衛星天線及其控制系統的維護和保養

　　衛星天線及其控制系統的維護和保養【1】

　　摘要：天線在衛星廣播電視系統中是非常重要的設備之一，其正常工作是保證廣播電視節目安全有效傳輸的基本保證。

　　本文就常用的卡塞格倫天線和格里高利天線的基本結構與原理做了簡要介紹，著重介紹了衛星天線及其控制系統的維護保養及典型故障處理。

　　關鍵詞：衛星天線 控制系統 維護保養

　　近年來隨著科技的發展，衛星廣播技術也從模擬技術發展到數字技術，實現今天的直播方式。

　　天線作為無線電波接收和發射的窗口，被廣泛用于衛星廣播電視與通信領域。

　　因此，天線及其控制系統的維護與保養的質量直接影響了數字信號播出與傳輸的質量。

　　由此看來，加強衛星天線及其控制系統的維護和保養顯得尤為重要，亦成為衛星通信的必要前提。

　　在衛星廣播領域，目前普遍應用的天線主要有卡塞格倫天線和格里高利天線，本文首先簡要介紹這兩種類型天線的基本結構與原理，著重介紹衛星天線及其控制系統在使用過程的維護保養及典型故障處理。

　　1、衛星天線及其控制系統

　　衛星廣播系統中使用的天線通常有反射面天線和微帶天線兩種類型。

　　反射面天線由反射面和饋源兩部分組成，工程上通常根據饋源與反射面的相對位置，將反射面天線分為前饋天線、后饋天線和偏饋天線三種形式。

　　其中后饋天線為雙反射面天線，由于其饋源安裝在副反射面之后而得名。

　　雙反射面天線由主反射面、副反射面和饋源三部分組成，多用于大口徑反射面天線，常見的有標準卡塞格倫天線、變形卡塞格倫天線、格里高利天線等。

　　下面就對應用比較廣泛的卡塞格倫天線和格里高利天線進行簡要介紹。

　　1.1　卡塞格倫天線

　　卡塞格倫天線是一種在衛星通信領域常用的天線。

　　此種天線主要由三大部分組成，即主反射面、副反射面和饋源。

　　其中主反射面為旋轉拋物面，副反射面為旋轉雙曲面。

　　在結構上，雙曲面的一個焦點F1與拋物面的焦點F重合，雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合，而饋源位于雙曲面的另一焦點F2上，如圖1所示。

　　當饋源位于旋轉雙曲面的實焦點F2處時，由饋源發射出的電磁波到達副反射面進行第一次反射，就相當于由雙曲面的虛焦點F1直接發射出的電磁波，此時雙曲面的虛焦F1點與拋物面的焦點F相重合，副反射面將電磁波反射到主反射面上，電磁波到達主反射面后再次被反射，從而獲得平面波波束，最終實現定向發射。

　　卡塞格倫天線是卡塞格倫望遠鏡的工作原理上發展而來的衛星通信天線，它的結構比較緊湊，加工起來也較為方便。

　　另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點至口面各點的距離接近于常數，因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小，使得其微波通信的效率比標準拋物面天線要高。

　　1.2　格里高利天線

　　格里高利天線主要由三部分組成，即主反射面、副反射面和饋源。

　　其中主反射面同樣為旋轉拋物面，副反射面則為凹橢球面。

　　與雙曲面一樣，作為副反射面的凹橢球面也有兩個焦點F1和F2，其中F1置于與主反射面焦點重合的位置，另一個焦點F2置于饋源喇叭的相位中心，如圖2所示。

　　格里高利天線的許多特性都與卡塞格倫天線相似，工作原理也是副反射面將饋源發出的電磁波進行一次反射，把電磁波反射到主反射面上，然后再經過主反射面反射，最后獲得平面波波束，最終得以實現定向發射。

　　1.3　天線控制系統

　　天線控制系統即天線跟蹤伺服系統，由信標接收機、天線控制單元及室外驅動柜組成，其作用是保證天線對準衛星。

　　當衛星在同步軌道上漂移時，天線電軸偏離衛星會引起天線增益下降以及交叉極化特性惡化。

　　另外由于風、雨雪、溫度的影響，也會使天線電軸偏離衛星，使接收增益下降，為此需要一個良好的跟蹤控制系統，在衛星漂移以及給定的環境條件和內部干擾下，能精確地保證天線窄波束時準確對準衛星保證信號接收和發射。

