短波天线偏向开关国产化技术研究与实践

田曙光

国家新闻出版广电总局594台　陕西省　咸阳市　712028

短波天线偏向开关国产化技术研究与实践

田曙光

国家新闻出版广电总局594台陕西省咸阳市712028

本文介绍了短波天线场地型偏向开关国产化技术研发的内容及意义，对TBP1×3-500Ⅰ型偏向开关设备的工作原理、机械结构、电气线路及技术参数等进行详细阐述，并小结主要技术改进、创新研发特点及其国产化应用的社会经济效益。

短波天线偏向开关国产化技术研究

前言

国内的大功率短波发射天线一般只工作在某一设计主向上，即它只能在一个固定方向上发射广播信号，即便相邻服务区相对于发射台的方位角偏离不大（换频时天线发射主向偏移＜2°即为停播），但因天线发射主向不相同，则需另行更换相应天线播出。此外，发射台天线场区受面积规模、地形地貌等条件所限，为避免天线工作时互相间的干扰，一个发射台内的天线数量只设计在适中的范围内，但会出现可代播天线少、节目调度不够灵活等问题。目前，国际上通常的做法是在发射机输出端加设一套室内矩阵交换开关组，且在每副天线的主馈线末端安装一台1×3偏向开关，使得某一部发射机既可选择使用不同的天线，又可切换选择天线的发射主向，以对不同的服务区进行短波广播覆盖。这样，一副天线就可当作多副天线使用，不但拓展了天线的电波有效覆盖区域，也相应提高了发射机和天线的使用率，现有的设备资源得到充分利用。

本文阐述国产“短波TBP1×3-500Ⅰ场地型天线偏向开关”技术研究与实践，其控制灵活、切换准确，各项技术指标合格，在国内同类大功率短波广播发送设备中属技术领先、性能优良的定型产品。2008年7月，该型产品通过广电总局广播电视规划院产品入网技术检测，验收定型并批量生产。

1 偏向开关国产化研发主要内容及设备技术参数

1.1设备工作原理

偏向开关电气控制系统（图5）采用3N380V电机（附刹车装置）与行程开关（微动开关）相配合，由处于机身底部的马耳他十字机构带动机身内的主刀头分别切换触点位置。本偏向开关通过地埋电缆在发射机房内可进行远距离自动操作，不受电磁波等外界因素的干扰。同时，还可在天线场地人工手动直接倒动开关方向。

在机房天线控制柜操作信号远程控制下，开关内主刀头分别接到“位置1、2、3”上，其切换位置的不同致使发射机来的高频信号在由主馈线到分馈线传输时所行进的路由不同，导致天线发射主向发生改变。TBP1×3-500Ⅰ型短波天线偏向开关工作原理，如图1所示。

天线偏向开关工作原理简述如下：

（1）当主刀头接至“位置2”时，信号中分为两路。左半部的信号传导路径为：点2→偏向环（左）→点1→点A→左分馈线→天线；右半部的信号传导路径为：点2→偏向环（右）→点3→点C→右分馈线→天线。其中，左、右偏向环的规格长度相同，点1、2、3这三处的结构也相同，点A和点C这两个输出口结构也一样，则高频调制信号分别传递的路径长度完全相同，天线发射方向为正前方。

（2）当主刀头接至“位置1”时，信号同样中分为两路。左半部的信号传导路径为：点1→点A→左分馈线→天线；而右半部的信号传导路径却是：点1→偏向环（左）→点2→偏向环（右）→点3→点C→右分馈线→天线。这样，右半部信号传递的路径比左半部的多走了两个偏向环的长度，则天线的辐射方向为正前方偏右一个角度（注：天线偏向角度的大小由偏向环的长度决定，偏向环长度较长时，天线偏转角度大，反之就小）。

（3）同理，当主刀头接至“位置3”时，天线辐射方向为正前方偏左一个角度。

这样，由于偏向开关内主刀头接触位置的不同，导致发射机来的高频调制信号到达天线左、右两列阵子的路径长短不同，就可形成三个不同的电波辐射方向（或角度），使得一副天线具有了三个发射方向。

1.2研发主要内容

根据大功率短波天线偏向开关的工作原理、机械结构和电气控制方式，结合国产化实际需求，本次研发的主要内容有：

（1）偏向开关的内部机械结构、材料工艺特性、工作频带宽度、驻波比、输入/输出阻抗、电气控制方式等，以设计制造出符合短波广播发射各项技术标准和应用要求的合格产品。

（2）偏向开关设备的各项技术指标必须完全满足进口或国产大功率短波发射机安全运行技术参数要求，在中央控制室、发射机房天线控制柜，可分别完成自动切换控制，且紧急情况下或停机检修时，还能在天线场区对开关进行手动操作，以切换天线偏转方向。

