建立滿足需求穩(wěn)定可靠的衛(wèi)星地面接收天線

眾所周知，現(xiàn)代廣播電視的發(fā)展對衛(wèi)星通信的依賴越來越大。如何建立衛(wèi)星地面接收天線，尤其是選擇何種伺服跟蹤方式，既滿足需求穩(wěn)定可靠，又結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)容易，成為各個電視臺面臨的課題�，F(xiàn)在，以中央電視臺新建的7.5米衛(wèi)星地面接收天線為例，就其系統(tǒng)構(gòu)成，工作原理，伺服跟蹤設(shè)備，性能指標(biāo)，安裝調(diào)試及使用與維護(hù)，向同行們作一介紹。

衛(wèi)星通信是一種微波空間接力通信，電磁波在視距范圍傳播，人造地球衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，收到信號后對信號進(jìn)行處理再轉(zhuǎn)發(fā)下來，同步衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動的角速度和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，從地面上看去好像衛(wèi)星懸浮在空間不動一樣，所以又叫靜止衛(wèi)星。利用同步衛(wèi)星進(jìn)行通信有信道穩(wěn)定、通信距離遠(yuǎn)、跟蹤設(shè)備簡單、通信容量大等特點。

衛(wèi)星地面接收天線（以下稱“天線”）是一切無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，特別是對于同步衛(wèi)星通信來說，由于通信距離長，信道損耗大，需要高增益低噪聲的天線，隨著經(jīng)濟(jì)文化的不斷發(fā)展，對通信容量的要求也不斷增長，為滿足這種需求，同步軌道上衛(wèi)星越來越密，而且?guī)缀跞�部實行頻譜復(fù)用，并且開辟新的頻段例如Ku和Ka，原有頻段也加以拓寬，為提高通信質(zhì)量，實現(xiàn)星與星之間的互不干擾及同一顆星的正交極化間的互不干擾，天線必須在整個工作頻帶內(nèi)實現(xiàn)低副瓣和高交叉極化鑒別率。

中央電視臺所選擇的7.5米C/KU天線，正是為了滿足衛(wèi)星通信要求設(shè)計的，具有增益高，噪聲溫度低，旁瓣低，交叉極化鑒別率高等特點，天線及跟蹤設(shè)備符合天線性能滿足ISO、CCIR-REC580、ITU標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計上對天線主、副面進(jìn)行修正以實現(xiàn)高效率和低副瓣。先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝使天線結(jié)構(gòu)牢固、面板精度、裝配精度，方位、俯仰傳動系統(tǒng)工作靈活自如，指向精度滿足使用要求，精心的三防處理使天線可工作在各種惡劣的環(huán)境下，通過嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系和合理的可靠性設(shè)計，天線及跟蹤系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性得到保證。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

天線是由主反射面及其背架、副反射面及其支撐結(jié)構(gòu)，四端口饋源系統(tǒng)、極化調(diào)整裝置、方位一俯仰型天線座、方位和俯仰驅(qū)動裝置等組成；伺服系統(tǒng)是國產(chǎn)化伺服由跟蹤下變頻器、跟蹤接收機(jī)、天線控制器等組成；其他配套設(shè)備有：饋源除冰單元、波導(dǎo)充氣機(jī)、避雷針和天線操作維護(hù)專用工具。7.5m固定站天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1   

主反射面由反射體骨架和16塊扇形反射面組成。扇形反射面由厚度為2mm拉伸成型的鋁板與拉彎成型的Z型鋁筋條鉚接而成。反射體骨架由中心體、16根輻射梁、三圈環(huán)向拉桿組成。扇形反射面和反射體骨架之間有定位錐精確定位。

副面由副反射面、副面支桿和支撐調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。該天線的副反射面的母線為橢圓形曲線，它由四根支桿支撐在主反射體骨架的輻射梁上，副面支桿的兩端均用銷釘定位，以保證副面再裝精度，副面支撐調(diào)整機(jī)構(gòu)可使副面進(jìn)行精調(diào)，以達(dá)到副面最佳位置。

