短波廣播發(fā)射臺(tái)天線交換及控制系統(tǒng)

田曙光

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短波廣播發(fā)射臺(tái)天線交換及控制系統(tǒng)

田曙光

摘 要：本文介紹了短波廣播發(fā)射機(jī)末級(jí)輸出后，經(jīng)一套含同軸開關(guān)矩陣、平衡轉(zhuǎn)換器、場地型偏向開關(guān)與程式開關(guān)、天線自動(dòng)控制設(shè)備等組成的短波發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)傳輸通路及自動(dòng)控制系統(tǒng)，即天線交換與控制系統(tǒng)工程原理實(shí)例。通過實(shí)際使用該系統(tǒng)，大大提升了發(fā)射臺(tái)設(shè)備的使用效率及自動(dòng)化運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：天線交換與控制系統(tǒng)；同軸開關(guān)矩陣；平衡轉(zhuǎn)換器；偏向開關(guān)；程式開關(guān)

短波發(fā)射臺(tái)一般有多部發(fā)射機(jī)及數(shù)十副天線，發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)需要經(jīng)過一套自動(dòng)化的信號(hào)傳輸通路及控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)通路的調(diào)配，如按照設(shè)備計(jì)劃的運(yùn)行圖，將某一部發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)調(diào)配傳輸至對(duì)應(yīng)的天線；或當(dāng)某部發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障，需要另一部發(fā)射機(jī)啟動(dòng)代播調(diào)配；或某一部發(fā)射機(jī)需要上假負(fù)載等。這一自動(dòng)化的信號(hào)傳輸設(shè)備通路及控制系統(tǒng)，我們稱之為天線交換系統(tǒng)，它可便捷調(diào)配信號(hào)傳輸通路，很好地實(shí)現(xiàn)以上要求，從而提高設(shè)備使用效率，提升發(fā)射機(jī)房技術(shù)管理、設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

某短波發(fā)射機(jī)房共有6部發(fā)射機(jī)、10副天線、1部假負(fù)載，其天線交換及控制系統(tǒng)如圖1所示。它采用6×11組50Ω同軸開關(guān)矩陣、10套平衡轉(zhuǎn)換器，至室外1×3場地型偏向開關(guān)接HR2/2/0.5天線，或經(jīng)場地型程式開關(guān)接HR4/4/0.5天線。同時(shí)，還有實(shí)現(xiàn)信號(hào)通路交換、自動(dòng)調(diào)度與運(yùn)行的天線交換控制系統(tǒng)。

圖1　天線交換及控制系統(tǒng)框圖

1 同軸開關(guān)交換矩陣

交換矩陣是由6×11組TK-6型同軸切換開關(guān)構(gòu)成，用于將某部發(fā)射機(jī)射頻輸出信號(hào)切換至相應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)換器，按照節(jié)目調(diào)度要求將射頻信號(hào)交換傳輸至指定的天線或假負(fù)載。其技術(shù)參數(shù)如下。

工作頻率：DC-40MHz

最大功率：200kW

特性阻抗：50Ω

兩路之間的隔離度：40dB

駐波比：≤1.1

動(dòng)作方式：電動(dòng)/手動(dòng)

電機(jī)電源：220V/50Hz

本同軸切換開關(guān)主要由主開關(guān)、傳動(dòng)裝置、安裝支架和微電控制四部分組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中a為開關(guān)主體、b為傳動(dòng)系統(tǒng)、c為安裝支架。它具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式，切換壽命可達(dá)10萬次以上。

同軸開關(guān)的主體如圖3所示。開關(guān)主體為其切換組件，它共有4個(gè)對(duì)外同軸饋管接口，1#、2#、3#和4#分別為4個(gè)接口，其中，1#、4#為一組，可分別接主、備發(fā)射機(jī)；2#，3#為一組，可分別接兩個(gè)不同負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器在不同負(fù)載上的切換。

同軸交換開關(guān)的傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、蝸輪減速器等組成。蝸輪減速器的速比為1：19，該蝸輪減速器為摩擦傳動(dòng)式減速器。當(dāng)外界負(fù)荷大于摩擦力矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)及蝸輪空轉(zhuǎn)，減速器不輸出動(dòng)力，保護(hù)蝸輪與蝸桿不致?lián)p壞、電動(dòng)機(jī)不被燒毀。當(dāng)電控失靈時(shí)，可用手柄直接搖動(dòng)傳動(dòng)軸，以切換開關(guān)。

同軸交換開關(guān)的電控原理如圖4所示。同軸開關(guān)繼電器在接到天線交換控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)指令后，接通馬達(dá)電源交流接觸器，馬達(dá)M得電轉(zhuǎn)動(dòng)，接通1#、3#接點(diǎn)或1#、2#接點(diǎn)，同時(shí)，位置信號(hào)通過K1或K2傳回系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同軸開關(guān)切換的自動(dòng)控制。由數(shù)十個(gè)同軸交換開關(guān)構(gòu)成矩陣，切換發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)經(jīng)平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器，輸出到指定的發(fā)射天線。

