空腔双工器的原理和调试.doc

空腔双工器的原理和调试 双工器是有着尖锐的调谐持性的装置，用来隔离接收和发射。它允许一根天线完成发射和接收，而不用担心发射装置的射频能量去轰击接收机。当然，那样做必须将发射频率和接收频率分开，称为频差。在2米波段的频差是600KHZ；在70Cm波段有着较大的宽度，是5MHZ。 通常，双工器工作在狭窄的通频带上，有着不可思议的陡峭的截止曲线。不同于一般意义上的高通或低通滤波器。 有好几种方法来实现双工器，业余上常用空腔和相位线的方法。ARRL手册上有详尽的工作原理。 ARRL手册上也给出了六空腔的双工器，之后又解释了其工作原理。我也按照做了一个并让它工作，但我发现这个设计调谐起来非常困难，信噪比也一直不稳定，所以我不想在这里介绍它们。我相信，现在已经有调谐简单实际可行的双工器被设计制造出来了。 我一直推崇的一款双工器是名叫华康(Wacom)的设计。它用4个8吋的腔体构成“带通(band pass)/带阻(band reject)”模式。借助于高Q值的腔体和良好的设计，Wacom 仅用4个腔体就有相当于6个腔体的良好表现。唯一的缺点是费用较高。 图一详细给出了它的结构，其中两个腔体组成一组与发射机输出端连接；另外两个与接收机输入端连接。用“T”型接头将它们连接起来，再通过同轴电缆与天线相连。图一四腔带通/带阻双工器连接图每个腔体都有二个功能。第一，必须通过想得到的信号（即带通或通带）；第二，必须尽可能阻止不想要的信号（即带阻或阻带）。在（图2）中我给出了用于发射的空腔滤波器典型响应曲线。请注意，它在145.37MHZ的发射频率上通过了几乎所有的信号，并且在接收频率处，即低于发射频率600KHZ处有着-30dB+的衰减。 同样，两个接收腔体也精确地匹配，除了它们的通频点在144.77MHZ的接收频率上外，它们阻带的谷点都在发射频率145.37MHZ上。 这样，发射腔体将滤除发射机所产生的较宽频带上的噪声（殘余发射）使其不进入接收机，而接收腔体也将滤除发射机产生的射频功率使其不进入接收机。 发射装置不仅能输出所希望的频率上的能量，而且，会在离中心频率相当宽的一段距离内有衰减地输出白噪声（丝丝声）。如果你的发射装置输出过多的白噪声，腔体就不能够把它们全部分离出来。一些早期的固态发射装置能产生相当大的噪声，它们不能被用来做中继。 图二发射腔体带通曲线那么,双工器是如何有如此出色的表现的呢?十分惊奇的是,双工器的每个腔体中含有两个简单但经过仔细调谐的谐振电路。一个电路设置成带通状态；另一个设置成带阻状态。这就是全部！将两个腔体串联起来能够为发射机和接收机提供更好的隔离，一个腔体不能胜任这项工作。 双工器的复杂性来自于机械设计的需求。为了让事性简单化，让我们来看其中的一个腔体，其余的相同。腔体是一个简单的调谐电路，见图3。图3腔体等效电路由图3可以看出， L2及C2将射频能量耦合到腔体, 腔体和平行于腔体的调谐杆组成L1和C1并联谐振回路。 现在有一个问题，当可以用线圈和电容将2米波段调谐回路做得很小时，为什么还要用大的腔体呢？答案在于调谐电路的品质上，也就是“Q”值。我们用小电容和线圈组成的调谐电路的“Q”值很低，远远低于双工器的需要。这就是说，它的调谐曲线不够尖锐，它的带通峰值区域过份宽，而它的谷点也是相当地浅和宽。 现在让我们做一个很大的线圈，增加它的直径就就可减少它的圈数；同时，我们增加C1的值而不改变谐振频率，那么，“Q”值就会增加。它的调谐曲线就会变得尖锐。照此发展下去，线圈将会变成1/4波长的调谐线，电容就会变成一个大的金属罐，也就是空腔。调谐线和腔体越大其“Q”值也就越大。当工作在空气介质时，一个8直径的腔体其“Q”值比3直径的腔体大。我们的调谐电路有25高和8的直径（见图4）。调谐杆是一根1 3/8直径的紫铜管，长度在1820英吋之间可变。改变这根管子伸入腔体的尺寸，就可以设置腔体在通带中的共振频率。 