饋源由波紋喇叭、園波導(dǎo)、雙工器、阻發(fā)濾波器等部分組成，收發(fā)端口接口形式為WR-75。

極化調(diào)整裝置由定筒、動筒及鎖定裝置組成。該調(diào)整裝置轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、調(diào)整方便，同時能夠承載四端口頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)、主備導(dǎo)換LNA等較大重量和體積的負(fù)載。

方位一俯仰型天線座架為空間立體三角架結(jié)構(gòu)，由三個地腳螺栓和三根無縫鋼管立柱組成；方位驅(qū)動放于座架上部，這樣天線承受的方位力矩通過方位絲杠由方位支座傳給主座架承擔(dān)，方位－俯仰組合不承受扭矩，俯仰驅(qū)動支撐于座架底部，于是天線承受的俯仰力矩和垂直力直接作用于地基。主座架不承受這部分力，相應(yīng)地提高了主座架的強(qiáng)度和剛度。
 
   驅(qū)動裝置是使天線按所要求的方式轉(zhuǎn)動到指定的位置，使天線接收到需要的信號的裝置，分方位驅(qū)動和俯仰驅(qū)動兩種驅(qū)動除絲杠長短不同，其它部分完全相同。即絲杠付、蝸輪付和齒輪付相同。方位驅(qū)動電機(jī)和俯仰驅(qū)動電機(jī)均采用1400轉(zhuǎn)／分轉(zhuǎn)速。

二、天線工作原理

天線工作原理如圖2所示。從圖2可以看出，由天線的饋源相心O發(fā)出的電磁波，照射到副面中心區(qū)域O'點的射線，經(jīng)副面反射到主面邊沿區(qū)域的C點，然后再經(jīng)主面C點反射，發(fā)送到天線前方的空間去。射線由副面向主面行走的光程路線中，所有射線均交于F點，即稱焦點。由于主、副面都是圓對稱的，所以焦點F旋轉(zhuǎn)一周形成焦環(huán)故稱環(huán)焦天線。天線接收的工作原理與發(fā)射相同，電磁波的運行路線相反。

伺服跟蹤設(shè)備的主要用途是驅(qū)動天線到所需要的指向、根據(jù)天線接收到的電磁波信號進(jìn)行跟蹤，使天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，保證通信的連續(xù)可靠。它是決定天線性能的最主要的設(shè)備。跟蹤可分為手動跟蹤和自動跟蹤，手動跟蹤顧名思義是由人工進(jìn)行跟蹤，自動跟蹤是由一套計算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)一定的條件實現(xiàn)的保證天線對準(zhǔn)衛(wèi)星的跟蹤方式，主要有步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤、記憶跟蹤，程序跟蹤等。事實上，通信衛(wèi)星在靜止軌道上受太陽、月球和地球不規(guī)則引力以及陽光輻射壓力的影響，如果無任何維持力，就不能穩(wěn)定地停留在同步軌道的預(yù)定點上，這時將有兩種運動發(fā)生：一種是在預(yù)定點附近，以一天為周期進(jìn)行循環(huán)運動（在空間畫一個立體的8字形）；另一種是以平均位置為中心緩慢地向東（或向西）漂移。通信衛(wèi)星在其壽命期間，是靠星體上的火箭噴嘴定時地對衛(wèi)星施以校正力來保持其位置穩(wěn)定在指定地點，稱為位置保持。目前衛(wèi)星的位置精度已從開始時的土30/d提高到士0.10/d。大中型地球站的天線波束較窄，星體的士0.10/d漂移量已不能使大中型天線正常工作，地球站必須配置對衛(wèi)星進(jìn)行自動跟蹤的設(shè)備。

