CN114157332A - 一种集成电动切换功能的天线开关板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电动切换功能的天线开关板，包括切换控制盒、切换控制主体和一分二功分器，切换控制主体包括微波腔、旋转动力腔和控制腔；微波腔包括微波腔腔体、5组微波信号传输同轴通路和与一分二功分器的6个同轴端口对应连接的6个同轴端口组件；6个同轴端口组件固定在微波腔腔体，5组微波信号传输同轴通路包括12微波信号传输同轴通道、23微波信号传输同轴通道、16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道；控制腔受旋转动力腔控制，控制任意一微波信号传输同轴通路的位置状态，实现控制微波腔内微波信号的传输路径。

Description

一种集成电动切换功能的天线开关板

技术领域

本发明属于电子信息/射频/广播电视无源器件领域，具体涉及一种集成电动切换功能的天线开关板。

背景技术

天馈线系统是广播电视无线发射系统中的重要组成部分，发射机和多频道合成器输出的功率信号经天馈线系统向外发射，形成广播电视信号的开路空间覆盖。天馈线系统的稳定性和可靠性直接影响广播电视无线发射系统的性能，一旦天馈线系统出现故障，可能会影响多个广播电视工作频率的发射，甚至造成严重的停播事故。因此，提升广播电视无线发射系统中天馈线系统的稳定性和可靠性，是广播电视无线发射系统建设者和运营者需要考虑的重要问题。

近年来，双馈天馈系统被越来越多地应用在广播电视无线发射系统中，有效地提高了整个系统的稳定性和可靠性。顾名思义，双馈天馈系统包含两根主馈线，以及可以分为上下部分独立工作的上下两部分天线。当一根主馈线或者天线的上半或下半部分出现故障时，通过系统中切换装置的切换，将发射机或多频道合成器输出的功率信号切换到能正常工作无故障的一路馈线和与之连接的天线上半部分或下半部分，以保证整个系统的正常工作，不会造成长时间的停播。双馈天馈系统中完成上述切换功能的装置是天线开关板。

一分二天线开关板中包含一个一分二的功率分配器，简称为功分器，这个功分器可以采用多种的结构实现，比如同轴阻抗变换式的功分器，或者3dB耦合器式的功分器。天线开关板的输入接口与发射机或多频道合成器的输出接口相连，天线开关板的两个输出接口与两根馈线相连。正常工作状态下，发射机或多频道合成器的功率信号被天线开关板一分为二之后，通过两根馈线分别由天线的上半部分和下半部分发射出去。当一根馈线或者天线的上半部分或下半部分出现故障时，通过天线开关板的切换，将发射机或多频道合成器输出的功率信号切换到正常工作无故障的一路馈线和天线上，保证整个系统的正常工作。一个典型的一分二天线开关板为6端口系统，其工作原理图如图1所示。

目前，常用的天线开关板采用手动切换的U-Link作为切换装置，每套天线开关板需配备3组U-Link。当天线开关板需要进行切换时，需要手动拔插来更改U-Link的连接状态，实现切换。手动切换的天线开关板，其切换过程比较复杂，耗时较长，无法实现系统的电动切换和远程切换功能，并且容易造成连接不可靠的问题。一个采用U-Link的手动切换FM天线开关板如图2所示。

发明内容

发明目的：为解决手动切换的天线开关板切换过程比较复杂、耗时较长、U_Link需要与一分二功分器进行拔插操作、无法实现天线开关板的电动切换和远程切换等问题，本发明提出了一种集成电动切换功能的天线开关板，具备手动、电动、远程控制共3种切换方式，方便用户切换操作，也允许用户将开关板纳入台站整个自动监测和控制系统中。

技术方案：一种集成电动切换功能的天线开关板，包括输入同轴端口、输出同轴端口、切换控制主体和用于等比例分配功率的一分二功分器，所述切换控制主体包括微波腔、旋转动力腔和控制腔；

所述微波腔包括微波腔腔体、5组微波信号传输同轴通路和6个同轴端口组件；

所述6个同轴端口组件固定在微波腔腔体上，从左至右从上至下分别记为端口1、端口2、端口3、端口4、端口5和端口6；

5组微波信号传输同轴通路包括12微波信号传输同轴通道、23微波信号传输同轴通道、16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道；

所述控制腔受旋转动力腔控制，控制任意一组微波信号传输同轴通路的位置状态，实现控制微波腔内微波信号的传输路径，包括：

控制12微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口1和端口2的连接，其他端口之间都断开，实现第一工作状态；

