短波天線偏向開關(guān)國產(chǎn)化技術(shù)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

短波天線偏向開關(guān)國產(chǎn)化技術(shù)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(guān)國產(chǎn)化技術(shù)研發(fā)的內(nèi)容及意義，對TBP1×3-500Ⅰ型偏向開關(guān)設(shè)備的工作原理、機械結(jié)構(gòu)、電氣線路及技術(shù)參數(shù)等進行詳細闡述，并小結(jié)主要技術(shù)改進、創(chuàng)新研發(fā)特點及其國產(chǎn)化應(yīng)用的社會經(jīng)濟效益。

短波天線偏向開關(guān)國產(chǎn)化技術(shù)研究

前言

國內(nèi)的大功率短波發(fā)射天線一般只工作在某一設(shè)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(wù)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(yīng)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(nèi)的天線數(shù)量只設(shè)計在適中的范圍內(nèi)，但會出現(xiàn)可代播天線少、節(jié)目調(diào)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(shè)一套室內(nèi)矩陣交換開關(guān)組，且在每副天線的主饋線末端安裝一臺1×3偏向開關(guān)，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(wù)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(yīng)提高了發(fā)射機和天線的使用率，現(xiàn)有的設(shè)備資源得到充分利用。

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

1 偏向開關(guān)國產(chǎn)化研發(fā)主要內(nèi)容及設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.1設(shè)備工作原理

偏向開關(guān)電氣控制系統(tǒng)（圖5）采用3N380V電機（附剎車裝置）與行程開關(guān)（微動開關(guān)）相配合，由處于機身底部的馬耳他十字機構(gòu)帶動機身內(nèi)的主刀頭分別切換觸點位置。本偏向開關(guān)通過地埋電纜在發(fā)射機房內(nèi)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(guān)方向。

在機房天線控制柜操作信號遠程控制下，開關(guān)內(nèi)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(dǎo)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(guān)工作原理，如圖1所示。

天線偏向開關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)也相同，點A和點C這兩個輸出口結(jié)構(gòu)也一樣，則高頻調(diào)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(dǎo)路徑為：點1→點A→左分饋線→天線；而右半部的信號傳導(dǎo)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(zhuǎn)角度大，反之就小）。

（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(guān)內(nèi)主刀頭接觸位置的不同，導(dǎo)致發(fā)射機來的高頻調(diào)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(nèi)容

根據(jù)大功率短波天線偏向開關(guān)的工作原理、機械結(jié)構(gòu)和電氣控制方式，結(jié)合國產(chǎn)化實際需求，本次研發(fā)的主要內(nèi)容有：

（1）偏向開關(guān)的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)、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(shè)計制造出符合短波廣播發(fā)射各項技術(shù)標準和應(yīng)用要求的合格產(chǎn)品。

（2）偏向開關(guān)設(shè)備的各項技術(shù)指標必須完全滿足進口或國產(chǎn)大功率短波發(fā)射機安全運行技術(shù)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(guān)進行手動操作，以切換天線偏轉(zhuǎn)方向。

（3）國產(chǎn)化設(shè)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(chǔ)上，該偏向開關(guān)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(shè)備產(chǎn)品。

1.3偏向開關(guān)機械結(jié)構(gòu)及主要部件

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

（1）開關(guān)支承結(jié)構(gòu)：主要由高頻絕緣瓷棒、上/下兩層熱鑄鋁支承架等構(gòu)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(guān)機架、頂板及底板，固定上下兩個主刀頭（動接點），在開關(guān)切換、電機轉(zhuǎn)動時起主傳動作用。開關(guān)底部設(shè)有通風清掃孔，正面有觀察窗，便于察看開關(guān)內(nèi)部工作狀態(tài)及日常維護使用。

（2）動力及驅(qū)動機構(gòu)：動力機構(gòu)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(guān)外觀及動力機構(gòu)如圖2所示。電機驅(qū)動并牽引三級變速箱內(nèi)的連接軸及槽輪機構(gòu)以1：60的傳動比轉(zhuǎn)動，帶動主軸切換開關(guān)方向。為防止電機斷電后的轉(zhuǎn)動慣性導(dǎo)致槽輪繼續(xù)轉(zhuǎn)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(guān)倒動瞬間的啟動或停止。本剎車裝置帶手動離合器，設(shè)備檢修時，人工可在場地倒動開關(guān)方向。