再回头看图3，我们还需要将射频能量耦合到共振腔体上。L2演变为一个从腔体的顶部垂落下去，成为一个由铜线或铜带构成的环。环的尺寸和位置决定于耦合进腔体的射频能量。 最后一个细节是共振电容C2，它决定了腔体的截止频率。L2和C2串联起来组成调谐共振回路。 现在我们有了一个非常简单的腔体的构想，所有在此的问题将自然变为机械问题。首先，我们要制造筒体。铜、铝、黄铜都会工作得很好。唯一的一点是选择一张能长时间保持电力损耗小，性能稳定的材料。当然还要将腔体的底部封起来，可以用一个金属盘和一些气动铆钉将腔体底部封起来。 调谐活塞是一根18长1 1/8外径的普通紫铜水管。在它里面有一根1外径，20长，车有1/4罗距的紫铜管贯穿其中，露出6长的一段截面。这里要注意的问题是活塞的电气接触。在这两根管子的结合部，用具有弹性的磷铜片做成指叉式的接触形式。(图4 带通/带阻腔体结构)所有内部结构须经镀银处理，这十分重要。在二米波段，裸露在外的铜将会使损耗很大。铜的表面是射频电流的通道，表面的氧化物使调谐杆和活动部分的接触传导变差。由于接触点在移动时产生的噪声，经常使得腔体几乎不能调谐。 所以，调谐棒、指叉式接触器和所有在腔体内的部件必须镀银。要记住，必须使双工器保持低于3dB的损耗。微小的改进对双工器是十分重要的。 最后关于C2，由于空气是不稳定的介质，简单的空气电容将会使调谐变得不稳定。“Wacom”用改变恒定电介质的方法巧妙地解决了这一问题。我们知道，有二个参数可以改变电容器的值：一是极片的尺寸；另一个是在它们之间的绝缘材料的电介质。 “Wacom”电容由11长，1/2内径的黄铜管作为电容的一个极板，另一个极板是用1/8的紫铜棒伸入其中。作为介质的塑料管插入它们之间的缝隙，调节它的位置，也就改变了电容器的介电常数，这样就改变了电容器的容量。 这个电容和耦合环组成了串联共振电路(见图3)，其共振频率决定了空腔的谷点频率。这个设计用这个特殊的电容来平滑地调节截止频率，在其他的双工器设计中（例如手册中的6腔滤波器）调整通带和截止频率十分因难。 另一个问题是温度的稳定性。如果双工器放在没有温度控制的环境中，随着温度的变化，金属就会膨胀和收缩，这样会造成腔体轻微地失调。“Wacom”使用了一种被称为INVAR（不胀钢）的金属材料来制造调谐棒，以补偿温度的变化。 我们的双工器是由1/4壁厚，10直径的紫铜管做成。调谐截止频率的电容器被安装在腔体的顶部以省去使用连接弯头的麻烦。除了腔体外部，其余都经过镀银处理以减少损耗。 它被安装在爱荷华州一个市区里，构成爱荷华145.47MHZ链接转发器。尽管在没有暖气的环境里，它也工作得很好！ 如果你在自已的家里建立双工器，并且有空调的话，就可以不用温度补偿。实际上，我们发现我们的双工器在没有暖气的建筑内工作得很好，至少用户没有抱怨过。 在双工器的设计中最后要涉及的问题是双工器不同部件之间的耦合，可以用1/4波长的同轴电缆来解决。如果你使用的是公共频率高端使用过剩余的空腔的话，必须更拆下那些用得很久的电缆，把它们放在常温下测试，如果没有足够的绝缘性能的话，应当与供应商取得联系，以获得相关的资讯。或者干脆自己做一副新的电缆。 射频信号在电缆中传播要比在空间慢，两者之间的差被称为速度因子。ARRL手册用图表给出了不同种类电缆的速度因子，并列举了怎样考虑和选择正确的1/4波长线。从实验得到的长度与手册上所计算出的长度有些微小的差别，如果你不信，可以做一下测试。 连接电缆的选择非常重要。电缆必须是双屏蔽型的以保证100%的屏蔽履盖，双屏蔽的发泡特氟龙电缆最好。现在有一种镀膜聚脂材料做屏蔽的电缆较好。如果功率在200瓦以下，不必选择大直径的电缆，因为连线比较短，损耗比较小。双工器上连接接头的选择要十分注意。很多慕名其妙的噪音问题都是由于电缆接头引起的。我喜欢用UFH的接头，虽然也有一些噪音，但很容易通过清洗和重新上紧接头来解决。 