短波廣播發射臺天線交換及控制系統

田曙光

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短波廣播發射臺天線交換及控制系統

田曙光

摘 要：本文介紹了短波廣播發射機末級輸出后，經一套含同軸開關矩陣、平衡轉換器、場地型偏向開關與程式開關、天線自動控制設備等組成的短波發射機輸出信號傳輸通路及自動控制系統，即天線交換與控制系統工程原理實例。通過實際使用該系統，大大提升了發射臺設備的使用效率及自動化運行效率。

關鍵詞：天線交換與控制系統；同軸開關矩陣；平衡轉換器；偏向開關；程式開關

短波發射臺一般有多部發射機及數十副天線，發射機的輸出信號需要經過一套自動化的信號傳輸通路及控制系統，以實現信號通路的調配，如按照設備計劃的運行圖，將某一部發射機輸出信號調配傳輸至對應的天線；或當某部發射機出現故障，需要另一部發射機啟動代播調配；或某一部發射機需要上假負載等。這一自動化的信號傳輸設備通路及控制系統，我們稱之為天線交換系統，它可便捷調配信號傳輸通路，很好地實現以上要求，從而提高設備使用效率，提升發射機房技術管理、設備運行的自動化水平。

某短波發射機房共有6部發射機、10副天線、1部假負載，其天線交換及控制系統如圖1所示。它采用6×11組50Ω同軸開關矩陣、10套平衡轉換器，至室外1×3場地型偏向開關接HR2/2/0.5天線，或經場地型程式開關接HR4/4/0.5天線。同時，還有實現信號通路交換、自動調度與運行的天線交換控制系統。

圖1　天線交換及控制系統框圖

1 同軸開關交換矩陣

交換矩陣是由6×11組TK-6型同軸切換開關構成，用于將某部發射機射頻輸出信號切換至相應的平衡轉換器，按照節目調度要求將射頻信號交換傳輸至指定的天線或假負載。其技術參數如下。

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

動作方式：電動/手動

電機電源：220V/50Hz

本同軸切換開關主要由主開關、傳動裝置、安裝支架和微電控制四部分組成，其機械結構如圖2所示，圖中a為開關主體、b為傳動系統、c為安裝支架。它具有自動和手動兩種操作方式，切換壽命可達10萬次以上。

同軸開關的主體如圖3所示。開關主體為其切換組件，它共有4個對外同軸饋管接口，1#、2#、3#和4#分別為4個接口，其中，1#、4#為一組，可分別接主、備發射機；2#，3#為一組，可分別接兩個不同負載，以實現不同機器在不同負載上的切換。

同軸交換開關的傳動系統由電動機、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式減速器。當外界負荷大于摩擦力矩時，電動機及蝸輪空轉，減速器不輸出動力，保護蝸輪與蝸桿不致損壞、電動機不被燒毀。當電控失靈時，可用手柄直接搖動傳動軸，以切換開關。

同軸交換開關的電控原理如圖4所示。同軸開關繼電器在接到天線交換控制系統的轉動指令后，接通馬達電源交流接觸器，馬達M得電轉動，接通1#、3#接點或1#、2#接點，同時，位置信號通過K1或K2傳回系統，實現了同軸開關切換的自動控制。由數十個同軸交換開關構成矩陣，切換發射機射頻信號經平衡/不平衡轉換器，輸出到指定的發射天線。

圖2　TK6同軸切換開關結構圖

圖3　開關主體

圖4　同軸開關電控原理圖

2 平衡轉換器矩陣

在發射臺的傳輸系統中，發射機信號源單元輸出的信號，一般為單邊不平衡信號，而信號傳輸發射的天饋線系統需要的是平衡信號，因此，此時需要使用射頻信號的平衡轉換器，將發射機產生的不平衡信號轉變為平衡信號。另外，還要實現發射單元的輸出阻抗與天線輸入阻抗匹配，若兩者不匹配，則會產生駐波（輸出信號沒有經過天線發射出去而返回到了發射單元），影響發射機輸出功率，失配嚴重時，有可能損壞發射單元設備。因此，平衡轉換器有兩個作用，即阻抗變換和非平衡到平衡轉換。在 本例中，其一方面完成將發射機50Ω同軸饋管輸出轉換成300Ω平行對稱雙線輸出，同時，又起到不平衡到平衡的變換。

其技術參數如下。

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（負載300Ω時）

由BLUN1～BLUN10，共10個平衡轉換器組成的平轉交換矩陣，就是通過天線交換控制系統根據運行圖發出的平轉控制信號（電機電源、電機到位信號等），切換射頻信號傳輸至平衡轉換器環節的信號通路，即由前一級同軸交換開關輸出的發射機信號切換至指定的平衡轉換器通路上來。