圖2　TK6同軸切換開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖3　開關(guān)主體

圖4　同軸開關(guān)電控原理圖

2 平衡轉(zhuǎn)換器矩陣

在發(fā)射臺(tái)的傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)信號(hào)源單元輸出的信號(hào)，一般為單邊不平衡信號(hào)，而信號(hào)傳輸發(fā)射的天饋線系統(tǒng)需要的是平衡信號(hào)，因此，此時(shí)需要使用射頻信號(hào)的平衡轉(zhuǎn)換器，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庑盘?hào)。另外，還要實(shí)現(xiàn)發(fā)射單元的輸出阻抗與天線輸入阻抗匹配，若兩者不匹配，則會(huì)產(chǎn)生駐波（輸出信號(hào)沒有經(jīng)過天線發(fā)射出去而返回到了發(fā)射單元），影響發(fā)射機(jī)輸出功率，失配嚴(yán)重時(shí)，有可能損壞發(fā)射單元設(shè)備。因此，平衡轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用，即阻抗變換和非平衡到平衡轉(zhuǎn)換。在 本例中，其一方面完成將發(fā)射機(jī)50Ω同軸饋管輸出轉(zhuǎn)換成300Ω平行對(duì)稱雙線輸出，同時(shí)，又起到不平衡到平衡的變換。

其技術(shù)參數(shù)如下。

工作頻帶：3.9～22MHz

阻抗變換：50Ω不平衡→300Ω平衡

輸入：50Ω同軸饋管

輸出：300Ω平行雙線

駐波比：小于1.2（負(fù)載300Ω時(shí)）

由BLUN1～BLUN10，共10個(gè)平衡轉(zhuǎn)換器組成的平轉(zhuǎn)交換矩陣，就是通過天線交換控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行圖發(fā)出的平轉(zhuǎn)控制信號(hào)（電機(jī)電源、電機(jī)到位信號(hào)等），切換射頻信號(hào)傳輸至平衡轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)的信號(hào)通路，即由前一級(jí)同軸交換開關(guān)輸出的發(fā)射機(jī)信號(hào)切換至指定的平衡轉(zhuǎn)換器通路上來。

3 場地交換開關(guān)設(shè)備

本工程實(shí)例中，有兩類場地型交換開關(guān)，分別是1×3偏向開關(guān)、程式開關(guān)。其中，偏向開關(guān)用于切換發(fā)射天線方向，程式開關(guān)用于變換發(fā)射天線幕的程式。程式開關(guān)由3臺(tái)三位置開關(guān)組成，如圖5所示，當(dāng)輸入端“0”均接至輸出端“2”時(shí)，此時(shí)天線為HR4/4程式；當(dāng)其中的1#、2#開關(guān)的輸入端“0”均接至輸出端“1”（同理，當(dāng)1#、3#開關(guān)輸入端“0”均接至輸出端“3”）時(shí)，天線就為HR2/2程式。偏向開關(guān)如圖6所示，當(dāng)開關(guān)主輸入端“0”接輸出端“2”時(shí)，天線為主向發(fā)射；當(dāng)主輸入端“0”接輸出端“1”時(shí)，天線為右偏向發(fā)射，同理，“0”接“3”時(shí)，天線為左偏向發(fā)射，即天線的發(fā)射主向?qū)⒆笃蛴移粋€(gè)發(fā)射角度（在保證發(fā)射電波主向場型不發(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。），從而實(shí)現(xiàn)改變天線發(fā)射方向的作用。

圖5　程式開關(guān)

圖6　偏向開關(guān)

圖7　開關(guān)控制系統(tǒng)圖

4 天線交換控制系統(tǒng)

以同軸開關(guān)矩陣為核心的天線交換與控制系統(tǒng)，將使發(fā)射機(jī)、天線組成的射頻信號(hào)通路嚴(yán)格按照播出運(yùn)行圖及用戶操作程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。該系統(tǒng)主要由開關(guān)控制和平轉(zhuǎn)控制這兩大部分組成。

開關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)以PLC（可編程序控制器）為下位機(jī)，并作為核心控制器，通過帶有強(qiáng)抗干擾能力的輸入輸出端口板采集系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，如開關(guān)狀態(tài)、發(fā)射機(jī)高壓狀態(tài)及假負(fù)載連鎖狀態(tài)等。同時(shí)，接受上位機(jī)（工控機(jī)）或面板操作下發(fā)的指令，驅(qū)動(dòng)繼電器板控制馬達(dá)電源對(duì)射頻同軸開關(guān)、室外場地偏向開關(guān)、程式開關(guān)進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)通路的自動(dòng)控制，即將射頻輸出信號(hào)按系統(tǒng)指令送到指定的天線或假負(fù)載上。如圖7所示。開關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)具有自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和應(yīng)急控制模式。