同步控制16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口1和端口6、端口2和端口5、端口3和端口4的同步连接以及其他端口之间都断开，实现第二工作状态；

控制23微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口2和端口3的连接，以及其他端口之间都断开，实现第三工作状态。

进一步的，所述6个同轴端口组件分别对应天线开关板的一个输入同轴端口、两个输出同轴端口和一分二功分器的三个同轴端口。

进一步的，所述微波信号传输同轴通道包括内导体组件，所述内导体组件包括内导体连接板、安装轴、弹簧和堵头；所述安装轴的上端向上贯穿内导体连接板并与其连接，该安装轴的下端通过弹簧活动设置在堵头内，所述堵头固定在微波腔腔体上且位于2个同轴端口组件之间。

进一步的，所述控制腔包括V型片、连接杆、12安装轴、23安装轴和旋转轴；所述V型片包括V型片主体以及设置在V型片主体两侧的且斜向上延伸的扇片；

所述旋转轴受旋转动力腔控制带动V型片进行转动；所述连接杆连接16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道；所述12安装轴与12微波信号传输同轴通道连接；所述23安装轴与23微波信号传输同轴通道连接；

在V型片转动过程中，通过给12安装轴、23安装轴以及连接杆施加外力，控制任意一组微波信号传输同轴通路的位置状态变化，包括：当V型片压住12安装轴时，实现第一工作状态；当V型片压住连接杆时，实现第二工作状态；当V型片压住23安装轴时，实现第三工作状态。

进一步的，所述控制腔还包括用于对V型片进行±90°限位的挡块。

进一步的，所述旋转动力腔包括双轴电机，所述旋转轴通过L型联轴器与双轴电机连接，在所述L型联轴器与控制腔的上表面之间设有用于控制双轴电机转动/停止的微动开关，该L型联轴器随旋转轴转动时，触发微动开关，使双轴电机停止转动。

进一步的，所述旋转动力腔还包括接长旋钮，所述接长旋钮与双轴电机连接，通过手动旋转接长旋钮来进行三种工作状态之间的转换。

进一步的，在所述旋转动力腔上设有对应三种工作状态的指示装置。

进一步的，还包括用于控制旋转动力腔实现微波腔内微波信号的传输路径切换的切换控制盒。

进一步的，还包括设置在所述输出同轴端口的双头弱定向耦合器和用于接收双头弱定向耦合器的耦合功率的功率检测盒，用于检测传输给天线的信号功率和由天线发射回来的功率。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明采用切换控制盒和切换控制主体作为开关板的切换控制装置，通过手动、电动或远程控制都可以实现天线开关板的切换功能；

(2)本发明不使用U_Link，完全不需要通过手动拔插U_Link的操作进行切换，本发明采用切换控制主体，其内部有5路同轴传输通道，通过控制这5路同轴传输通道的内导体连接板的位置完成电信号三种传输路径，完成天线开关板需要的信号切换，三种传输路径，一为正常传输路径：将信号分配为两部分通过两根馈线分别传输到天线的上下两部分，另两种传输路径是：信号不经过分配直接通过某根馈线传输到天线的上半部分或天线的下半部分；