我会选择N或BNC接头用在双工器上。N系列接头最好，价格也要贵一些，但它们损耗低且从来未发生过噪音问题，最好是美国制造并且是镀银的。我们在连接弯头中发生过严重的问题，在UHF频段中很多事都受阻于接头。我们的一些测试表明，在接头处处理不当会引入相当大的损耗。 双工器的调整要比常规的通带式双容易得多。用活塞来设置通带频率（Passband frequency)，这里尽可能要将射频能量通过双工器，调整C2以设置陷波点（Notch frequency)。明确地确认每一个腔体的通带频率和陷波点，记住，它们对于发射和接收来讲是相反的。 例如：接收腔体 通过 144.77MHZ 滤掉 145.37MHZ； 发射腔体 通过 145.37MHZ 滤掉 144.77MHZ。借助于FM频段的示波器、频谱发生器、频谱分析仪，空腔的调谐十分容易。如果有可能，让有经验的人帮助你调试，如果不能的话，简单的业余方法也能将这项工作完成得很好，但必须十分仔细。你需要一台稳定的信号源，并撑握射频测试方法。一个老式的频率可调的，能输出至少1V的射频信号发生器是非常有用的。通过测试输出信号强度，你可以用它来扫描腔体的带通。 为了得到更强的信号源，你也可以借助于一个手台，一个射频功率计来构成测试仪器；为了更好地调试谷点频率，需要一个简单的指针式射频电压表。你也可以用一个带S表的接收机来代替射频电压表，但要在前级接入一个衰减器，这样可以把谷点调整得很完美。 要小心的是，当你调整谷点的时候，注入双工器的功率不能太大，你当然不希望你的接收机受到射频功率的轰击。 如果你想自己做一探针，ARRL手册上有详细的资料，把它们做到接头里，那样你就可以直接与双工器相连接了。由于使用了像安培表一样的老式射频电压表，它比数字表更容易调整通带和谷点。 现在开始调整一个已连接好的腔体。调高信号发生器的输出并且在频带内来回扫描，直到在射频电压表或S表上看到峰值。记住！活塞往里调整是降低通频带/往外升是提高通频带，同时调整发生器输出信号强度，使它落在仪表的线性范围内。 第一步的调整不必太完美。把下一个腔体连在一起，重复上一个过程，把它设置在通频带上，然后再调整连在一起的腔体的通频带。 当发射腔体和和接收腔体都经过通带的粗调后，用电缆将双工器连接在一起，用功率表和徦负载按（图5）的方式连接成天线回路。将手台的频点设置在发射腔体的通带上，在我们的实例里是145.37MHZ，按动PPT，同时调节腔体达到最大输出。图5建立调谐将手台接入接收腔体，将频率设置在144.77MHZ上（低于发射频率600KHZ）重复调整活塞使得功率计上的读数最大。如果谷点频率过份靠近通带，你不必完全地调整腔体，如果你不放心，微小地调整活塞。 调整谷点频率有些麻烦，你要使用更灵敏的探头，如果你的信号发生器能够向腔体注入足够的功率，那么，一个简单的射频电压表也能工作。卸掉功率表，装上一个“T”型接头，将探针接到“T”型接头的端口上，然后把你的腔体接到50欧姆的徦负载上，这样，你就可以测量出加载在50欧姆上的射频电压了。 要指出的是你的频率源可能在这个频率上损坏，老式的频率源在此不能工作，如果你的手台有低功率输出档，则可以使用。注意！当手台发出的信号被陷波器滤掉时，它不是工作在50欧姆负载上面，如果你不能确定你的手台能承受大的驻波反射时，就不要用它。 开启手台，同时调整第一个腔体的谷点频率，你必须增加仪表的灵敏度，或者增加射频功率以看清楚谷点，谷点必须相当尖锐。然后再调整下一个腔体，不同的是要变换频率（对接收和发射腔体而言），过程要完全相同。 现在我们已经完成了99%的工作了。 再回到前面的步骤上重复调整通带和陷波点，计算发射腔体和接收腔体的信号损失，要求损耗低于2dB，最多不能超过3dB。如果损耗过大，检查调谐是否正确，再检查电缆和接头。 带通/带阻式的设计使得调谐非常容易，把它们接到中继上时很少需要再调整。