　　信標接收機用于確定天線指向需要的衛星并確認處于最佳的位置;給天線控制器提供自動跟蹤信號(信標信號)。

　　天線控制器控制天線方位、俯仰、極化轉動，顯示工作的角度，可根據設定跟蹤范圍、步距、時間周期、信號門限、自動跟蹤衛星的漂移，避免因偏離衛星造成信號衰減、極化隔離度惡化。

　　包括室外驅動柜和室內控制單元。

　　2、衛星天線安裝時對外部環境的要求

　　(1)衛星天線在指向衛星的方向上沒有高大樹木、建筑物、高壓線以及高山等遮擋。

　　(2)在天線主波束方向上要有足夠的視界，保證天線正前方盡可能寬的視角。

　　(3)天線指向衛星的連線之間的平角5度之內不應有遮擋物。

　　(4)注意不能安裝在微波干擾嚴重的地區，如微波站、差轉臺、雷達站、變電站等。

　　(5)如環境條件許可，在天線附近可以設置金屬網，這對于消除干擾有一定效果。

　　(6)對裝在山頂、高樓頂的天線基礎設施(處在風口區)要滿足10級大風條件能工作，12級大風不毀壞;衛星天線的架設位置盡量避開風口，以減小天線的風載，有條件的可以設置擋風裝置。