驅(qū)動機構(gòu)采用馬耳他機構(gòu)（又稱日內(nèi)瓦機構(gòu)）：它是一種應(yīng)用極廣泛的間歇運動機構(gòu)，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(zhuǎn)，槽輪轉(zhuǎn)過相鄰兩槽間的夾角，在撥銷轉(zhuǎn)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(nèi)，又重復(fù)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(guān)的位相轉(zhuǎn)換。為保證槽輪在靜止時間內(nèi)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(jié)構(gòu)特點是：

轉(zhuǎn)位迅速，槽輪在較短時間內(nèi)轉(zhuǎn)過較大的角度；

槽輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位開始與終了時，有一定大小的角加速度，從而產(chǎn)生沖擊；

結(jié)構(gòu)簡單、效率高，但制造與裝配精度要求較高。

（3）高頻轉(zhuǎn)換連接通路——偏向開關(guān)可實現(xiàn)將一路輸入阻抗為150Ω的高頻信號轉(zhuǎn)換為兩路輸出阻抗為300Ω的通路轉(zhuǎn)換連接功能。高頻通路包括主轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)自發(fā)射機來的高頻調(diào)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(guān)高頻通路輸出端。

主刀頭（銀質(zhì)彈性動觸接點）：與饋管固定觸點良好接觸，切換并接通開關(guān)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(guān)偏向發(fā)射功能實現(xiàn)裝置。其長度與該天線設(shè)計中心頻率（波長值）有關(guān)，它的長短決定于該天線服務(wù)區(qū)所需發(fā)射主向的偏向角度值的大小。

1.4偏向開關(guān)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(guān)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(shè)備圖紙對應(yīng)編號分別接到天控柜、偏向開關(guān)的端子板上。其中，線號1、2、3是開關(guān)電機380V～接線（注：根據(jù)偏向開關(guān)的倒動方向，在天控柜跳線改變電機相序，可改變開關(guān)的正反轉(zhuǎn)）；線號4是開關(guān)控制公共線，為220V～；線號5、6、7分別為偏向開關(guān)的三個方向的高頻到位位置反饋信號線。偏向開關(guān)電機外殼、終端接線盒、開關(guān)支架均應(yīng)有效接地！

（2）電氣控制原理：機房內(nèi)天控柜按照運行圖自動選擇“位置1”時，偏向開關(guān)電機通過控制電纜得電，帶動主刀頭（動接點）轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到V1（即“位置1”） 時，用于定位的微動開關(guān)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(guān)和天控柜位置對應(yīng)），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(guān)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(guān)切換原理及過程同上。偏向開關(guān)控制線路如圖5所示。

說明：V0是偏向開關(guān)機械定位微動開關(guān)，V1、V2、V3分別對應(yīng)偏向開關(guān)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(guān)。1.5國產(chǎn)TBP1×3-500Ⅰ場地型天線發(fā)射偏向開關(guān)主要技術(shù)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(diào)制VSWR：最大1:2

（7）開關(guān)倒動方向所需時間（T）：≤3s（從一個位置轉(zhuǎn)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(shè)備是通過外接偏向環(huán)的長度大小來調(diào)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(chǎn)偏向開關(guān)設(shè)備技術(shù)改進和研發(fā)特點

2.1主要技術(shù)改進

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

（1）電動機剎車控制——用于偏向開關(guān)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(guān)在≤3s時間內(nèi)完成一次切換，其剎車控制精確性尤為重要，本產(chǎn)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(shù)改進。

（2）主刀頭（動接點）——改進高頻動接點奶頭形狀大小，調(diào)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(yīng)北方地區(qū)沙塵大等環(huán)境特點，從方便設(shè)備維護出發(fā)，本開關(guān)成型產(chǎn)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(guān)左右兩側(cè)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(guān)是國內(nèi)大功率短波廣播發(fā)射高新技術(shù)設(shè)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(shè)備工作穩(wěn)定可靠，是一個合格的國產(chǎn)化產(chǎn)品。

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

結(jié)束語

TBP1×3-500Ⅰ型偏向開關(guān)國產(chǎn)化技術(shù)研究與實踐的成功實施，可對國內(nèi)短波500KW及以下功率等級的寬帶同相水平天線實施技術(shù)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(chǎn)品近十年來的推廣使用，不僅填補了我國同類產(chǎn)品的空白，打破了國外廠商在這一領(lǐng)域的壟斷，且產(chǎn)品技術(shù)推廣前景廣闊，全面應(yīng)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(shù)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(shè)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(nèi)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(xué)敏

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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