(3)本发明采用的同轴式一分二功分器内部采用四分之一波长阻抗变换器确保输入端口匹配良好；

(4)本发明通过双头弱定向耦合器和功率检测盒可以实时检测输出馈管中的正反向功率。

(5)本发明的天线开关板可以允许用户将天线开关板纳入台站整个自动监测和控制系统中

附图说明

图1为一个典型的一分二天线开关板为6端口系统示意图；

图2为一个采用U-Link的手动切换FM天线开关板示意图；

图3为本发明的自动切换天线开关板的结构示意图；

图4为本发明的切换控制主体结构示意图；

图5为本发明的切换控制主体结构示意图；

图6为本发明的切换控制主体结构示意图；

图7为本发明的切换控制主体内部结构示意图；

图8为微波腔内的5组微波信号传输同轴通道及其一种内导体状态示意图；

图9为微波腔内的5组微波信号传输同轴通道及其一种内导体状态示意图；

图10为微波腔内的5组微波信号传输同轴通道及其一种内导体状态示意图；

图11为微波腔体端口组件示意图；

图12为微波腔体内内导体组件示意图；

图13为控制腔内零部件结构示意图；

图14为控制腔内零部件结构示意图；

图15为控制腔内限位开关等控制电机转动零部件示意图；

图16为控制腔内限位开关等控制电机转动零部件示意图；

图17为切换控制盒结构示意图；

图18为切换控制盒内部连接线示意图；

图19为弱定向耦合器的结构示意图；

图20为功率检测盒示意图；

图21为功率检测盒内部示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。

不同于传统的通过3个U_Link的手动拔插操作进行切换的天线开关板，如图3所示，本发明的天线开关板主要包括一个切换控制盒、一个切换控制主体和一个用于等比例分配功率的一分二功分器，通过切换控制主体来替代传统的天线开关板的3个需要手动切换的U_Link。在实际使用过程中，切换控制主体与功分器之间不再需要拔插操作，仅通过切换控制盒控制切换控制主体内部的结构状态来完成天线开关板所需要完成的功能，大大提高了切换效率和切换的可靠性。且切换控制盒可以远程控制切换控制主体内部的结构状态来完成天线开关板所需要完成的功能。

其中，本发明采用的一分二功分器为同轴线式功率分配器，其三个端口的特性阻抗都为50欧姆。为了保证一分二功率分配器输入端口的匹配良好，一分二功率分配器中有四分之一波长的阻抗变换器，完成25欧姆到50欧姆的阻抗变换。

如图4-图7所示，本发明采用的切换控制主体为带有6个同轴端口的一体设备，该设备的6个同轴端口(分别记为端口1、端口2、端口3、端口4、端口5、端口6)朝向同一方向，与一分二功分器的6个同轴端口相连接，手动切换按钮冲外，用户可以方便的旋转手动切换旋钮，实现天线开关板的手动功能切换。切换控制主体的6个端口与天线开关板的1个输入同轴硬馈管、2个输出同轴硬馈管及一分二功率分配器的3个同轴端口通过面板上的6个连接装置进行连接。

如图4-图7所示，本发明的切换控制主体主要由三部分组成：电机腔、微波腔和控制腔。各个部分通过螺钉连接成一个整体。

其中，电机腔由双轴电机、电机罩以及接长旋钮组成，主要提供旋转动力。在电机罩以及接长旋钮上设有指示装置，分别对应着三种工作状态，即第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态。如有必要，可以通过手动旋转接长旋钮来进行三种工作状态之间的转换。

其中，微波腔主要由微波腔腔体、微波腔盖板、5组微波信号传输同轴通路、6组同轴端口组件组成。它主要负责确保微波信号在三种工作状态时都传输正常，信号反射和损耗都很小。其主要特征和功能如下：

如图11所示，每组同轴端口组件包括：端口外导体1、压环2、四氟支撑3、端口内导体4以及端口内导体插芯5。具体连接方式为：先将端口内导体4和端口内导体插芯5在四氟支撑3两侧通过螺钉连接，之后将这三件装入端口外导体1的四氟槽内，最终通过压环2将端口外导体1、四氟支撑3、端口内导体4以及端口内导体插芯5固定到微波腔腔体上，安装时通过螺丝固定到微波腔腔体上。如图5所示，6个同轴端口分别对应天线开关板的1个输入同轴端口、2个输出同轴端口及一分二功率分配器的3个同轴端口。

如图12所示，每组微波信号传输同轴通道均由方形外腔6和内导体组件7组成，其中，内导体组件7包括内导体连接板71、安装轴72、弹簧73和堵头74。具体连接方式为：

安装轴72的上端与内导体连接板71连接，且该安装轴72的上端向上延伸出内导体连接板71上表面，弹簧73位于堵头74内部，将安装轴72的下端放入堵头74内，当安装轴72受到外力作用时，在弹簧73的作用下，安装轴72沿堵头74向下，使内导体连接板71与同轴端口组件的端口内导体接触，而当外力消失时，在弹簧73的作用下，安装轴72沿堵头向上，使内导体连接板71与同轴端口组件的端口内导体不接触。最终将堵头74通过螺纹拧入微波腔腔体上完成安装，具体的，该堵头设置在两组同轴端口组件之间。5组微波信号传输同轴通道分别记为：连接端口1和端口6的16微波信号传输同轴通道、连接端口1和端口2的12微波信号传输同轴通道、端口2和端口3的23微波信号传输同轴通道、端口2和端口5的25微波信号传输同轴通道、端口3和端口4的34微波信号传输同轴通道。

工作时，通过控制5组微波信号传输同轴通道的内导体连接板与同轴端口内导体的连接状态控制微波腔内微波信号的传输路径，换言之，通过控制微波信号传输同轴通道的内导体连接板的位置状态控制微波腔内微波信号的传输路径，完成天线开关板的功能。