圖2

步進(jìn)跟蹤又稱極值跟蹤，它是一步一步地控制天線在方位面內(nèi)和俯仰面內(nèi)交替轉(zhuǎn)動，使天線逐步對準(zhǔn)衛(wèi)星，直到地球站天線接收到的信號達(dá)到最大值后，系統(tǒng)才進(jìn)人休息狀態(tài)。當(dāng)接收信號下降超過預(yù)設(shè)的門限或跟蹤周期時間到時，又開始進(jìn)人跟蹤狀態(tài)，如此周而復(fù)始地工作。設(shè)備簡單，機(jī)械效率高。步進(jìn)跟蹤的缺點是在跟蹤過程中，天線始終在對準(zhǔn)衛(wèi)星的方向周圍不斷地擺動。另外當(dāng)跟蹤信號波動時，由于不能找到穩(wěn)定的最大值，天線一直在最大值附近轉(zhuǎn)動，長時間停不下來，同時也加劇了天線的機(jī)械磨損。若采取延長信號采樣時間進(jìn)行濾波，將會導(dǎo)致跟蹤時間更長，因此在電磁環(huán)境比較惡劣的地方，步進(jìn)跟蹤的跟蹤效果不好。另外，在跟蹤傾斜軌道衛(wèi)星方面，步進(jìn)跟蹤也不能勝任。

單脈沖跟蹤能在一個脈沖的間隔時間內(nèi)確定天線波束偏離衛(wèi)星的方向和偏差大小，伺服系統(tǒng)據(jù)此實時調(diào)整天線實現(xiàn)實時對準(zhǔn)衛(wèi)星。單脈沖跟蹤的跟蹤速度和跟蹤精度比步進(jìn)跟蹤體制要高得多，但它需要復(fù)雜的饋源系統(tǒng)和跟蹤接收系統(tǒng)，并且造價很高，因此只有大型測控站采用單脈沖跟蹤體制。

記憶跟蹤，顧名思義就是根據(jù)以往系統(tǒng)記錄的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，由于衛(wèi)星的漂移每天是有重復(fù)性的，所以根據(jù)系統(tǒng)記錄的衛(wèi)星8字形軌跡進(jìn)行跟蹤，在幾天內(nèi)還可以保證一定的跟蹤精度，保證系統(tǒng)正常工作，但前提是系統(tǒng)已經(jīng)記錄了有效的記憶跟蹤數(shù)據(jù)。由于記憶跟蹤工作在開環(huán)狀態(tài)，忽略了跟蹤信號的變化，只是根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)在不同時間將天線轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置上，因此當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)行位置保持時，原跟蹤數(shù)據(jù)就不能使系統(tǒng)正常跟蹤。

程序跟蹤的優(yōu)點是不需要跟蹤接收機(jī)提供跟蹤信號，但實現(xiàn)程序跟蹤必須能夠獲得有效的跟蹤參數(shù)，實現(xiàn)IESS412跟蹤或NORAD跟蹤必須獲得INTEISAT11參數(shù)和NORAD數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)需要定期更新。另外，程序跟蹤對系統(tǒng)的軸角指示精度和天線的指向精度要求較高。

幾種跟蹤方法的比較如表1所示。

表1

綜上所述，步進(jìn)跟蹤方式具有設(shè)備簡單，成本低，維護(hù)容易，跟蹤精度較高，能克服穩(wěn)風(fēng)擾動，無需記憶跟蹤信號，在電磁環(huán)境穩(wěn)定的條件下，足以勝任跟蹤同步衛(wèi)星的要求，是性價比合理的，優(yōu)選的跟蹤方式。

中央電視臺所選擇的7.5米天線采用的正是步進(jìn)跟蹤方式，其伺服設(shè)備含有天線控制單元（ACU）、功率驅(qū)動單元（PDU）、跟蹤接收機(jī)、下變頻器等，方位俯仰同步機(jī)及限位開關(guān)，電動極化旋轉(zhuǎn)用的軸角變換裝置。

天線控制單元（ACU）是微機(jī)控制系統(tǒng)，它可以顯示天線工作狀態(tài)，如方位角、俯仰角、極化角、信號電平和限位告警等，可進(jìn)行手動控制和跟蹤，步進(jìn)跟蹤和手動找星等，面板上用鍵盤完成操作。

