衛(wèi)星地球站天饋線系統(tǒng)的原理及維護(hù)

張金虎

（國家廣播電影電視總局 北京地球站，北京 102206）

天線饋線系統(tǒng)是衛(wèi)星地球站的重要組成部分之一，是實現(xiàn)自由空間傳播的電磁波能量與發(fā)射或接收的導(dǎo)行波能量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)備，也是決定地球站傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備之一，做好天饋線系統(tǒng)的維護(hù)工作，對衛(wèi)星地球站至關(guān)重要。

1 組成及原理

天饋線系統(tǒng)主要包括天線主體設(shè)備、饋電設(shè)備、伺服系統(tǒng)三部分，組成原理如圖1所示。

來自高功放的射頻信號經(jīng)過波導(dǎo)饋線送至天線，經(jīng)天線的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換將高頻信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電磁波信號，通過饋源向空間輻射；來自衛(wèi)星的微弱電磁波信號經(jīng)過天線系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)換所需的信號，經(jīng)過低噪聲放大和變頻后通過饋線送至用戶接收單元；同時天線接收來自衛(wèi)星信標(biāo)信號經(jīng)過低噪聲放大和變頻后送至信標(biāo)接收機(jī)，信標(biāo)接收機(jī)將其變換成和信標(biāo)信號成比例的直流信號送給天線控制器，天線控制器根據(jù)信號變化驅(qū)動天線對準(zhǔn)衛(wèi)星。

天饋線系統(tǒng)的主要功能有兩點(diǎn):1）將高功放產(chǎn)生的大功率微波信號以電磁波的形式發(fā)往衛(wèi)星；2）將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的微弱微波信號接收下來，進(jìn)行變頻放大送至用戶接收單元；3）驅(qū)動天線對準(zhǔn)衛(wèi)星。

在天饋線系統(tǒng)中，天線的基本功能是輻射和接收電磁波，饋電設(shè)備主要起著傳輸能量和分離電波的作用，而伺服系統(tǒng)則主要是為了保證天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。下面逐一對各部分進(jìn)行介紹。

1）天線系統(tǒng)主體設(shè)備

天線是衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響整個通信系統(tǒng)的性能。衛(wèi)星地球站上行天線與衛(wèi)星之間的距離為36000 km，為保證信號的有效傳輸，多數(shù)衛(wèi)星上行地球站采用了具有高增益、低旁瓣、方向性強(qiáng)、適于電波遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)的反射面型天線。目前，國內(nèi)廣播電視傳輸使用的衛(wèi)星發(fā)射天線主要有卡塞格倫、格里高利和環(huán)焦3種類型的雙反射面天線。天線主面均為拋物面、饋源為后饋類型，卡塞格倫天線的副面為雙曲面，格里高利天線的副面為橢球面，而環(huán)焦天線的副面為橢球弧旋轉(zhuǎn)一周構(gòu)成。

2）饋電設(shè)備

饋電設(shè)備接在天線主體設(shè)備與高功放和接收機(jī)之間，起著傳輸能量和分離電波的作用。饋電設(shè)備的要求損耗足夠小以保證傳輸能量的高效率。典型的饋電設(shè)備由饋源喇叭、波導(dǎo)元件和饋線所組成。

饋源喇叭（即一次輻射器）裝在饋電設(shè)備的最前端，負(fù)責(zé)向天線（副反射面）輻射能量和從天線收集電波，它的形式有圓錐喇叭、喇叭形輻射器和波紋喇叭等。對饋源喇叭主要的要求是能產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)軸對稱的尖銳輻射圖形。

安裝在饋源喇叭之后的波導(dǎo)元件大部分屬于定向耦合器、極化變換器和雙工器等，它們是用來分離電波和變換電波極化方式的，目的是使收信和發(fā)信信號之間既不相互干擾，又能高效率地進(jìn)行傳輸。

雙工器是用來解決收、發(fā)共用一副天線的問題。實際上，它一方面利用發(fā)送波和接收波因極化正交而產(chǎn)生隔離作用，另一方面利用發(fā)送波和接收波的頻率不同（如C波段的發(fā)6 GHz，收4 GHz）而產(chǎn)生的隔離作用，達(dá)到收、發(fā)共用一副天線。與高功放和接收機(jī)以及波導(dǎo)元件相連接的饋線通常是一些矩形波導(dǎo)、橢圓形波導(dǎo)等。

3）飼服系統(tǒng)

飼服系統(tǒng)主要用于驅(qū)動天線跟蹤衛(wèi)星，保證天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。主要設(shè)備有天線控制器和信標(biāo)接收機(jī)。

