反射相控式大功率射频开关的原理和应用_王英涛.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期84无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖反射相控式大功率射频开关的原理和应用【摘 要】本文介绍了一种反射相控式大功率射频开关的工作原理，这种射频开关不但可以实现主备发射机与天馈线和调机负载之间的切换，还可以实现主备发射机的合成发射，而且所有的切换方式都允许在带功率情况下完成，即系统允许热切换，而无需主备发射机停机。文章还介绍了这种射频开关的几种典型应用。【关键词】反射相控式，切换开关，主备机，备份，热切换【中图分类号】TN943 【文献标识码】A 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230002016【本文献信息】王英涛，王轶冬.反射相控式大功率射频开关的原理和应用J.广播与电视技术，2023,Vol.50(2).Principle and Application of Reflective Phase-control High-power RF SwitchWang Yingtao1,Wang Yidong2(Jilin Radio and Television Technology Center,Jilin 132000,China)1(Jiangsu MTH Communication Technologies Co.,Ltd.,Jiangsu 212000,China)2Abstract This paper introduces the working principle of a reflective phase-control high-power radio RF switch.This RF switch can not only realize the switching between the main and standby transmitters and the antenna feeder and the dummy load,but also realize the power combination and transmission of the main and standby transmitters.Moreover,all switching modes are allowed to be completed with power,that is,the system allows hot switching without stopping the main and standby transmitters.Several typical applications of this kind of RF switch are also introduced.Keywords Reflective phase-control,Switch,Primary and standby transmitters,Backup,Hot switching王英涛1，王轶冬2(吉林省广播电视技术中心台，吉林 132000)1(江苏德是和通信科技有限公司，江苏 212000)20 引言在通信和广播电视无线发射系统中，发射机是核心设备之一。发射机将视频、音频或数据信息调制到射频信号上，经过功率放大后，通过多工器和天线馈线系统发射出去。毋庸置疑，发射机本身的稳定性和可靠性将直接影响整个发射系统的性能。因此，在一些对系统稳定性和可靠性有较高要求的无线发射系统中，一般都设置发射机备机，对发射机主机进行备份。“1+1”方式是无线发射系统采用得比较多的发射机备份方式，即 1 台发射机主机配备 1 台发射机备机。当发射机主机出现故障或者需要进行检修维护时，通过主备机切换系统，将发射机主机从发射系统中切换出来，同时将发射机备机接入发射系统中。因此，构建发射机主备机备份系统，除了必要的发射机主机备机之外，主备机切换装置也是系统的核心组成部分。主备机切换装置是 4 端口网络，包括 2 个发射机接口，分别连接主发射机和备发射机；1 个天线接口，与天馈系统相连；1 个负载接口，与调机负载相连。2 台发射机通过切换装置，可以分别实现与天馈系统和调机负载的连接，即：主发射机与天馈系统相连，同时备发射机与调机负载相连；或备发射机与天馈系统相连，同时主发射机与调机负载相连。目前，常见的主备机切换装置包括同轴开关切换和 U-Link 组倒换切换，两种切换装置的示意图和典型产品照片如图 1 和图 2 所示。采用同轴开关或者 U-Link 组倒换的传统主备机切换装置，主要存在以下几个问题。1.切换方式为冷切换，无法实现热切换。无论是同轴开关还是 U-Link 组倒换的主备机切换装置，当需要进行主备机广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期85Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖切换时，必须先将两台发射机全部关机，当整个系统中没有功率信号时，才能进行切换。切换完成后，再将发射机开机。因此，冷切换的主备机切换系统所需的切换时间更长，在对切换时间有较高要求的场合无法应用。2.整个装置只具备切换功能，任何时候都只有一台发射机的输出功率经由天馈线系统发射出去。即，传统的主备机切换装置不具备功率合成功能，无法让主备机同时工作，无法达到发射设备的最大使用效率。3.使用 U-Link 组倒换的主备机切换装置，只能进行手动切换，无法实现电动控制切换，也无法实现切换的远程 控制。本文介绍的反射相控式大功率射频开关非常好地解决了传统同轴开关或者U-Link 组在实现主备发射机切换过程中遇到的上述问题。文章首先介绍了反射相控式大功率射频开关的工作原理，之后介绍了此类开关在广播电视无线发射系统中的典型应用，文章的最后是结论部分。1 工作原理反射相控式大功率射频开关的原理如图 3 所示。反射相控式大功率射频开关包含 3 个3dB 耦合器、2 个电调短路器（含滑台、丝杆、电机、电机驱动器、运动控制器等）、各部件之间的连接配件以及产品框架。