田曙光

國家新聞出版廣電總局594臺　陜西省　咸陽市　712028

短波天線偏向開關國產化技術研究與實踐

田曙光

國家新聞出版廣電總局594臺陜西省咸陽市712028

本文介紹了短波天線場地型偏向開關國產化技術研發(fā)的內容及意義，對TBP1×3-500Ⅰ型偏向開關設備的工作原理、機械結構、電氣線路及技術參數(shù)等進行詳細闡述，并小結主要技術改進、創(chuàng)新研發(fā)特點及其國產化應用的社會經(jīng)濟效益。

短波天線偏向開關國產化技術研究

前言

國內的大功率短波發(fā)射天線一般只工作在某一設計主向上，即它只能在一個固定方向上發(fā)射廣播信號，即便相鄰服務區(qū)相對于發(fā)射臺的方位角偏離不大（換頻時天線發(fā)射主向偏移＜2°即為停播），但因天線發(fā)射主向不相同，則需另行更換相應天線播出。此外，發(fā)射臺天線場區(qū)受面積規(guī)模、地形地貌等條件所限，為避免天線工作時互相間的干擾，一個發(fā)射臺內的天線數(shù)量只設計在適中的范圍內，但會出現(xiàn)可代播天線少、節(jié)目調度不夠靈活等問題。目前，國際上通常的做法是在發(fā)射機輸出端加設一套室內矩陣交換開關組，且在每副天線的主饋線末端安裝一臺1×3偏向開關，使得某一部發(fā)射機既可選擇使用不同的天線，又可切換選擇天線的發(fā)射主向，以對不同的服務區(qū)進行短波廣播覆蓋。這樣，一副天線就可當作多副天線使用，不但拓展了天線的電波有效覆蓋區(qū)域，也相應提高了發(fā)射機和天線的使用率，現(xiàn)有的設備資源得到充分利用。

本文闡述國產“短波TBP1×3-500Ⅰ場地型天線偏向開關”技術研究與實踐，其控制靈活、切換準確，各項技術指標合格，在國內同類大功率短波廣播發(fā)送設備中屬技術領先、性能優(yōu)良的定型產品。2008年7月，該型產品通過廣電總局廣播電視規(guī)劃院產品入網(wǎng)技術檢測，驗收定型并批量生產。

1 偏向開關國產化研發(fā)主要內容及設備技術參數(shù)

1.1設備工作原理

偏向開關電氣控制系統(tǒng)（圖5）采用3N380V電機（附剎車裝置）與行程開關（微動開關）相配合，由處于機身底部的馬耳他十字機構帶動機身內的主刀頭分別切換觸點位置。本偏向開關通過地埋電纜在發(fā)射機房內可進行遠距離自動操作，不受電磁波等外界因素的干擾。同時，還可在天線場地人工手動直接倒動開關方向。

在機房天線控制柜操作信號遠程控制下，開關內主刀頭分別接到“位置1、2、3”上，其切換位置的不同致使發(fā)射機來的高頻信號在由主饋線到分饋線傳輸時所行進的路由不同，導致天線發(fā)射主向發(fā)生改變。TBP1×3-500Ⅰ型短波天線偏向開關工作原理，如圖1所示。

天線偏向開關工作原理簡述如下：

（1）當主刀頭接至“位置2”時，信號中分為兩路。左半部的信號傳導路徑為：點2→偏向環(huán)（左）→點1→點A→左分饋線→天線；右半部的信號傳導路徑為：點2→偏向環(huán)（右）→點3→點C→右分饋線→天線。其中，左、右偏向環(huán)的規(guī)格長度相同，點1、2、3這三處的結構也相同，點A和點C這兩個輸出口結構也一樣，則高頻調制信號分別傳遞的路徑長度完全相同，天線發(fā)射方向為正前方。