　　(7)在雷雨多發地區，衛星天線的架設位置應避開雷擊多發地點，并安裝避雷器，同時要采取多種避雷措施。

　　(8)天線的方位可調整的范圍內，應保證有足夠的調整余地。

　　要保證天線安裝場地周圍的平整，為天線及其它室外設備的安裝提供方便。

　　3、衛星天線維護保養要點

　　3.1　機械結構部分

　　(1)天線方位、俯仰驅動馬達轉動是否正常，是否有異響。

　　(2)天線方位、俯仰絲杠護套是否老化、破損，定期檢查，及時更換。

　　(3)天線方位、俯仰絲杠潤滑油脂是否缺少，根據需要添加，潤滑脂通常使用二硫化鉬。

　　(4)天線方位、俯仰限位開關接點是否銹蝕、老化，如有需要，及時更換。

　　(5)天線方位、俯仰驅動馬達供電電纜有無老化、破損。

　　(6)天線減速箱內潤滑油脂是否缺少，根據需要及時添加二硫化鉬。

　　(7)金屬構件連接有無松動、變形，及時緊固。

　　(8)金屬構件有無銹蝕，及時進行除銹、補漆處理。

　　(9)饋源吹風加熱單元是否正常，定期檢查。

　　(10)饋源膜有無破損、老化，根據需要及時更換。

　　(11)定期對天線進行大范圍轉動，包括方位、俯仰，建議每半年一次。

　　3.2　其他部分

　　(1)經常查看信標機、天控器風扇運轉情況，確保散熱良好。

　　(2)定期對信標機、天控器進行除塵，保證設備正常運轉。

　　(3)波導充氣機是否工作正常，是否出現頻繁充氣現象。

　　(4)波導充氣機內干燥劑是否干燥，如有需要及時更換。

　　(5)LNB與電纜接頭處，要做防水處理，用防水膠帶包好。

　　(6)冬天下雪時應及時去除天線主反射面上的和饋源膜上的積雪，以保證上下行信號質量。

　　(7)做好天線的接地工作且接地電阻應小于4Ω，并在衛星天線旁邊豎立避雷針，防止雷擊。

　　(8)做好防蟲、防鼠工作，饋源管口應遮蓋，并定期檢查。

　　4、天控系統維護和保養實例

　　天控系統的維護和保養可分為天線系統、饋線系統、天線基座系統和控制系統四個部分，我們就經常遇到的故障實例進行分析。

　　4.1　天線系統實例

　　(1)饋源膜損壞，多為饋源膜老化或鳥類啄食引起，為確保天線正常運行，建議至少每年更換一次，并定期檢查。

　　(2)天線表面漆脫落時，應選擇專用的高頻低損耗白漆補涂，不可用普通白漆代替。

　　(3)定期測量天線接地電阻值，應安裝性能較好的避雷及防雷設備。

　　(4)大雪天氣及時清除覆蓋在天線上的積雪，目前常用的有高壓水龍頭高空沖淋和強力吹風除雪兩種方式。

　　4.2　饋線系統實例

　　(1)波導充氣機頻繁啟動，多是因波導封閉性不好而導致頻繁充氣現象，應及時檢查，找出泄漏點，進行相應處理;另外一個導致充氣機頻繁啟動的原因是繼電器損壞，過壓保護裝置失靈，這種情況易造成充氣壓力過大致使饋源膜破裂。

　　平時應經常檢查波導的氣密性，觀察充氣機是否工作正常，發現故障時及時排除。

　　(2)天線大角度范圍轉動時，注意觀察戶外軟波導的曲張程度，防止出現裂紋或斷裂。

　　4.3　天線基座系統實例

　　(1)選擇型號相符的潤滑脂、低溫極壓脂及防腐漆等，定期換油及補涂。

　　(2)當碰到天線不能轉動故障時，排除天控器故障后，應重要檢查方位或俯仰限位開關，此處一般為常閉接點，主要是因為戶外風雨侵蝕導致限位開關接點接觸不良引起，應定期檢查及時更換。

　　4.4　天線控制系統實例

　　(1)天線驅動部分多為380伏高壓，對天線進行檢修時，原則上應斷開工作范圍內的所有電源。

　　(2)馬達驅動控制箱內DC　24V電源容易出現故障，多為熔斷器燒斷，經檢查后續電路無短路性故障時，更換后即可，或直接更換DC　24V電源恢復正常。

　　(3)定期檢查馬達控制箱內的各電源接頭是否松動，檢查各中間繼電器及交流接觸器是否有因打火而燒黑的現象，如有應及時更換。

　　(4)對ACU中的各種技術參數如EOS、AOS等切勿隨意改動。

　　(5)長時間運行的ACU及信標接收機，對環境溫度要求較高，應定期檢查其散熱系統正常與否，一般會出現排風扇老化而停止轉動，引起機箱內溫度升高，使機器工作性能不穩定，一般更換排風扇后即可排除。

　　5、結語

　　衛星天線及其控制系統的維護和保養是衛星廣播電視系統安全高質量運行的重要保障，其技術要求高，維護工作具有長期性和艱巨性，我們應從設備的日常維護入手，定期對設備進行檢查、測試，發現問題及時處理，同時提高維護人員技術素質，掌握維護方法，快速、準確的診斷、排除故障，提高維護效率，確保衛星天線及其控制系統的實時良好、可靠。

　　星天線的工作原理及其調試和維護【2】

　　摘要：天線是無線電通信、廣播、導航、雷達、測控、微波遙感、射電天文及電子對抗等各種民用和軍用無線電系統不可少的設備之一。

　　在各種反射面天線中，卡塞格倫天線是在前饋式拋物面天線的廣泛應用基礎上發展起來的。

　　對此文章簡單介紹了拋物面天線和卡塞格倫天線的工作原理，進而分析了衛星天線的調試、維護和保養方法。

　　關鍵詞：拋物面天線;卡塞格倫天線;維護和保養

　　自從人類進入信息時代以來，電子通訊技術不斷發展。

　　作為電子通訊的基本工具，天線更是在工程實際中得到廣泛的應用。

　　從地面到太空，從軍事領域到民用領域，無處不活躍著天線的身影。

　　譬如在航天領域內，衛星信號的發射和傳送，航天器的通訊等都離不開星載天線的工作。

　　天線是衛星通信系統的重要組成部分，是地球站射頻信號的輸入和輸出通道，天線系統性能的優劣影響整個通信系統的性能。

　　地球站與衛星之間的距離遙遠，為保證信號的有效傳輸，大多數地球站采用反射面型天線。

　　反射面型天線的特點是方向性好，增益高，便于電波的遠距離傳輸。

　　反射面的分類方法很多，按反射面的數量可分為雙反射面天線和單反射面天線;按饋電方式分為正饋天線和偏饋天線;按頻段可分為單頻段天線和多頻段天線;按反射面的形狀分為平板天線和拋物面天線等。

