短波广播发射台天线交换及控制系统

田曙光



短波广播发射台天线交换及控制系统

田曙光

摘 要：本文介绍了短波广播发射机末级输出后，经一套含同轴开关矩阵、平衡转换器、场地型偏向开关与程式开关、天线自动控制设备等组成的短波发射机输出信号传输通路及自动控制系统，即天线交换与控制系统工程原理实例。通过实际使用该系统，大大提升了发射台设备的使用效率及自动化运行效率。

关键词：天线交换与控制系统；同轴开关矩阵；平衡转换器；偏向开关；程式开关

短波发射台一般有多部发射机及数十副天线，发射机的输出信号需要经过一套自动化的信号传输通路及控制系统，以实现信号通路的调配，如按照设备计划的运行图，将某一部发射机输出信号调配传输至对应的天线；或当某部发射机出现故障，需要另一部发射机启动代播调配；或某一部发射机需要上假负载等。这一自动化的信号传输设备通路及控制系统，我们称之为天线交换系统，它可便捷调配信号传输通路，很好地实现以上要求，从而提高设备使用效率，提升发射机房技术管理、设备运行的自动化水平。

某短波发射机房共有6部发射机、10副天线、1部假负载，其天线交换及控制系统如图1所示。它采用6×11组50Ω同轴开关矩阵、10套平衡转换器，至室外1×3场地型偏向开关接HR2/2/0.5天线，或经场地型程式开关接HR4/4/0.5天线。同时，还有实现信号通路交换、自动调度与运行的天线交换控制系统。

图1　天线交换及控制系统框图

1 同轴开关交换矩阵

交换矩阵是由6×11组TK-6型同轴切换开关构成，用于将某部发射机射频输出信号切换至相应的平衡转换器，按照节目调度要求将射频信号交换传输至指定的天线或假负载。其技术参数如下。

工作频率：DC-40MHz

最大功率：200kW

特性阻抗：50Ω

两路之间的隔离度：40dB

驻波比：≤1.1

动作方式：电动/手动

电机电源：220V/50Hz

本同轴切换开关主要由主开关、传动装置、安装支架和微电控制四部分组成，其机械结构如图2所示，图中a为开关主体、b为传动系统、c为安装支架。它具有自动和手动两种操作方式，切换寿命可达10万次以上。

同轴开关的主体如图3所示。开关主体为其切换组件，它共有4个对外同轴馈管接口，1#、2#、3#和4#分别为4个接口，其中，1#、4#为一组，可分别接主、备发射机；2#，3#为一组，可分别接两个不同负载，以实现不同机器在不同负载上的切换。

同轴交换开关的传动系统由电动机、蜗轮减速器等组成。蜗轮减速器的速比为1：19，该蜗轮减速器为摩擦传动式减速器。当外界负荷大于摩擦力矩时，电动机及蜗轮空转，减速器不输出动力，保护蜗轮与蜗杆不致损坏、电动机不被烧毁。当电控失灵时，可用手柄直接摇动传动轴，以切换开关。

同轴交换开关的电控原理如图4所示。同轴开关继电器在接到天线交换控制系统的转动指令后，接通马达电源交流接触器，马达M得电转动，接通1#、3#接点或1#、2#接点，同时，位置信号通过K1或K2传回系统，实现了同轴开关切换的自动控制。由数十个同轴交换开关构成矩阵，切换发射机射频信号经平衡/不平衡转换器，输出到指定的发射天线。

图2　TK6同轴切换开关结构图

图3　开关主体

图4　同轴开关电控原理图

2 平衡转换器矩阵

在发射台的传输系统中，发射机信号源单元输出的信号，一般为单边不平衡信号，而信号传输发射的天馈线系统需要的是平衡信号，因此，此时需要使用射频信号的平衡转换器，将发射机产生的不平衡信号转变为平衡信号。另外，还要实现发射单元的输出阻抗与天线输入阻抗匹配，若两者不匹配，则会产生驻波（输出信号没有经过天线发射出去而返回到了发射单元），影响发射机输出功率，失配严重时，有可能损坏发射单元设备。因此，平衡转换器有两个作用，即阻抗变换和非平衡到平衡转换。在 本例中，其一方面完成将发射机50Ω同轴馈管输出转换成300Ω平行对称双线输出，同时，又起到不平衡到平衡的变换。

其技术参数如下。

工作频带：3.9～22MHz

阻抗变换：50Ω不平衡→300Ω平衡

输入：50Ω同轴馈管

输出：300Ω平行双线

驻波比：小于1.2（负载300Ω时）

由BLUN1～BLUN10，共10个平衡转换器组成的平转交换矩阵，就是通过天线交换控制系统根据运行图发出的平转控制信号（电机电源、电机到位信号等），切换射频信号传输至平衡转换器环节的信号通路，即由前一级同轴交换开关输出的发射机信号切换至指定的平衡转换器通路上来。