（2）當主刀頭接至“位置1”時，信號同樣中分為兩路。左半部的信號傳導路徑為：點1→點A→左分饋線→天線；而右半部的信號傳導路徑卻是：點1→偏向環(huán)（左）→點2→偏向環(huán)（右）→點3→點C→右分饋線→天線。這樣，右半部信號傳遞的路徑比左半部的多走了兩個偏向環(huán)的長度，則天線的輻射方向為正前方偏右一個角度（注：天線偏向角度的大小由偏向環(huán)的長度決定，偏向環(huán)長度較長時，天線偏轉角度大，反之就?。?。

（3）同理，當主刀頭接至“位置3”時，天線輻射方向為正前方偏左一個角度。

這樣，由于偏向開關內主刀頭接觸位置的不同，導致發(fā)射機來的高頻調制信號到達天線左、右兩列陣子的路徑長短不同，就可形成三個不同的電波輻射方向（或角度），使得一副天線具有了三個發(fā)射方向。

1.2研發(fā)主要內容

根據(jù)大功率短波天線偏向開關的工作原理、機械結構和電氣控制方式，結合國產化實際需求，本次研發(fā)的主要內容有：

（1）偏向開關的內部機械結構、材料工藝特性、工作頻帶寬度、駐波比、輸入/輸出阻抗、電氣控制方式等，以設計制造出符合短波廣播發(fā)射各項技術標準和應用要求的合格產品。

（2）偏向開關設備的各項技術指標必須完全滿足進口或國產大功率短波發(fā)射機安全運行技術參數(shù)要求，在中央控制室、發(fā)射機房天線控制柜，可分別完成自動切換控制，且緊急情況下或停機檢修時，還能在天線場區(qū)對開關進行手動操作，以切換天線偏轉方向。

（3）國產化設備自身須具有很好的工作穩(wěn)定性和高可靠性，在天饋線阻抗匹配的基礎上，該偏向開關載波功率容量可以向下兼用，以形成一個系列化的短波天線設備產品。

1.3偏向開關機械結構及主要部件

場地型偏向開關由機械和電氣控制兩大部分組成。機械部分主要有開關支承結構、動力及驅動機構、高頻轉換連接通路、偏向環(huán)這四大組件。

（1）開關支承結構：主要由高頻絕緣瓷棒、上/下兩層熱鑄鋁支承架等構件組成，以鋁板、聚四氟乙烯板絕緣封裝。絕緣棒為高精度、小tanδ的絕緣陶瓷材料，其中，主軸為1根φ35、l=640mm瓷棒，用于支撐開關機架、頂板及底板，固定上下兩個主刀頭（動接點），在開關切換、電機轉動時起主傳動作用。開關底部設有通風清掃孔，正面有觀察窗，便于察看開關內部工作狀態(tài)及日常維護使用。

（2）動力及驅動機構：動力機構由1臺3相380V/0.12KW電機和手動釋放電磁剎車裝置組成。偏向開關外觀及動力機構如圖2所示。電機驅動并牽引三級變速箱內的連接軸及槽輪機構以1：60的傳動比轉動，帶動主軸切換開關方向。為防止電機斷電后的轉動慣性導致槽輪繼續(xù)轉動，在電機上安裝有一套手動釋放電磁剎車減速離合控制裝置，通電離合、失電剎車，以精確控制開關倒動瞬間的啟動或停止。本剎車裝置帶手動離合器，設備檢修時，人工可在場地倒動開關方向。

驅動機構采用馬耳他機構（又稱日內瓦機構）：它是一種應用極廣泛的間歇運動機構，主要由撥銷盤和槽輪組成。其工作原理是撥銷盤以不變的角速度旋轉，槽輪轉過相鄰兩槽間的夾角，在撥銷轉過其余部分的角度時，槽輪靜止不動，直到撥銷進入下一個槽內，又重復以上循環(huán)。這樣，就使撥銷盤的連續(xù)運動變?yōu)椴圯喌拈g歇運動，從而實現(xiàn)偏向開關的位相轉換。為保證槽輪在靜止時間內的位置準確，在撥銷盤和槽輪上分別做出鎖緊弧面和定位弧面來鎖住槽輪。槽輪采用鑄造銅合金材料制成，撥銷采用專用軸承鋼材料制成，槽輪的工作面（槽面和定位弧面）和撥銷盤的鎖緊弧面的表面粗糙度為1.6μm，撥銷與槽之間和定位弧與縮緊弧之間采用2級精度動配合。如圖3所示。