　　本文對一些常用的天線及其調試和維護作簡單介紹。

　　1拋物面天線

　　1.1拋物面天線簡介

　　拋物面天線是一種單反射面型天線，利用軸對稱的旋轉拋物面作為主反射面，將饋源置于拋物面的焦點F上，饋源通常采用喇叭天線或喇叭天線陣列，如圖1和圖2所示。

　　發射時信號從饋源向拋物面輻射，經拋物面反射后向空中輻射。

　　由于饋源位于拋物面的焦點上，電波經拋物面反射后，沿拋物面法向平行輻射。

　　接收時，經反射面反射后，電波匯聚到饋源，饋源可接收到最大信號能量。

　　1.2拋物面天線工作原理

　　拋物面具有如下重要的幾何光學特性：由焦點發出的各光線經拋物面反射，其反射線都平行于z軸;反之，當平行光線沿z軸入射時，則被拋物面反射而聚焦于F點。

　　其原因是，由焦點發出的各光線經拋物面反射后到達口徑面的行程相等(這一結論可利用拋物線的以下性質來證明：從拋物線任一點到焦點的距離等于該點到準線的距離)。

　　微波的傳播特性與光相似，因此，位于焦點F的饋源所輻射的電磁波經拋物面反射后，在拋物面口徑上得到同相波陣面，使電磁波沿天線軸向傳播。

　　如果拋物面口徑尺寸為無限大，那么拋物面就把球面波變為理想平面波，能量只沿z軸正方向傳播，其它方向輻射為零。

　　但實際上拋物面的口徑是有限的，這時天線的輻射是波源發出的電磁波通過口徑面的繞射，它類似于透過屏上小孔的繞射，因而得到的是與口徑大小及口徑場分布有關的窄波波束。

　　1.3拋物面天線優缺點

　　拋物面天線的優點是結構簡單，較雙反射面天線便于裝配。

　　缺點是天線噪聲溫度較高;由于采用前饋，會對信號造成一定的遮擋;使用大功率功放時，功放重量帶來的結構不穩定性必須被考慮。

　　2卡塞格倫天線

　　2.1卡塞格倫天線簡介

　　卡塞格倫天線作為雙反射面天線的一種，其工作原理和拋物面天線具有相似之處。

　　拋物面天線利用了拋物面的反射特性，饋源位于拋物面的焦點上，直接照射到拋物面口徑上，結構和工作原理簡單。

　　但卻不能很好地通過調整饋源特性來控制天線口徑面上的波束和功率分布。

　　卡塞格倫天線由于引入了雙曲副面，并將前饋式饋源結構變為后饋式的饋源結構天線，使得饋源輻射出的電磁波經副面與主面兩次反射，到達主面口徑面上。

　　所以卡式天線能夠很好地控制天線口徑面上的場分布。

　　2.2卡塞格倫天線工作原理

　　卡式天線的工作原理和拋物面天線相似。

　　卡式天線在結構上多了一個雙曲副面，由饋源發出的球面波前首先遇到雙曲面發生反射，反射波再經拋物面作用，出現二次反射。

　　與拋物面天線的結論相似，從O2點發出的入射波經雙曲面和拋物面兩次反射后，到達拋物面口徑上各點的路徑長度都相等。

　　因而饋源所輻射的球面波前，將在主反射面口徑上變為平面波前，且呈現同相場，使卡式天線同樣具有銳波束、高增益的性能。

　　接收狀態的過程則相反，外來平面波前經拋物面和雙曲面先后作用后，射線在O2點匯聚，饋源接收到外來電波。

　　2.3卡塞格倫天線優缺點

　　雙反射面天線最大的優點是饋源位于主反射面頂點附近，給進入饋源區提供了方便，減少了饋源硬件的支撐問題，減小損耗。

　　雙反射面天線的優缺點總結如下優點：

　　(1)后饋式的饋源結構，大大縮短了饋線長度，同時也給饋源的安裝和維修提供了方便;

