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        短波天線偏向開關(guān)國產(chǎn)化技術(shù)研究與實踐

        2016-08-10 01:21:54田曙光
        數(shù)字傳媒研究 2016年4期
        關(guān)鍵詞:槽輪主刀偏向

        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(dāng)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(zhǔn)確,各項技術(shù)指標(biāo)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(dāng)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(dāng)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?。?。

        (3)同理,當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(fēng)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fēng)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(yán)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(zé)任編輯:王學(xué)敏

        TN822+.3

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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

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