該結構特點是：

轉位迅速，槽輪在較短時間內轉過較大的角度；

槽輪轉位時間與靜止時間之比為定值；

槽輪的角速度不是常數(shù)，在轉位開始與終了時，有一定大小的角加速度，從而產生沖擊；

結構簡單、效率高，但制造與裝配精度要求較高。

（3）高頻轉換連接通路——偏向開關可實現(xiàn)將一路輸入阻抗為150Ω的高頻信號轉換為兩路輸出阻抗為300Ω的通路轉換連接功能。高頻通路包括主轉動臂及刀頭、連接饋管及固定觸點、輸入與輸出端口等部件。主刀頭采用鈹青銅波紋管和燒結銀觸點，以確保與固定觸點間可靠的電接觸，避免因接觸不良而引起放電或過熱等機械故障。

主饋輸入端口（一對φ54紫銅管件、兩管水平向中心間距157mm）：連接主饋線變阻器輸出端跳籠，為開關自發(fā)射機來的高頻調制信號輸入端。

分饋輸出端口（各一對φ28紫銅管、兩管上下向中心間距280mm）：連接左/右分饋線變阻器輸入端跳籠，為偏向開關高頻通路輸出端。

主刀頭（銀質彈性動觸接點）：與饋管固定觸點良好接觸，切換并接通開關高頻通路。如圖4所示。

（4）偏向環(huán)（各兩對φ28紫銅管、其上下間距280mm、水平間距220mm、對環(huán)間夾角45°）——開關偏向發(fā)射功能實現(xiàn)裝置。其長度與該天線設計中心頻率（波長值）有關，它的長短決定于該天線服務區(qū)所需發(fā)射主向的偏向角度值的大小。

1.4偏向開關電氣控制線路

（1）控制線路接法：發(fā)射機房天線控制柜到場區(qū)偏向開關的控制電纜規(guī)格要求為，當線長＞500m時，使用10×2.5mm2帶鎧甲電纜；線長≤500m時，使用10×1.5mm2帶鎧甲電纜。校對控制電纜線號，按照設備圖紙對應編號分別接到天控柜、偏向開關的端子板上。其中，線號1、2、3是開關電機380V～接線（注：根據(jù)偏向開關的倒動方向，在天控柜跳線改變電機相序，可改變開關的正反轉）；線號4是開關控制公共線，為220V～；線號5、6、7分別為偏向開關的三個方向的高頻到位位置反饋信號線。偏向開關電機外殼、終端接線盒、開關支架均應有效接地！

（2）電氣控制原理：機房內天控柜按照運行圖自動選擇“位置1”時，偏向開關電機通過控制電纜得電，帶動主刀頭（動接點）轉動，當轉到V1（即“位置1”） 時，用于定位的微動開關V1先接通，其后V0接通。此時，經(jīng)由公共線4→V0→V1→線號 5，到位控制信號回傳給天控柜（偏向開關和天控柜位置對應），天控柜得到反饋信號后，繼電器線包吸合，斷馬達電，偏向開關準確到位“位置1”。同理，天控柜按運行圖選擇“位置2”、“位置3”時，偏向開關切換原理及過程同上。偏向開關控制線路如圖5所示。

說明：V0是偏向開關機械定位微動開關，V1、V2、V3分別對應偏向開關在高頻通路切換到“位置1”、“位置2”、“位置3”時的到位控制信號微動開關。1.5國產TBP1×3-500Ⅰ場地型天線發(fā)射偏向開關主要技術參數(shù)