　　(2)由于副反射面的引入，對控制主反射面的照射增加了一個可變因素，所以天線設計的靈活度增強;

　　(3)可以通過控制賦形副反射面來改變主反射面上的照射幅度，同樣通過控制賦形主反射面可以改變相位，因此比較容易實現次所要求的級輻射方向圖;

　　(4)相對于單反射面天線來說，饋源在主反射面邊緣的漏失較小，降低了天線的噪聲溫度;

　　(5)饋源可進行寬頻帶設計，這是由于副反射面邊緣對饋源的相位中心的半張角一般小于450，多數情況可小于200;

　　(6)對于具有復雜饋源網絡的天線，雙反射面天線也適用。

　　缺點：

　　(1)由于添加了一個副面，所以遮擋變大。

　　并且副面遮擋直接影響天線的近軸旁瓣，所以天線近軸旁瓣比單反射面天線要高;

　　(2)鑒于副面邊緣要有一定的照射錐削，因此不能使用弱方向性饋源。

　　3衛星天線的調試方法

　　對于衛星天線的調試，它包括天線的方向(仰角和方位角)、饋源的位置、極化取向和極化傾斜角調整等數項內容(可根據相關材料查到所需信息)。

　　調試天線一般在天線安裝場地進行，首先要設置好衛星接收機接收電視信號的數據參數，連接好衛星接收天線上的LNB和衛星接收機、電視監視器的電纜，然后按照下面的步驟開始調整天線。

　　3.1天線的固定

　　將天線連同支架安裝在天線座架上。

　　天線的方位通常有一定的調整范圍，應保證在接收方向的左右有足夠的調整余地。

　　對于具有方位度盤和俯仰度盤的天線，應使用權之方位度盤的0°與正北方向，俯仰度盤的0°與水平面保持一致。

　　正北方向的確定，一般采用指北針測出地磁北極，再根據當地的磁偏角值進行修正，也可利用北極星或太陽確定。

　　較大的天線一般都采用分瓣包裝運輸，故在安裝時，應將各部分重新組裝起來。

　　天線組裝后，型面的誤差、主面與副面之間的相對位置、饋源與副面的相對位置，均應用專用工具進行校驗，保證誤差在允許的范圍內。

　　校驗完畢，應固緊螺栓。

　　天線饋源安裝是否合理，對天線的增益影響極大。

　　對于前饋天線，應合饋源的相位中心與拋物面焦點重合;對于后饋天線，應將饋源固定于拋物面頂部錐體的安裝孔上，并調整副反射面的距離，使拋物面能聚焦于饋源相位中心上。

　　天線的極化器安裝于饋源之后。

　　對于線極化(水平極化和垂直極化)，應使饋源輸出口的矩形波導窄邊與極化方向平行;對于圓極化波(如歷旋圓極化波)，應使矩形導波口的兩窄邊垂直線與移相器內的螺釘或介質片所在平面相交成45°角的位置。

　　3.2天線方向的調整

　　確定正南方向。

　　先由當地磁偏角年變值和參考年值(查表獲得)，計算當地當時的磁偏角(磁偏角=參考年值+年變值×年差)，然后再用羅盤(或指南針)確定地磁南極方向，最后用計算的磁偏角，修正地磁南極，得到正南方向(正南=地磁南極+磁偏角)。