功率驅(qū)動單元（PDU）可由人工或ACU控制進(jìn)行天線電機(jī)的驅(qū)動。

跟蹤接收機(jī)把由天線上接收來的射頻信號轉(zhuǎn)化為天控器能處理的直流信號，送到天線控制器。

三、性能指標(biāo)

1.電氣特性

如表2所示。

表2   

2.機(jī)械性能

如表3所示。

表3

3.環(huán)境條件

如表4所示。

表4

四、關(guān)于天線的安裝

由于天線比較大，天線各方面要求也很高，比如天線表面公差，指向精度，跟蹤精度等，所以要求專業(yè)人員來安裝。天線的主要結(jié)構(gòu)件是天線頭和天線座架，其安裝過程如下：

根據(jù)天線地基要求測量地腳螺栓是否在同一水平面內(nèi)，其不平度不大于0.5mm；測量地腳螺栓，觀測外露部分螺栓的長度，是否滿足圖紙設(shè)計要求；檢查地基施工情況，在地基施工滿足地基基礎(chǔ)技術(shù)要求后，方可進(jìn)行座架安裝。安裝前清理，清潔，檢查所有零件（包括緊固件）是否齊全，適用;潤滑所有運動件（緊固件螺紋部分在裝配前須涂潤滑脂）。

1.天線座的安裝

首先，檢查驅(qū)動裝置絲杠螺紋副間隙，避免間隙太大，造成機(jī)械空程，并將方位，俯仰驅(qū)動裝絲杠罩。

第二，吊裝無縫鋼管立柱保證立柱上平面與地平面平行，下端用地腳螺栓固緊。

第三，吊裝橫梁連于立柱上，調(diào)整橫梁前后兩方位軸。

第四，吊裝方位－俯仰軸組合，方位下軸頭組合連于立柱上注意螺母不要擰緊，把俯仰軸與兩前支桿連于方位下軸頭，把螺栓固緊。吊裝俯仰驅(qū)動支撐組合，下端用銷軸連于方位下軸頭組合，上端在變速箱處用導(dǎo)鏈拉�。晃⒄{(diào)下軸頭組合，使方位－俯仰組合上下兩軸頭的軸線在用－鉛垂線上，（注意：不要別勁）然后把螺栓全部擰緊

第五，吊裝方位驅(qū)動組合，把方位驅(qū)動箱組合固于方位驅(qū)動支座上，方位絲杠與俯仰軸用銷軸連好。

第六，安裝同步裝置，限位裝置，方位、俯仰刻度盤。注意：

*安裝同步裝置時，注意旋轉(zhuǎn)變壓器軸與軸座輸出軸同心；

*限位開關(guān)、碰塊安裝時注意好方向，轉(zhuǎn)動范圍大小可進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)技術(shù)要求定好并把螺釘固緊即可；

*方位度盤、俯仰度盤要根據(jù)天線座架本身的方位俯仰角而定。

2.天線頭的安裝

把裝配焊接好的中心體放置在預(yù)先做好的基礎(chǔ)上；在中心體安裝上輻射梁，并對特征點進(jìn)行檢測，以保證沒有變形；安裝天線面板，以及環(huán)形拉桿，注意安裝時應(yīng)使面板之間的縫隙保持2±1mm，高度差≤1mm，并在現(xiàn)場對天線面板的組裝精度進(jìn)行檢測，直到精度符合技術(shù)要求；檢測合格后對把所有調(diào)整點螺母被緊或焊死以防日后松動脫落。

然后把天線用鋼絲繩固定好，再用吊車調(diào)到天線座架上面，（注意：天線邊緣不能與吊臂接觸）天線要保持平衡，調(diào)到座架上面后要仔細(xì)調(diào)整距離，保障可以穿上螺釘，螺釘進(jìn)孔以后，吊車松勁，天線重量落在座架上，擰緊螺絲，松開鋼絲繩；天線吊裝結(jié)束后，可以吊裝饋源套筒，微波網(wǎng)絡(luò)，波紋喇叭，副反射體，之后可以安裝其他附件如饋源除冰裝置，避雷針，航空標(biāo)志燈等。