1.3dB 耦合器 1 的两个相互隔离的端口是整个射频开关的两个输入端口，分别连接主备发射机。2.3dB 耦合器 1 的第 3 端口与 3dB 耦合器 2 的第 2 端口直接相连。3.3dB 耦合器 1 的第 4 端口与 3dB 耦合器 2 的第 1 端口之间连接了 3dB 耦合器3 以及两个电调短路器，实际上，3dB 耦合器 3 以及 2 个电调短路器构成了一个电调移相器，可以改变 3dB 耦合器 1 的第 4 图1(a)同轴开关示意图 图1(b)同轴开关典型产品照片 图2(a)U-Link组示意图 图2(b)U-Link典型产品照片图3 反射相控式大功率射频开关原理图广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期86无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖端口与3dB耦合器2的第1端口之间的相位。4.3dB 耦合器 2 的两个相互隔离的端口是整个射频开关的两个输出端口，分别连接天馈线和调机负载，也可分别连接主天馈线和备天馈线。图 3 中所示的 为端口 1-4 到端口2-1的相位与端口1-3到端口2-2的相位之差。由逻辑和控制单元控制两个电调短路器调节而实现。根据 的不同，反射相控式大功率射频开关具有 4 种不同的工作状态，分别如下。1.当两个可调短路器对应的相位为=0 时，主发射机输出功率输出至天馈线系统，备发射机输出功率输出至负载，此为工作状态 A。2.当两个可调短路器对应的相位为=180 时，备发射机输出功率输出至天馈线系统，主发射机输出功率输出至负载，此为工作状态 B。3.当两个可调短路器对应的相位为=270 时，同时主备发射机输出功率信号大小相等且相位相同，主备发射机的输出功率可以合成输出至天馈线系统，此时无功率输出至负载，此为工作状态 C。需要注意的是，当合成切换系统处在工作状态 C，但主备发射机输出功率并未满足大小相等且相位相同的条件时，主备机合成切换系统仍然可以将一部分的主发射机和备发射机输出功率合成输出至天馈线系统，但由于两台发射机存在不平衡，会有一部分功率进到 负载中。4.当两个可调短路器对应的相位为=90 时，同时主备发射机输出功率信号大小相等且相位相同，主备发射机的输出功率可以合成输出至负载，此时无功率输出至天馈线系统，此为工作状态 D。相比传统同轴开关或者 U-Link 组，将反射相控式大功率射频开关应用在主备发射机切换系统中，将获得以下 优势：1.允许热切换。本文所述的射频开关可以在发射机开机、整个系统中存在功率信号的情况下进行切换，切换前后不需要发射机关机和重新开机的操作，可有效缩短切换时间，快速响应系统的切换需求。2.除了主备机切换功能之外，还具备功率合成的功能。本文所述的射频开关不但具备传统主备机切换装置的切换功能，而且可以将两部发射机的输出功率合成后输出到天馈系统进行发射，允许整个系统以更大的发射功率或者更灵活的方式进行工作。3.同时具备手动、电动和远程控制 3 种切换功能。本文所述的射频开关可以通过手动调节进行切换，也可以通过切换按钮进行电动切换，还可以通过系统预留的以太网接口（RJ45）或串口（RS-485）进行远程控制切换，方便用户 操作。反射相控式大功率射频开关的结构示意图如图 4 所示。2 典型应用反射相控式大功率射频开关在广播电视无线发射系统中可以有非常广泛的应用。通过恰当的产品设计，反射相控式大功率射频开关可以工作在广播电视和通信的各种频率。主发射机和备发射机只要满足工作频率相同的条件，即可通过反射相控式大功率射频开关实现各种切换功能。2.1 发射机主备机切换通过调节反射相控式大功率射频开关中的两个电调短路器的位置，可以改变射频开关中的相位差。当=0 时，射频开关工作在状态 A，此时，主发射机输出功率输出至天馈线系统，备发射机输出功率输出至调机负载。当=180时，射频开关工作在状态 B，此时，备发射机输出功率输出至天馈线系统，主发射机输出功率输出至调机负载。这样，就实现了发射机主备机的切换。应用射频开关的主备机切换功能时，对主备发射机的输图4 反射相控式大功率射频开关结构示意图广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期87Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖出功率大小和相位并无要求，只要两台发射机工作在相同的工作频率即可。同时，由于电调移相器以及整个开关设计均允许系统在带功率的情况下工作，反射相控式大功率射频开关在主备机切换过程中无需发射机停机，即可以实现系统的热切换。2.2 发射机主备机合成发射通过调节反射相控式大功率射频开关中的两个电调短路器的位置，可以改变射频开关中的相位差。当=270时，同时主备发射机输出功率信号大小相等且相位相同，主备发射机的输出功率可以合成输出至天馈线系统，此时无功率输出至调机负载，射频开关工作在状态 C。当=90 时，主备发射机的输出功率可以合成输出至调机负载，此时无功率输出至天馈线系统，射频开关工作在状态 D。应用射频开关的主备机合成功能时，不仅要求两台发射机工作在相同的频率，还要求主备发射机的输出功率大小相等、相位相同。如果主备发射机的输出功率大小和相位不能满足上述要求，射频开关工作在状态 C 时的合成效率就不能达到 100%，会有一部分功率进入调机负载中。射频开关的工作状态 D 是个非典型的工作状态，一般用户不需要将射频开关调节到此种工作状态，射频开关在出厂前的设置中可以将工作状态 D 关闭。同样的，反射相控式大功率射频开关在主备机合成发射的切换过程中也无需发射机停机，可以实现系统的热切换。2.3 发射系统的自动检测和切换在无线发射系统中再增加 2 个功率检测单元和 1 个逻辑控制单元，可以实现主备发射机的功率检测和自适应切换。整个切换可以做到全自动化，无需台站人员监控和操作，在减少系统日常运行成本的同时，降低人为操作失误的可能性。增加了功率检测单元和逻辑控制单元的系统原理图如图 5 所示。自动切换场景 1：射频开关工作在状态A，主发射机与天馈线系统相连。当系统检测到主发射机故障或者发射功率下降时，逻辑控制单元