3 場地交換開關設備

本工程實例中，有兩類場地型交換開關，分別是1×3偏向開關、程式開關。其中，偏向開關用于切換發射天線方向，程式開關用于變換發射天線幕的程式。程式開關由3臺三位置開關組成，如圖5所示，當輸入端“0”均接至輸出端“2”時，此時天線為HR4/4程式；當其中的1#、2#開關的輸入端“0”均接至輸出端“1”（同理，當1#、3#開關輸入端“0”均接至輸出端“3”）時，天線就為HR2/2程式。偏向開關如圖6所示，當開關主輸入端“0”接輸出端“2”時，天線為主向發射；當主輸入端“0”接輸出端“1”時，天線為右偏向發射，同理，“0”接“3”時，天線為左偏向發射，即天線的發射主向將左偏或右偏一個發射角度（在保證發射電波主向場型不發生歧變的前提下，建議偏向發射使用角度以≥±6°且≤±15°為宜。），從而實現改變天線發射方向的作用。

圖5　程式開關

圖6　偏向開關

圖7　開關控制系統圖

4 天線交換控制系統

以同軸開關矩陣為核心的天線交換與控制系統，將使發射機、天線組成的射頻信號通路嚴格按照播出運行圖及用戶操作程序實現自動化運行。該系統主要由開關控制和平轉控制這兩大部分組成。

開關控制系統系統以PLC（可編程序控制器）為下位機，并作為核心控制器，通過帶有強抗干擾能力的輸入輸出端口板采集系統各部分的狀態，如開關狀態、發射機高壓狀態及假負載連鎖狀態等。同時，接受上位機（工控機）或面板操作下發的指令，驅動繼電器板控制馬達電源對射頻同軸開關、室外場地偏向開關、程式開關進行操作，從而實現發射機輸出信號通路的自動控制，即將射頻輸出信號按系統指令送到指定的天線或假負載上。如圖7所示。開關控制系統系統具有自動模式、手動模式和應急控制模式。

圖8　TX1-BLUN1通路原理

開關自動控制系統硬件組成：下位機是PLC（可編程序控制器），上位機為一臺工控機，輸入輸出接口板，電源，所有的系統安裝于一個天線控制機柜。開關自動控制系統軟件部分主要包括：上位機（工控機）上的人機交互界面，其自動控制界面直觀地顯示了各發射機信號通路的狀態及報警信息，系統菜單里的各功能菜單可實現用戶管理、操作日志、故障日志、臨時代播、運行時刻表管理、時間校正等功能。下位機PLC中的控制軟件實現與上位機通信并接收其下傳的指令，實現自動控制，同時，將底層各單元的狀態上傳，實現上位機人機交互界面的系統狀態顯示。上、下位機（PLC）以串口模式進行通訊。

天線控制系統硬件包括實現核心控制功能的下位機PLC（可編程序控制器），實現人機交互以及系統管理的上位工控機系統，實現人機交互操作的操作面板，實現PLC（可編程序控制器）控制的底層繼電器驅動的電路板，采樣和控制信號傳輸的I/O接口等。同軸開關控制由11塊繼電器驅動電路板組成，每塊板控制有6個同軸開關，從而實現控制6×11同軸開關交換矩陣；室外交換程式開關分別由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；偏向開關由3塊電路板共控制6個偏向開關，以實現天線方向切換功能。

平轉控制系統是由繼電器接點組成的邏輯矩陣。平轉控制矩陣實現不同發射機輸出射頻信號經過10部平衡/不平衡轉換器時，信號通路的選擇切換，由繼電器接點組成邏輯矩陣，受射頻開關的到位信號控制。采用繼電器接點組合成的平轉矩陣與射頻開關矩陣相同，用射頻開關的到位信號控制平轉信號交換矩陣，其控制原理如圖8所示。以1#發射機通路為機例：TX1代表1#發射機，BLUN1代表1#通路的平衡轉換器，射頻同軸開關K100在A位置，K101在B位置，K201、K301、K401、K501、K601均在A位置時，射頻通路為TX1→BLUN1，此時，平轉矩陣里的繼電器J101B吸合，J201B、J301B、J401B、J501B、J601B均相繼吸合，則TX1馬達板與平轉1之間也就有了控制信號通路。

除了以上兩大子系統外，還包含電源、連鎖、報警和天線編碼等附屬系統。其中，連鎖信號由PLC指令給出，通過電路板上通路狀態繼電器采樣接點，經PLC采集和邏輯判斷，當天線通路正常后，發送連鎖信號正常信號給發射機控制系統。報警信號也由PLC指令給出，當有告警信息時，機柜內有蜂鳴器報警，面板報警指示燈亮，且上位機有文字提示故障類型。天線編碼通過電路板上5個反應天線通路的繼電器，根據其通和斷的狀態，利用二進制編碼，反映出10副天線和1個假負載的27種狀態。AC380V電源為射頻開關的三相電機提供電源，AC220V為室內外開關的控制提供交直流電源。

5 結語

該例天線交換系統設備，歷經五年多的安全運行，其設計合理、運行安全、自控程度高，大大提升了發射機運行的穩定性及設備的自動化水平，在工程實踐中收到了良好的效果。

參考文獻：

［1］國家廣電總局無線局編.廣播電視發送與傳輸維護手冊.第十一分冊［S］.中短波廣播天線設備.2001.

［2］不詳.SW50/100kW短波廣播發射機、天線控制系統說明書［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）