只有很少的时候，当接收有噪音时，需要再调整谷点以消除缺陷。 我用一根鞭状天线接在我的监听接收机上以提供一个微弱的接收信号，调整接收机的噪声门限直到大约有10dB 的噪声门限。打开和关闭发射机，然后观察背景噪音，在你打开发射机时所增加的丝丝声就是白噪声，如果你感觉噪音水平过大，则需微调谷点。 很多中继都有一些可听到的白噪音，在这个世界上尽善尽美的事情是不可能的，只有当噪音遮盖了正常的联络信号时才会引起我们的担心。 例如，当发射机关闭时，你能听到0.25微伏的信号，当发射机打开时，噪音将增加2dB，这是可以接受的结果。如果你按动发射键时这个信号消失了，这时灵敏度就过高了，说明系统还存在问题。 你想建立自己的双工器吗？回答是是的，但非常困难。实际上，你不须要找到所有的硬件和水暖器材商店，你只需自己做一些简单的金工车床活和一些金属结构件，除此之外，你还需要一些适当的测试仪器和工具。 正如我前面所说的，腔体内部部件的镀银十分重要，按照镀银的基本原理这并不困难，我不在这里公布方法是因为配方里含有一些有害成份，实际上过程相当安全。如果你对电镀感兴趣，可以到当地共公图书馆寻找相关资料，金银加工店或许出售电镀缸并提供相应的服务，查一下本地的黄页。 我不能提供更详细的技术资料，这可能牵涉到制造商的商业机密。如果有必要，你可以同制造商联系并购买相应的手册，一笔小小的花费可以解除你在制造过程中的许多麻烦。 祝你成功！BG7RCZ :首先要有三台仪器: 功率计,信号发生器,灵敏度高的业余机子(车,手台均可,只要有场强显示就行)1.把双功器的调整螺丝的紧固螺帽松开.(应该是6个)2.把信号发生器接到天线接口处,分别在高低段接上接收的机子.从中间的螺丝开始调整向两边有顺序的调整.(接收机子要调整到-120DB上下).信号发生器从-50DB开始减小信号的强度(如在-95DB时接收机听不到信号了,就从-90DB开始调整,边调整边看场强的变化,达到最强时,再降低信号发生器的信号强度,再从新调整)循环调整.直至最好时即可.3.把车或手台用功率计测量好它的功率(如5W).接到双功器的天线段.高低两段分别接上功率计.从中间向两边有顺序的调整.直至功率达到5W即可.注意: 2,3,可以任意选择.做一项就可以了.如果仪器都有.可以用另一种方法校验.达到最好.如果有频谱仪就更好了.频率的设置一定要与调整的段口一致.即HI设置频率高的.LO设置频率低的.如果双工器的频率需要高改低,应该把原来双工器内的线圈匝数适当增加,至于增加几匝本人不能确定,只能告诉方向/如果不改变匝数下调1-2兆还勉强可用,若下跨频率大/将就原来的线圈匝数调不到最佳点/反之需要截短.双工器的调整首先要有三台仪器: 功率计,信号发生器,灵敏度高的业余机子(车,手台均可,只要有场强显示就行)1.把双功器的调整螺丝的紧固螺帽松开.(应该是6个)2.把信号发生器接到天线接口处,分别在高低段接上接收的机子.从中间的螺丝开始调整向两边有顺序的调整.(接收机子要调整到-120DB上下).信号发生器从-50DB开始减小信号的强度(如在-95DB时接收机听不到信号了,就从-90DB开始调整,边调整边看场强的变化,达到最强时,再降低信号发生器的信号强度,再从新调整)循环调整.直至最好时即可.3.把车或手台用功率计测量好它的功率(如5W).接到双功器的天线段.高低两段分别接上功率计.从中间向两边有顺序的调整.直至功率达到5W即可.注意: 2,3,可以任意选择.做一项就可以了.如果仪器都有.可以用另一种方法校验.达到最好.如果有频谱仪就更好了.双工器的调整比较困难麻烦，要吗请制造厂调整，要吗你自己试着动手调方法：至少要有一只通过式功率驻波仪，先串接入发射机到双工器口，接上与你想使用的频率相接近的天线短暂地用小低功率发射，同时观察驻波的数据如果驻波大于值必须调整双工器发射端对应的螺栓旋入的长度，这时候你会发现随着驻波值的变化，发射电流也同步变化当驻波逐渐变成时，发射电流最小但现在出现问题：调好了发射通道，接收通道可能变差这时需要用同样的道理调整接收通道的驻波值需要反复调整两个通道，要有耐心，或许你回得到一些经验和教训频率的设置一定要与调整的段口一致.