3 场地交换开关设备

本工程实例中，有两类场地型交换开关，分别是1×3偏向开关、程式开关。其中，偏向开关用于切换发射天线方向，程式开关用于变换发射天线幕的程式。程式开关由3台三位置开关组成，如图5所示，当输入端“0”均接至输出端“2”时，此时天线为HR4/4程式；当其中的1#、2#开关的输入端“0”均接至输出端“1”（同理，当1#、3#开关输入端“0”均接至输出端“3”）时，天线就为HR2/2程式。偏向开关如图6所示，当开关主输入端“0”接输出端“2”时，天线为主向发射；当主输入端“0”接输出端“1”时，天线为右偏向发射，同理，“0”接“3”时，天线为左偏向发射，即天线的发射主向将左偏或右偏一个发射角度（在保证发射电波主向场型不发生歧变的前提下，建议偏向发射使用角度以≥±6°且≤±15°为宜。），从而实现改变天线发射方向的作用。

图5　程式开关

图6　偏向开关

图7　开关控制系统图

4 天线交换控制系统

以同轴开关矩阵为核心的天线交换与控制系统，将使发射机、天线组成的射频信号通路严格按照播出运行图及用户操作程序实现自动化运行。该系统主要由开关控制和平转控制这两大部分组成。

开关控制系统系统以PLC（可编程序控制器）为下位机，并作为核心控制器，通过带有强抗干扰能力的输入输出端口板采集系统各部分的状态，如开关状态、发射机高压状态及假负载连锁状态等。同时，接受上位机（工控机）或面板操作下发的指令，驱动继电器板控制马达电源对射频同轴开关、室外场地偏向开关、程式开关进行操作，从而实现发射机输出信号通路的自动控制，即将射频输出信号按系统指令送到指定的天线或假负载上。如图7所示。开关控制系统系统具有自动模式、手动模式和应急控制模式。

图8　TX1-BLUN1通路原理

开关自动控制系统硬件组成：下位机是PLC（可编程序控制器），上位机为一台工控机，输入输出接口板，电源，所有的系统安装于一个天线控制机柜。开关自动控制系统软件部分主要包括：上位机（工控机）上的人机交互界面，其自动控制界面直观地显示了各发射机信号通路的状态及报警信息，系统菜单里的各功能菜单可实现用户管理、操作日志、故障日志、临时代播、运行时刻表管理、时间校正等功能。下位机PLC中的控制软件实现与上位机通信并接收其下传的指令，实现自动控制，同时，将底层各单元的状态上传，实现上位机人机交互界面的系统状态显示。上、下位机（PLC）以串口模式进行通讯。

天线控制系统硬件包括实现核心控制功能的下位机PLC（可编程序控制器），实现人机交互以及系统管理的上位工控机系统，实现人机交互操作的操作面板，实现PLC（可编程序控制器）控制的底层继电器驱动的电路板，采样和控制信号传输的I/O接口等。同轴开关控制由11块继电器驱动电路板组成，每块板控制有6个同轴开关，从而实现控制6×11同轴开关交换矩阵；室外交换程式开关分别由4块电路板各控制1组，用于切换天线处于4×4程式或2×2程式；偏向开关由3块电路板共控制6个偏向开关，以实现天线方向切换功能。

平转控制系统是由继电器接点组成的逻辑矩阵。平转控制矩阵实现不同发射机输出射频信号经过10部平衡/不平衡转换器时，信号通路的选择切换，由继电器接点组成逻辑矩阵，受射频开关的到位信号控制。采用继电器接点组合成的平转矩阵与射频开关矩阵相同，用射频开关的到位信号控制平转信号交换矩阵，其控制原理如图8所示。以1#发射机通路为机例：TX1代表1#发射机，BLUN1代表1#通路的平衡转换器，射频同轴开关K100在A位置，K101在B位置，K201、K301、K401、K501、K601均在A位置时，射频通路为TX1→BLUN1，此时，平转矩阵里的继电器J101B吸合，J201B、J301B、J401B、J501B、J601B均相继吸合，则TX1马达板与平转1之间也就有了控制信号通路。

除了以上两大子系统外，还包含电源、连锁、报警和天线编码等附属系统。其中，连锁信号由PLC指令给出，通过电路板上通路状态继电器采样接点，经PLC采集和逻辑判断，当天线通路正常后，发送连锁信号正常信号给发射机控制系统。报警信号也由PLC指令给出，当有告警信息时，机柜内有蜂鸣器报警，面板报警指示灯亮，且上位机有文字提示故障类型。天线编码通过电路板上5个反应天线通路的继电器，根据其通和断的状态，利用二进制编码，反映出10副天线和1个假负载的27种状态。AC380V电源为射频开关的三相电机提供电源，AC220V为室内外开关的控制提供交直流电源。

5 结语

该例天线交换系统设备，历经五年多的安全运行，其设计合理、运行安全、自控程度高，大大提升了发射机运行的稳定性及设备的自动化水平，在工程实践中收到了良好的效果。

参考文献：

［1］国家广电总局无线局编.广播电视发送与传输维护手册.第十一分册［S］.中短波广播天线设备.2001.

［2］不详.SW50/100kW短波广播发射机、天线控制系统说明书［S］.北京：北京北广科技股份有限公司，2010.

作者单位：（国家新闻出版广电总局五九四台）