　　另外，因為天線座架的實際指向一般都對著正南方向，幫可直接以天線座架的指向作參考，進行天線調整。

　　進行方向調試。

　　天線方向的調試，具體地說就是根據事先算出的仰角和方位角，將天線的這兩個角度分別調到這兩個數值上，使之對準所要接收的衛星，接收到電視信號，這就是粗調。

　　然后進行細調，使所收的信號最佳。

　　粗調是基礎，如何判斷天線的仰角和方位角已調到事先所算出的角度上呢?根據現場的條件和個人的不同條情況，可以有多種簡易而有效的方法。

　　(1)方位角的調整

　　天線安裝好以后，將高頻頭有標牌的一面水平朝上，然后利用指南針找到正南方向，并在天線的立柱上做好正南的標記。

　　同時應了解要找的衛星方位角是正南的偏東或偏西多少度。

　　然后找一皮尺測量立柱的周長為多少厘米，在用360度除以它，得到每厘米為多少度。

　　然后再用方位角去除以每厘米對應的度數，也就是得到了需要轉動多少厘米。

　　即可將天線轉動到附近位置。

　　(2)仰角的調整

　　經簡單計算與實踐得出結論，仰角應為：將計算出的仰角減去20度的值(因為采用的不同天線誤差在19度～22度之間)。

　　然后將指南針放置，細調仰角使指針為計算出的差值(誤差在正負1度之間)，這一點是天線調試成敗的關鍵。

　　下面我們簡單介紹一種方法――量角器、垂線法：

　　用一個尺寸較大一點的量角器，稍作加工，即可制成一個方便實用的簡易仰角測試器，不需作任何計算，仰角可直接隨時讀出(如圖三所示)，在量角器的圓心處小心地鉆一小孔，將一根細線固定在此，在細線的另一端系一小重物，仰角測試器就做好了。

　　使用時如前述幾種方法一樣，將其直邊垂直地靠在圓盤平面上，并使量角器刻有0°的一端朝下。

　　此時一邊轉動天線的仰角一邊可以讀出仰角值來。

　　(3)極化角的調整

　　天線指向調整前，高頻頭饋源波導口極化角P預置方向應大致正確，待收到信號后再進行細調，一般只需根據經度差(經度差=衛星所在經度-接收點經度)正負，即可大致判斷極化角正負，經度差為正時極化角也為正，經度差為負時極化角也為負，經度差絕對值越大極化角也越大。

　　根據資料可以知道極化角的參數。

　　現將高頻頭上有一橫線的標記對準天線支架上的0刻度線，人站在天線口的前面，當極化角大于零度時，高頻頭順時針轉動;當極化角小于零度時，高頻頭逆時針轉動。

　　當接收水平極化信號時，饋源波導口窄邊應平行于地面，根據經度差正負及其絕對值大小預置極化角P，待收到信號后再進行微調。

　　當接收垂直極化信號時饋源波導口寬邊應平行于地面，根據經度差正負及其絕對值大小預置極化角P。

　　Ku波段通常采用饋源一體化高頻頭，為便于區別有的饋源一體化高頻頭在其端面有“Up”標志(英文“向上”)，標有“Up”端面向上即為“水平極化”，旋轉90°即為“垂直極化”。

　　在進行上述調整時，應一邊緩慢轉動天線，一邊注意觀察電視監視器的屏幕顯示和衛星接收機的信號強度指示條，注意調整到信號最強的位置固定這一項調整位置。

　　調整時應一個項目一個項目順序進行，每調整好一個調整點就固定住它，調整順序是：方位角――〉仰角――〉極化角，全部參數都整好后，最后將天線固定。

　　4衛星天線的保養和維護

　　4.1應檢查轉動配合部件和緊固件是否生銹，如有銹斑及時清洗，涂上潤滑脂。

　　對傳動絲桿，支桿與立柱的配合面須涂潤滑脂后才安裝。

　　4.2如在主反射面上須上人時，最多容許體重較輕的1-2人，必須穿上軟底鞋，盡量踩在接縫處的筋條上，以防止反射面變形和劃傷

　　4.3如發現饋源喇叭上的薄膜破裂，要及時更換。

　　4.4饋源系統不容許進水，進水將嚴重影響天線性能，甚至會中斷通信。

　　4.5天線在露天工作，應隨時注意防銹，面漆脫落要及時補涂，對活動零部件要定期清洗，涂潤滑脂。

　　定期檢查緊固件，以防松動，特別在大風過后，要及時將松動的緊固件擰緊。

　　4.7天線的工作現場應杜絕人員逗留。

　　4.8及時清理天線上的積雪。

　　4.9天線使用兩年后，要重新將天線噴上白色醇酸磁漆。

　　4.10安裝避雷防護。

　　參考文獻

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