即HI设置频率高的.LO设置频率低的.问:中继一定要双工器吗？答:U/V段如果收发天线距离够远的话,隔离度能到70DB以上就可以采用双天线的方式,不用双工器也可以的降低工作频率调整方法：所有的镀银线圈都要增加匝数。若要在原来的已调好的双工器改变工作频率，1-2MHZ范围内可调整螺杆，3MHZ以上调整螺杆增减电感已不行了，需要增减线圈匝数，原则上增高频率则需减少匝数/降低频率要增加匝数。你可找一样粗的铜线试着焊上后用驻波表调整。 如果双工器的频率需要高改低,应该把原来双工器内的线圈匝数适当增加,至于增加几匝本人不能确定,只能告诉方向/如果不改变匝数下调1-2兆还勉强可用,若下跨频率大/将就原来的线圈匝数调不到最佳点/反之需要截短.中继台就是一个无线电接力器,即收到一个远处弱信号后接力放大成另一频率信号发射,使可通信距离成倍增长.双工器就是在中继器收弱发强时保障那个弱信号不被转发的强信号淹没.在同频段的中继台一般必用双工器/窄带滤波器,若为跨段/即U/V段中继,因频差大/可不用双工器.另外,在卫星上也常有转发器/实际就是中继器.双工器有三个接口：AT/HI/LO，对应为天线/发射/接收，用一根天线，双工器的作用是将中继有频差的收发频率VHF/5。7M，UHF/10M分开/隔离开，如果调好的话公用一根天线应该无干扰。如果中继安装平台位置足够大，两根天线水平能拉开15米以上，高差10米以上，能不用双工器/收发用两根天线。450M与150M的为一样道理。我这里有一个150MHz的四节空腔滤波器, 是从老式中转台接收机前端拆下来的,其顶端总共有7个螺丝,其中4个粗的是调节四个腔体的谐振频率的,3个细的是调谐相邻腔体之间的耦合的. 我这里没有带扫频的分析仪,只好采取笨办法:对讲机+滤波器+三通+假负载+示波器,来看各点频的衰减度,结果用了一个晚上,越调越乱, 可能曲线已经象骆驼了.请问调这7个螺丝是否有什么原则和顺序,多谢.我试过KG110/KG106上那种6个腔体的，高低端各有3个。 在其中高端馈入要通过的相应频率的功率信号（5-50W）， 输出端接功率表和假负载。 调3根螺钉能够找到最大功率指示，记住其中变化不明显的那根，馈入低端频率的功率信号，调节这根使得输出最小。接着用同样的办法调整另一侧。天线端接功率表和假负载，低端接上一台带电平表的接收机，高端接发射机。另外用一部机器小功率（不接天线）或用信号源辐射低端信号，移动机器位置或改变信号源输出幅度使接收机电平指示接近满度。然后按下高端发射机，接收机电平指示会被压低或提高，扬声器中还能听到沙沙的声音。 调节6根螺钉，在输出功率不至于降低太多 （降1/3到1/2还是可以容忍的）的情况下，应能找到沙沙声被抑制、收信电平最大（与高端未发射时一样）的点，就是它了。 用这种土办法调了几只双工器，实际接天线使用效果都还满意。 漳州的2米中继差频是3.96MHz(144.010/147.970),70厘米是5MHz(430.250/435.250)。 天线分别为7.8dB和6.8dB直立天线，发射功率10W（VHF)与25W(UHF)。2米段用手持机配车载吸盘通联距离超过30公里。本人有R2600C，正常应该可以用追踪发生器（用GEN口作信号输出到双工器，双工器出来的信号到天线口作输入，）但是真的很难调，只能粗调。后来我索性将双工器与中继台正常连接后，用双工测试档直接测双工灵敏度，然后调双工器的螺丝及中继台的相关接收通道。这样倒是很方便。大家对我的做法作个评判，谢谢！目前测得一台双工灵敏度最好的是820，12DB灵敏度0.19微伏每米，正常的是不是115Dbm 0.39微伏每米就可以了？