к режекторным фильтрам. Индуктивности режекторных фильтров изготовлены из залуженного медного провода диаметром 1,8 мм и экранированы, для исключения влияния крышки диплексера на его характеристики. Точная подстройка режекторных фильтров на заданную частоту осуществляется с помощью заземленных металлических штырей, которые видны на фотографии и вводятся в области соединения конденсаторов и индуктивностей фильтров.

Настойка диплексера заключается в следующем. Вначале регулировкой длины продольной щели металлических экранов НО1 и НО2 добиваются того, чтобы коэффициент ответвления мощности каждого из  был равен 0,5. При заданной абсолютной расстройке  относительная расстойка  будет больше при выборе резонансной частоты режекторных фильтров равной меньшей из частот передатчиков. Поэтому в качестве первого передатчика выбирается передатчик с меньшей частотой радиосигнала, и режекторные фильтры настраиваются на указанную частоту. После этого измеряются потери мощности по каждому из входов диплексера.
Если требуется уменьшить потери мощности первого передатчика, следует увеличить величину емкостей конденсаторов режекторных фильтров и уменьшить величину катушек индуктивности, и наоборот. Затем измеряется развязка между входами диплексера, которая должна быть не менее 25...30 дБ. С помощью изменения в небольших пределах длины продольной щели металлических экранов НО1 и НО2 можно дополнительно увеличить развязку на 5...10 дБ. Это необходимо для уменьшения уровня интермодуляционных составляющих в спектре сигнала излучаемого антенной.

Для примера осуществим проектирование диплексера при условиях: волновое сопротивление антенно-фидерного тракта RА = 50 Ом; частота радиосигнала первого передатчика f1 = 151 МГц, частота радиосигнала второго передатчика f2  = 169 МГц.
При настройке режекторных фильтров на частоту  относительная расстройка будет равна: = 0,12. Из (1) получим, что указанному значению  соответствуют относительные потери мощности передатчиков в диплексере равные: дельта P = 0,073. Используя (2) найдем: = 7,726; = 0,129. Денормируя полученные значения элементов диплексера определим:  = 2,73 пФ;  = 407 нГн. Для изготовления НО может быть использован провод марки МГТФ 1х0,5. Требуемая длина каждого из двух проводов, изготавливаемого НО, может быть рассчитана по эмпирической формуле: , где  – центральная рабочая частота НО в мегагерцах, d – длина каждого из двух проводов НО в метрах. В нашем случае  = 160 МГц, и требуемая длина каждого из двух проводов равна: d = 0,44 м.

Литература

1. Проектирование радиопередатчиков / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с.
2. Иванов В.К. Оборудование радиотелевизионных передающих станций. – М.: Радио и связь, 1989. – 336 с
3. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ / О.В. Алексеев, А.А. Головков, А.Я. Дмитриев и др.; Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Радио и связь, 1987. – 392 с.
4. А.с. 202252 СССР. Направленный ответвитель для систем коллективного приема телевидения. / В.Д. Кузнецов, Н.Б. Аблин. – Опубл. в Б.И., 1967. – № 19.
5. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. – В 2 томах / М.Ю. Масленников, Е.А. Соболев, Г.В. Соколов и др. – М.: ИТАР – ТАСС, 1993.
6. Титов А.А. Расчет диплексера усилителя мощности телевизионного передатчика // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. – 2001. – № 2. – С. 74–77.
7. Титов А.А. Двухканальный усилитель мощности с диплексерным выходом // Приборы и техника эксперимента. – 2001. – № 1. – С. 68 – 72.