圖8　TX1-BLUN1通路原理

開關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成：下位機(jī)是PLC（可編程序控制器），上位機(jī)為一臺(tái)工控機(jī)，輸入輸出接口板，電源，所有的系統(tǒng)安裝于一個(gè)天線控制機(jī)柜。開關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件部分主要包括：上位機(jī)（工控機(jī)）上的人機(jī)交互界面，其自動(dòng)控制界面直觀地顯示了各發(fā)射機(jī)信號(hào)通路的狀態(tài)及報(bào)警信息，系統(tǒng)菜單里的各功能菜單可實(shí)現(xiàn)用戶管理、操作日志、故障日志、臨時(shí)代播、運(yùn)行時(shí)刻表管理、時(shí)間校正等功能。下位機(jī)PLC中的控制軟件實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信并接收其下傳的指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)，將底層各單元的狀態(tài)上傳，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)人機(jī)交互界面的系統(tǒng)狀態(tài)顯示。上、下位機(jī)（PLC）以串口模式進(jìn)行通訊。

天線控制系統(tǒng)硬件包括實(shí)現(xiàn)核心控制功能的下位機(jī)PLC（可編程序控制器），實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互以及系統(tǒng)管理的上位工控機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作的操作面板，實(shí)現(xiàn)PLC（可編程序控制器）控制的底層繼電器驅(qū)動(dòng)的電路板，采樣和控制信號(hào)傳輸?shù)腎/O接口等。同軸開關(guān)控制由11塊繼電器驅(qū)動(dòng)電路板組成，每塊板控制有6個(gè)同軸開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制6×11同軸開關(guān)交換矩陣；室外交換程式開關(guān)分別由4塊電路板各控制1組，用于切換天線處于4×4程式或2×2程式；偏向開關(guān)由3塊電路板共控制6個(gè)偏向開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)天線方向切換功能。

平轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)是由繼電器接點(diǎn)組成的邏輯矩陣。平轉(zhuǎn)控制矩陣實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射機(jī)輸出射頻信號(hào)經(jīng)過10部平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器時(shí)，信號(hào)通路的選擇切換，由繼電器接點(diǎn)組成邏輯矩陣，受射頻開關(guān)的到位信號(hào)控制。采用繼電器接點(diǎn)組合成的平轉(zhuǎn)矩陣與射頻開關(guān)矩陣相同，用射頻開關(guān)的到位信號(hào)控制平轉(zhuǎn)信號(hào)交換矩陣，其控制原理如圖8所示。以1#發(fā)射機(jī)通路為機(jī)例：TX1代表1#發(fā)射機(jī)，BLUN1代表1#通路的平衡轉(zhuǎn)換器，射頻同軸開關(guān)K100在A位置，K101在B位置，K201、K301、K401、K501、K601均在A位置時(shí)，射頻通路為TX1→BLUN1，此時(shí)，平轉(zhuǎn)矩陣?yán)锏睦^電器J101B吸合，J201B、J301B、J401B、J501B、J601B均相繼吸合，則TX1馬達(dá)板與平轉(zhuǎn)1之間也就有了控制信號(hào)通路。

除了以上兩大子系統(tǒng)外，還包含電源、連鎖、報(bào)警和天線編碼等附屬系統(tǒng)。其中，連鎖信號(hào)由PLC指令給出，通過電路板上通路狀態(tài)繼電器采樣接點(diǎn)，經(jīng)PLC采集和邏輯判斷，當(dāng)天線通路正常后，發(fā)送連鎖信號(hào)正常信號(hào)給發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)。報(bào)警信號(hào)也由PLC指令給出，當(dāng)有告警信息時(shí)，機(jī)柜內(nèi)有蜂鳴器報(bào)警，面板報(bào)警指示燈亮，且上位機(jī)有文字提示故障類型。天線編碼通過電路板上5個(gè)反應(yīng)天線通路的繼電器，根據(jù)其通和斷的狀態(tài)，利用二進(jìn)制編碼，反映出10副天線和1個(gè)假負(fù)載的27種狀態(tài)。AC380V電源為射頻開關(guān)的三相電機(jī)提供電源，AC220V為室內(nèi)外開關(guān)的控制提供交直流電源。

5 結(jié)語

該例天線交換系統(tǒng)設(shè)備，歷經(jīng)五年多的安全運(yùn)行，其設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行安全、自控程度高，大大提升了發(fā)射機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性及設(shè)備的自動(dòng)化水平，在工程實(shí)踐中收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］國家廣電總局無線局編.廣播電視發(fā)送與傳輸維護(hù)手冊(cè).第十一分冊(cè)［S］.中短波廣播天線設(shè)備.2001.

［2］不詳.SW50/100kW短波廣播發(fā)射機(jī)、天線控制系統(tǒng)說明書［S］.北京：北京北廣科技股份有限公司，2010.

作者單位：（國家新聞出版廣電總局五九四臺(tái)）