（3）国产化设备自身须具有很好的工作稳定性和高可靠性，在天馈线阻抗匹配的基础上，该偏向开关载波功率容量可以向下兼用，以形成一个系列化的短波天线设备产品。

1.3偏向开关机械结构及主要部件

场地型偏向开关由机械和电气控制两大部分组成。机械部分主要有开关支承结构、动力及驱动机构、高频转换连接通路、偏向环这四大组件。

（1）开关支承结构：主要由高频绝缘瓷棒、上/下两层热铸铝支承架等构件组成，以铝板、聚四氟乙烯板绝缘封装。绝缘棒为高精度、小tanδ的绝缘陶瓷材料，其中，主轴为1根φ35、l=640mm瓷棒，用于支撑开关机架、顶板及底板，固定上下两个主刀头（动接点），在开关切换、电机转动时起主传动作用。开关底部设有通风清扫孔，正面有观察窗，便于察看开关内部工作状态及日常维护使用。

（2）动力及驱动机构：动力机构由1台3相380V/0.12KW电机和手动释放电磁刹车装置组成。偏向开关外观及动力机构如图2所示。电机驱动并牵引三级变速箱内的连接轴及槽轮机构以1：60的传动比转动，带动主轴切换开关方向。为防止电机断电后的转动惯性导致槽轮继续转动，在电机上安装有一套手动释放电磁刹车减速离合控制装置，通电离合、失电刹车，以精确控制开关倒动瞬间的启动或停止。本刹车装置带手动离合器，设备检修时，人工可在场地倒动开关方向。

驱动机构采用马耳他机构（又称日内瓦机构）：它是一种应用极广泛的间歇运动机构，主要由拨销盘和槽轮组成。其工作原理是拨销盘以不变的角速度旋转，槽轮转过相邻两槽间的夹角，在拨销转过其余部分的角度时，槽轮静止不动，直到拨销进入下一个槽内，又重复以上循环。这样，就使拨销盘的连续运动变为槽轮的间歇运动，从而实现偏向开关的位相转换。为保证槽轮在静止时间内的位置准确，在拨销盘和槽轮上分别做出锁紧弧面和定位弧面来锁住槽轮。槽轮采用铸造铜合金材料制成，拨销采用专用轴承钢材料制成，槽轮的工作面（槽面和定位弧面）和拨销盘的锁紧弧面的表面粗糙度为1.6μm，拨销与槽之间和定位弧与缩紧弧之间采用2级精度动配合。如图3所示。

该结构特点是：

转位迅速，槽轮在较短时间内转过较大的角度；

槽轮转位时间与静止时间之比为定值；

槽轮的角速度不是常数，在转位开始与终了时，有一定大小的角加速度，从而产生冲击；

结构简单、效率高，但制造与装配精度要求较高。

（3）高频转换连接通路——偏向开关可实现将一路输入阻抗为150Ω的高频信号转换为两路输出阻抗为300Ω的通路转换连接功能。高频通路包括主转动臂及刀头、连接馈管及固定触点、输入与输出端口等部件。主刀头采用铍青铜波纹管和烧结银触点，以确保与固定触点间可靠的电接触，避免因接触不良而引起放电或过热等机械故障。

主馈输入端口（一对φ54紫铜管件、两管水平向中心间距157mm）：连接主馈线变阻器输出端跳笼，为开关自发射机来的高频调制信号输入端。

分馈输出端口（各一对φ28紫铜管、两管上下向中心间距280mm）：连接左/右分馈线变阻器输入端跳笼，为偏向开关高频通路输出端。

主刀头（银质弹性动触接点）：与馈管固定触点良好接触，切换并接通开关高频通路。如图4所示。

（4）偏向环（各两对φ28紫铜管、其上下间距280mm、水平间距220mm、对环间夹角45°）——开关偏向发射功能实现装置。其长度与该天线设计中心频率（波长值）有关，它的长短决定于该天线服务区所需发射主向的偏向角度值的大小。

1.4偏向开关电气控制线路

（1）控制线路接法：发射机房天线控制柜到场区偏向开关的控制电缆规格要求为，当线长＞500m时，使用10×2.5mm2带铠甲电缆；线长≤500m时，使用10×1.5mm2带铠甲电缆。校对控制电缆线号，按照设备图纸对应编号分别接到天控柜、偏向开关的端子板上。其中，线号1、2、3是开关电机380V～接线（注：根据偏向开关的倒动方向，在天控柜跳线改变电机相序，可改变开关的正反转）；线号4是开关控制公共线，为220V～；线号5、6、7分别为偏向开关的三个方向的高频到位位置反馈信号线。偏向开关电机外壳、终端接线盒、开关支架均应有效接地！