五、天線的調(diào)試

因天線工作于線極化狀態(tài)，為了提高天線的接收信號電平和降低本天線發(fā)射信號對星上正交極化轉(zhuǎn)發(fā)器的干擾，需要天線的極化面和衛(wèi)星來波的極化面重合，為實現(xiàn)此項要求，天線的極化變要進(jìn)行調(diào)整，7.5m天線設(shè)計的極化旋轉(zhuǎn)方式為微波網(wǎng)絡(luò)和波紋喇叭可以一起旋轉(zhuǎn)，天線的極化面也一起旋轉(zhuǎn)直到和衛(wèi)星極化一致，極化面的旋轉(zhuǎn)方式是電動，由伺服系統(tǒng)控制，必要時也可手動。

極化面調(diào)整時可以用兩種方式：利用發(fā)射信號或接收信號。發(fā)射信號需要有監(jiān)測站天線的協(xié)助，而接收方式則可以由自己完成。下面介紹接收方式：

*根據(jù)地球站地理位置和衛(wèi)星的經(jīng)度計算出當(dāng)?shù)氐臉O化角；

*根據(jù)所需要工作的極化，把饋源網(wǎng)絡(luò)調(diào)整到此角度附近；

*利用接收機(jī)或頻譜儀接收正交極化的衛(wèi)星信標(biāo)，比如衛(wèi)星信標(biāo)的極化是水平，我們工作的極化接收也是水平，我們可以用天線垂直接收端口接收衛(wèi)星信標(biāo)，微調(diào)天線極化，直到收到的信號達(dá)到最小，就認(rèn)為極化已經(jīng)調(diào)好；

*一般情況下，天線的極化角在天線入網(wǎng)時由衛(wèi)星公司協(xié)助對準(zhǔn)。如果不更換衛(wèi)星就不再需要調(diào)整。

整個天線安裝調(diào)試入網(wǎng)后，天線頭作為一個整體，所有的可調(diào)處全部揹緊或焊死，用戶一律不許亂動。

在正常使用條件下，天線座是在伺服系統(tǒng)控制下工作，不需對其進(jìn)行直接操作，除非天線座出現(xiàn)了故障。為保證天線及伺服系統(tǒng)能長期可靠地工作，首先要做到對天線座的正確操作：

*控制臺用手動方式轉(zhuǎn)動天線時，要避免正反轉(zhuǎn)快速切換，否則會造成傳動系統(tǒng)沖擊，降低使用壽命；

*當(dāng)天線長期不工作或風(fēng)速超過10級（32m/s）時，應(yīng)將天線朝天，進(jìn)入收藏狀態(tài)；

*方位、俯仰行程開關(guān)、碰塊等均已調(diào)好，不得隨意改動；

方位換擋操作方法為：

*轉(zhuǎn)動俯仰，使天線朝天，然后轉(zhuǎn)動方位，使方位驅(qū)動轉(zhuǎn)軸中心至絲杠前端軸孔中心距離為900mm左右；

*把方位下軸座保護(hù)罩打開，將固定方位兩個行程開關(guān)及碰塊的螺釘全部松開、取下；

*取下方位絲杠前端銷軸，由5~6人推動天線圓筒至另一區(qū)域，將方位絲杠與另一側(cè)的圓筒軸座用銷軸鉸接；

*緊固碰塊。根據(jù)新的工作范圍的兩極限位置，確定行程開關(guān)的安裝位置。確定無誤后，方可緊固行程開關(guān)。

六、使用與維修

天線是室外設(shè)備，長年受到風(fēng)吹、日曬、雨淋等自然條件的影響，設(shè)備的壽命長短與正確的使用和維修關(guān)系很大，設(shè)備及時地高質(zhì)量地維護(hù)和維修是延長使用壽命的重要環(huán)節(jié)，因此必須給予足夠的重視。在使用手冊中有詳細(xì)的使用方法和維護(hù)步驟，這里不做過多的贅述，只有兩點需要特別指出：