参见图8至图10，第一工作状态时，端口1和端口2相连，其他端口之间不相连；第二工作状态时，端口1和端口6相连、端口2和端口5相连、端口3和端口4相连，其他端口之间不相连；第三工作状态时，端口2和端口3相连，其他端口之间不相连。正常状态为第二工作状态，即信号分配为两部分通两根馈线分别传输到天线的上下两部分，另两种状态(即第一工作状态和第三工作状态)是信号不经过分配直接通过某根馈线传输到天线的上半部分或天线的下半部分。

其中，控制腔主要负责切换控制主体与切换控制盒之间的控制信号的通讯，并且完成对电机转动的控制，从而完成天线开关板三种状态的准确控制。控制腔与天线开关板的控制盒之间通过两端为航空插头的信号传输电缆连接。

本发明的控制腔主要由PCB电路板、V型片8、挡块、旋转轴9、L型联轴器、12安装轴10、23安装轴、连接杆11以及控制器腔体组成。如图13至图16所示。控制腔腔体由4块金属板通过螺钉进行连接固定，有必要时可以单独拆开一块金属板用来观察控制腔内情况，并可以对控制信号进行测试。

如图13所示。旋转轴9受旋转动力腔控制带动V型片8进行转动；12安装轴10与12微波信号传输同轴通道连接，23安装轴与23微波信号传输同轴通道连接，连接杆11同时与16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道连接；

本发明的V型片8包括V型片主体以及设置在V型片主体两侧的且斜向上延伸的扇片；V型片8在转动过程中，可控制12安装轴10、23安装轴以及连接杆11进行上下运动；具体的：当V型片8旋转至12安装轴10附近，由于V型片8的扇片为斜面，因此随着V型片8进行旋转，12安装轴10受力沿V型片8的扇片往下，当V型片主体压住12安装轴时，就达到了第一工作状态；同理，当V型片8压住连接杆11时，连接杆11运动，带动16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道一起运动，从而达到第二工作状态；同理，当V型片8压住23安装轴时，就达到了第三工作状态。

V型片8的转动通过挡块来进行限位，使得V型片只能在±90°之间进行切换。

双轴电机与旋转轴之间通过L型联轴器进行连接。在L型联轴器与控制腔盖板之间放置一块PCB电路板。PCB电路板上装有3个微动开关。微动开关用于控制电机的转动与停止。

双轴电机带动L型联轴器与V型片共同转动。当电机旋转到固定角度时，L型联轴器触发PCB板上微动开关，从而输出信号使得电机停止转动，并使指示灯亮起。

本发明的天线开关板配有一个独立的切换控制盒，该切换控制盒为19英寸标准机箱结构设计，高度为2U，可以方便的插入19英寸标准机柜中，插入机柜后直接用螺丝拧紧即可。该切换控制盒前面板带有三个切换按钮，对应切换控制主体的三种工作状态。通过切换控制盒上的三个按钮，可以控制切换控制装置主体的微波腔内的内导体的三种连接状态，即第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态。该控制盒后面板带有1组RS-485串口和1组RJ45网口，允许用户对切换控制主体进行远程控制切换。切换控制盒如图17所示，切换控制盒内的切换控制电路如图18所示。

切换控制盒也可以和切换控制主体之间通过多芯电缆进行连接，该多芯电缆两端使用航空接头。

在本发明天线开关板的两根输出同轴硬馈管中分别加装两套双头弱定向耦合器(如图19所示)及功率检测盒(如图20和图21所示)，用于检测同轴线中传输给天线的信号功率和由天线发射回来的功率，双头弱定向耦合器的耦合功率通过较细的同轴电缆送给功率检测盒，该功率检测盒内部包括电源、功率检测单元、A-D转换单元、单片机控制单元和液晶屏显示单元等。

基于液晶屏显示单元，可以显示开关板两路输出的入射功率、反射功率、驻波比等参数，并可设置驻波比过高报警功能。双头弱定向耦合器主路同轴馈管与天线开关板输出馈管规格相同，耦合头为N型接头。本发明的功率检测盒采用19英寸机箱设计，高度为1U，可直接插入19英寸标准机柜中，也可以直接安装到天线开关板的平板上。由于本发明的切换控制盒及功率检测盒均采用19英寸标准机箱结构设计，因此两者均可以接入发射台站的整个自动监测和控制系统中。