（2）电气控制原理：机房内天控柜按照运行图自动选择“位置1”时，偏向开关电机通过控制电缆得电，带动主刀头（动接点）转动，当转到V1（即“位置1”） 时，用于定位的微动开关V1先接通，其后V0接通。此时，经由公共线4→V0→V1→线号 5，到位控制信号回传给天控柜（偏向开关和天控柜位置对应），天控柜得到反馈信号后，继电器线包吸合，断马达电，偏向开关准确到位“位置1”。同理，天控柜按运行图选择“位置2”、“位置3”时，偏向开关切换原理及过程同上。偏向开关控制线路如图5所示。

说明：V0是偏向开关机械定位微动开关，V1、V2、V3分别对应偏向开关在高频通路切换到“位置1”、“位置2”、“位置3”时的到位控制信号微动开关。1.5国产TBP1×3-500Ⅰ场地型天线发射偏向开关主要技术参数

（1）频率范围（f）：5-26.1MHz

（2）功率容量（P）：≤500KW+100%AM

（3） 输入阻抗（Zinput）：150Ω（主馈线平衡输入）

（4） 输出阻抗（Zoutput）：300Ω（左、右分馈线平衡输出，其阻抗相同）

（5）插入VSWR：＜1:1.1

（6）调制VSWR：最大1:2

（7）开关倒动方向所需时间（T）：≤3s（从一个位置转到下一个位置）

（8）可使用偏向方向数/偏向角度值：三个；≤±15°（本设备是通过外接偏向环的长度大小来调节天线辐射主向的偏移角度的，在保证发射主向电波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。）

2 国产偏向开关设备技术改进和研发特点

2.1主要技术改进

在维护THALES公司设备的同时，对照其技术参数、测绘部件规格尺寸、鉴别其选用的材料、计算开关输入/输出阻抗等，在借鉴的基础上加以吸收消化，并对比旧式国产短波150KW-1×3偏向开关制造技术和控制方式，研发出国产大功率短波发射天线“TBP1×3-500Ⅰ场地型偏向开关”。其主要技术改进有：

（1）电动机刹车控制——用于偏向开关方向切换的是一台3相、380V/0.12KW异步电动机，变速器 n1=1350/min、n2=20.5/min；为保证开关在≤3s时间内完成一次切换，其刹车控制精确性尤为重要，本产品对电动机的减速传动刹车片、定位控制装置等做了部分技术改进。

（2）主刀头（动接点）——改进高频动接点奶头形状大小，调整主刀头的弹力，使之与固定触点保持良好接触，以确保高频通路在接续切换时的安全可靠性及运行稳定性。

（3）壳体防尘问题——为适应北方地区沙尘大等环境特点，从方便设备维护出发，本开关成型产品将壳体底板透气网孔加密为两层滤网，并将偏向开关左右两侧各一片绝缘聚四氟板改为活动封装，便于检修时拆卸。

2.2研发特点

（1）偏向开关是国内大功率短波广播发射高新技术设备，其载波功率大、频带宽、驻波插入损耗小、电控切换精准灵活、偏向发射电波覆盖范围广，在播音中设备工作稳定可靠，是一个合格的国产化产品。

（2）在研发周期紧、任务重、风险大、困难多情况下，该开关国产化技术研究与成功实践为国内同类设备的首例，证明我们基本掌握了国外先进的大功率广播设备的设计制造技术。

结束语

TBP1×3-500Ⅰ型偏向开关国产化技术研究与实践的成功实施，可对国内短波500KW及以下功率等级的宽带同相水平天线实施技术改造，使得一副天线发挥出二至三副天线的作用，将显著提升短波发射台天线间互代的灵活性，有效减少停/劣播事故发生。该型产品近十年来的推广使用，不仅填补了我国同类产品的空白，打破了国外厂商在这一领域的垄断，且产品技术推广前景广阔，全面应用社会经济效益明显。

［1］苏英智、丁冬宜，中短波电波传播和天线实用手册；广播电影电视部无线电台管理局，1987年

［2］瑞士THALES公司，《TSW2500型发射机技术手册》，2005。

［3］李天德.《广播电视发送与传输维护手册》——第11分册《中短波广播天线设备》；国家广播电影电视总局无线电台管理局，2001年。

审稿人：严志刚内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台正高级工程师

责任编辑：王学敏

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田曙光国家新闻出版广电总局594台高级工程师