第一，及時應(yīng)對惡劣天氣和極端情況，經(jīng)常觀察天線波紋喇叭口膜，以免損壞微波網(wǎng)絡(luò)及低噪聲放大器。大家知道，微波網(wǎng)絡(luò)及低噪聲放大器對天線來說的重要，在密閉的腔體內(nèi)，要保證完好的水密性，而北京冬夏多雨雪，春秋有大風(fēng)，氣候變化大，時有冰雹砸破或小鳥啄破波紋喇叭口膜，造成腔體進(jìn)水損壞微波網(wǎng)絡(luò)及低噪聲放大器的情況發(fā)生。為避免發(fā)生問題，在雨季來臨之前及時對接頭電纜做防水處理；作好防雷測試并對線路與接頭進(jìn)行檢查排除事故隱患；提前檢查饋源防塵、防雨罩；通過測量衛(wèi)星天線的接地電阻來確定天線的防雷電性能，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定天線防雷系統(tǒng)的接地電阻不得大于4歐姆的要求。當(dāng)出現(xiàn)凍雨即雨加雪天氣時，由于地表溫度低，空中落下的雨迅速形成冰凝結(jié)在天線表面上，形成新的反射面，使拋物面天線焦點發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天線接收信號的信噪比（△S/N）大副下降，出現(xiàn)接收信號質(zhì)量差、甚至接收不到信號的現(xiàn)象，因此需要及時清除天線表面積雪。

第二，在為方位、俯仰減速箱加油，為方位、俯仰絲杠及各個轉(zhuǎn)軸部位加油時，一定要加注二硫化鉬潤滑劑。二硫化鉬，輝鉬礦的主要成分。棕黑色固體�；瘜W(xué)式MoS2，熔點1185攝氏度，密度4.80克/立方厘米（14攝氏度），莫氏硬度1.0~1.5。二硫化鉬不溶于水，只溶于王水和煮沸的濃硫酸。二硫化鉬是重要的固體潤滑劑，特別適用于高溫高壓，高轉(zhuǎn)速，高負(fù)荷，有化學(xué)腐蝕的條件下，是對設(shè)備有優(yōu)異的潤滑性，是天線維護(hù)的首選。常見故障分析及排除見表5。

表5

七、結(jié)束語

中央電視臺自1995年至今，先后建造了20座衛(wèi)星地面站，其中有單收站，有收發(fā)站，分別指向五家衛(wèi)星公司的12顆衛(wèi)星，從內(nèi)容采集到播出監(jiān)控，有力的保證了中央電視臺目前30個頻道，日均631小時的播出。在天線選擇上也積累了一定的經(jīng)驗。該7.5米天線在結(jié)構(gòu)上，簡單，桿件少，強(qiáng)度高，裝拆方便，受力合理，造型美觀，穩(wěn)定性好；在驅(qū)動裝置上，由于均采用1400轉(zhuǎn)／分轉(zhuǎn)速電機(jī)，成功地避免了天線的驅(qū)動速度太快，造成信號接收較困難，速度太慢，則接收相應(yīng)太慢，且驅(qū)動箱制作困難的弊端；在伺服跟蹤設(shè)備上，采用的步進(jìn)跟蹤方式，設(shè)備簡單，成本低，易維護(hù)，是性價比合理的，優(yōu)選的跟蹤方式；在天線安裝上，簡單，清晰，耗時少，只需一天；在使用維護(hù)上，無需過多依賴廠家專門人員，定期維護(hù)周期合理。總而言之，中央電視臺所選擇的7.5米衛(wèi)星地面接收天線是滿足需求穩(wěn)定可靠，又結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)容易的衛(wèi)星地面接收天線。