（1）頻率范圍（f）：5-26.1MHz

（2）功率容量（P）：≤500KW+100%AM

（3） 輸入阻抗（Zinput）：150Ω（主饋線平衡輸入）

（4） 輸出阻抗（Zoutput）：300Ω（左、右分饋線平衡輸出，其阻抗相同）

（5）插入VSWR：＜1:1.1

（6）調制VSWR：最大1:2

（7）開關倒動方向所需時間（T）：≤3s（從一個位置轉到下一個位置）

（8）可使用偏向方向數(shù)/偏向角度值：三個；≤±15°（本設備是通過外接偏向環(huán)的長度大小來調節(jié)天線輻射主向的偏移角度的，在保證發(fā)射主向電波場型不發(fā)生歧變的前提下，建議偏向發(fā)射使用角度以≥±6°，且≤±15°為宜。）

2 國產偏向開關設備技術改進和研發(fā)特點

2.1主要技術改進

在維護THALES公司設備的同時，對照其技術參數(shù)、測繪部件規(guī)格尺寸、鑒別其選用的材料、計算開關輸入/輸出阻抗等，在借鑒的基礎上加以吸收消化，并對比舊式國產短波150KW-1×3偏向開關制造技術和控制方式，研發(fā)出國產大功率短波發(fā)射天線“TBP1×3-500Ⅰ場地型偏向開關”。其主要技術改進有：

（1）電動機剎車控制——用于偏向開關方向切換的是一臺3相、380V/0.12KW異步電動機，變速器 n1=1350/min、n2=20.5/min；為保證開關在≤3s時間內完成一次切換，其剎車控制精確性尤為重要，本產品對電動機的減速傳動剎車片、定位控制裝置等做了部分技術改進。

（2）主刀頭（動接點）——改進高頻動接點奶頭形狀大小，調整主刀頭的彈力，使之與固定觸點保持良好接觸，以確保高頻通路在接續(xù)切換時的安全可靠性及運行穩(wěn)定性。

（3）殼體防塵問題——為適應北方地區(qū)沙塵大等環(huán)境特點，從方便設備維護出發(fā)，本開關成型產品將殼體底板透氣網(wǎng)孔加密為兩層濾網(wǎng)，并將偏向開關左右兩側各一片絕緣聚四氟板改為活動封裝，便于檢修時拆卸。

2.2研發(fā)特點

（1）偏向開關是國內大功率短波廣播發(fā)射高新技術設備，其載波功率大、頻帶寬、駐波插入損耗小、電控切換精準靈活、偏向發(fā)射電波覆蓋范圍廣，在播音中設備工作穩(wěn)定可靠，是一個合格的國產化產品。

（2）在研發(fā)周期緊、任務重、風險大、困難多情況下，該開關國產化技術研究與成功實踐為國內同類設備的首例，證明我們基本掌握了國外先進的大功率廣播設備的設計制造技術。

結束語

TBP1×3-500Ⅰ型偏向開關國產化技術研究與實踐的成功實施，可對國內短波500KW及以下功率等級的寬帶同相水平天線實施技術改造，使得一副天線發(fā)揮出二至三副天線的作用，將顯著提升短波發(fā)射臺天線間互代的靈活性，有效減少停/劣播事故發(fā)生。該型產品近十年來的推廣使用，不僅填補了我國同類產品的空白，打破了國外廠商在這一領域的壟斷，且產品技術推廣前景廣闊，全面應用社會經(jīng)濟效益明顯。

［1］蘇英智、丁冬宜，中短波電波傳播和天線實用手冊；廣播電影電視部無線電臺管理局，1987年

［2］瑞士THALES公司，《TSW2500型發(fā)射機技術手冊》，2005。

［3］李天德.《廣播電視發(fā)送與傳輸維護手冊》——第11分冊《中短波廣播天線設備》；國家廣播電影電視總局無線電臺管理局，2001年。

審稿人：嚴志剛內蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺正高級工程師

責任編輯：王學敏

TN822+.3

B

2096-0751（2016）04-0021-05

田曙光國家新聞出版廣電總局594臺高級工程師