综上，本发明的天线开关板采用一套集成式切换控制装置作为切换方式，而非传统结构中的手动拔插U-Link来切换，切换控制装置直接安装在开关板的面板上，在整个天线开关板的切换过程中，不需要拆卸任何零部件，实现了天线开关板的电动和远程控制切换，如果需要，也可以进行手动切换，但不需要拔插任何装置。本发明通过单独的控制盒控制切换控制装置的微波腔中传输线通路中的内导体与端口内导体的连接状态完成天线开关板的信号切换功能。本发明的天线开关板，可以是工作在87～108MHz频段的调频天线开关板，也可以是工作在167～223MHz或470～702MHz频段的电视天线开关板，还可以是工作在其他频率的天线开关板。且该天线开关板，可以采用各种同轴硬馈规格，以满足系统的不同功率等级的要求。本发明的天线开关板为EIA 1 5/8”规格。

Claims (10)

1.一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：包括输入同轴端口、输出同轴端口、切换控制主体和用于等比例分配功率的一分二功分器，所述切换控制主体包括微波腔、旋转动力腔和控制腔；

所述微波腔包括微波腔腔体、5组微波信号传输同轴通路和6个同轴端口组件；

所述6个同轴端口组件固定在微波腔腔体上，从左至右从上至下分别记为端口1、端口2、端口3、端口4、端口5和端口6；

5组微波信号传输同轴通路包括12微波信号传输同轴通道、23微波信号传输同轴通道、16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道；

所述控制腔受旋转动力腔控制，控制任意一组微波信号传输同轴通路的位置状态，实现控制微波腔内微波信号的传输路径，包括：

控制12微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口1和端口2的连接，其他端口之间都断开，实现第一工作状态；

同步控制16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口1和端口6、端口2和端口5、端口3和端口4的同步连接以及其他端口之间都断开，实现第二工作状态；

控制23微波信号传输同轴通道的位置状态，实现端口2和端口3的连接，以及其他端口之间都断开，实现第三工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述6个同轴端口组件分别对应天线开关板的一个输入同轴端口、两个输出同轴端口和一分二功分器的三个同轴端口。

3.根据权利要求1所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述微波信号传输同轴通道包括内导体组件，所述内导体组件包括内导体连接板、安装轴、弹簧和堵头；所述安装轴的上端向上贯穿内导体连接板并与其连接，该安装轴的下端通过弹簧活动设置在堵头内，所述堵头固定在微波腔腔体上且位于2个同轴端口组件之间。

4.根据权利要求1所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述控制腔包括V型片、连接杆、12安装轴、23安装轴和旋转轴；所述V型片包括V型片主体以及设置在V型片主体两侧的且斜向上延伸的扇片；

所述旋转轴受旋转动力腔控制带动V型片进行转动；所述连接杆连接16微波信号传输同轴通道、25微波信号传输同轴通道和34微波信号传输同轴通道；所述12安装轴与12微波信号传输同轴通道连接；所述23安装轴与23微波信号传输同轴通道连接；

在V型片转动过程中，通过给12安装轴、23安装轴以及连接杆施加外力，控制任意一组微波信号传输同轴通路的位置状态变化，包括：当V型片压住12安装轴时，实现第一工作状态；当V型片压住连接杆时，实现第二工作状态；当V型片压住23安装轴时，实现第三工作状态。

5.根据权利要求4所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述控制腔还包括用于对V型片进行±90°限位的挡块。

6.根据权利要求4所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述旋转动力腔包括双轴电机，所述旋转轴通过L型联轴器与双轴电机连接，在所述L型联轴器与控制腔的上表面之间设有用于控制双轴电机转动/停止的微动开关，该L型联轴器随旋转轴转动时，触发微动开关，使双轴电机停止转动。

7.根据权利要求6所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：所述旋转动力腔还包括接长旋钮，所述接长旋钮与双轴电机连接，通过手动旋转接长旋钮来进行三种工作状态之间的转换。

8.根据权利要求6所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：在所述旋转动力腔上设有对应三种工作状态的指示装置。

9.根据权利要求1或6所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：还包括用于控制旋转动力腔实现微波腔内微波信号的传输路径切换的切换控制盒。

10.根据权利要求1所述的一种集成电动切换功能的天线开关板，其特征在于：还包括设置在所述输出同轴端口的双头弱定向耦合器和用于接收双头弱定向耦合器的耦合功率的功率检测盒，用于检测传输给天线的信号功率和由天线发射回来的功率。

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