伺服系統(tǒng)跟蹤原理如圖2所示，由圖中可以看出天線控制器的重要作用:天線接收的下行信號經(jīng)過低噪聲放大器后，分出一路到信標(biāo)接收機(jī)，信標(biāo)接收機(jī)首先將信標(biāo)信號變?yōu)橹蓄l信號。然后輸出與信標(biāo)信號強(qiáng)度成正比的直流電壓到天線控制器，天線控制器利用這個直流電壓信號，輸出控制信號到天線驅(qū)動單元，驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)，使天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，天線控制器接收來自驅(qū)動單元反饋的系統(tǒng)告警情況，同時天線控制器通過方位/俯仰/極化傳感器實時顯示天線角度。

圖2 天線跟蹤系統(tǒng)原理方框圖

天線控制器是微機(jī)控制單元，在飼服系統(tǒng)中起著重要作用，所有有關(guān)天線跟蹤控制的參數(shù)均在天線控制器進(jìn)行設(shè)置，并通過天線控制器完成天線的跟蹤控制。天線控制器還可以直觀顯示天線的方位、俯仰、極化角度信息，電平信息，跟蹤方式，告警情況等狀態(tài)。根據(jù)天線的要求不同，天線控制器的繁簡程度也不一樣，但天線控制器的基本功能是一樣的。

信標(biāo)接收機(jī)的任務(wù)是把天線接收下來的微波信號進(jìn)行放大，并把它的幅度變成直流信號，直流信號的大小正比于信標(biāo)信號大小。此信號作為誤差控制電壓，送入天線飼服控制系統(tǒng)，經(jīng)處理后驅(qū)動天線，使天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，使天線獲得最佳增益，因此要求信標(biāo)接收機(jī)靈敏度高、噪聲小、失真小，還要輸出直流信號穩(wěn)定，無零點(diǎn)漂移。跟蹤接收機(jī)要具有全頻段接收能力（包括S，L，C，KU等），捕捉帶寬要窄。

衛(wèi)星地球站的天線跟蹤主要有3種模式:步進(jìn)跟蹤、優(yōu)化跟蹤和手動跟蹤。其中步進(jìn)跟蹤模式較為常用。

2 基本要求

若使天饋線系統(tǒng)正常工作，保證衛(wèi)星地球站的正常通信業(yè)務(wù)，通常要滿足以下基本要求。

1）寬頻帶

收發(fā)信設(shè)備在500 MHz（或800 MHz擴(kuò)展頻段）的頻帶范圍內(nèi)都應(yīng)具有增益高和匹配好的特性。故要求天線及饋電電路的極化變換器等電路元件的特性應(yīng)具有寬頻特性。

2）高增益

為了提高地球站的EIRP值和G/T值，都要求天線增益盡量高，為此衛(wèi)星地球站要選用大口徑高、效率天線，衛(wèi)星地球站發(fā)射天線口徑一般在9 m以上，天線效率η一般為60%～75%。

3）低旁瓣

這主要是從相鄰衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間及其與地面微波中繼通信系統(tǒng)之間電磁兼容性（抗干擾）來考慮的，一般要求天線:G≤－14 dBi（第一旁瓣）；G≤29－25lgθ（dBi）（1°≤θ≤48°）。其中:G為天線增益，單位“dBi”；θ為天線主波束偏離主軸方向的角度，單位“°”。

4）低噪聲溫度

為了降低接收系統(tǒng)的總噪聲，除了減少饋線損耗外，還要減少進(jìn)入天線的等效噪聲溫度Tα。天線仰角為5°時，一般Tα為50°K左右；天線仰角為90°時，Tα約25°K。

5）低損耗

饋電系統(tǒng)應(yīng)具有損耗小、頻帶寬、匹配好，收、發(fā)通道之間的隔離度大，對發(fā)射通道還要求能耐受發(fā)射機(jī)最大的輸出功率。

6）旋轉(zhuǎn)特性好

為了保證通信質(zhì)量要求衛(wèi)星地球站上行天線要實時對準(zhǔn)衛(wèi)星，因此地球站天線應(yīng)具備調(diào)整功能，調(diào)整范圍是方位角為0°～180°，仰角為0°～90°。

7）機(jī)械精密度高

為達(dá)到和保持規(guī)定的天線方向性，應(yīng)該提高一次輻射器和主副反射面的精密度，并且要具有機(jī)械剛性，保證在強(qiáng)風(fēng)（8級風(fēng)）條件下能正常工作，10級風(fēng)降低精度工作。

3 維護(hù)項目及周期

天饋線系統(tǒng)是衛(wèi)星地球站播出系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，做好天饋線系統(tǒng)的維護(hù)工作十分重要，維護(hù)工作主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 維護(hù)原則

1）保證播出業(yè)務(wù)不中斷；

2）保證系統(tǒng)正常工作；

3）保證系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，保證機(jī)房內(nèi)部的清潔度，設(shè)備的工作溫度在25℃±2℃，濕度在30%～65%；

4）針對不同的設(shè)備和不同的運(yùn)行環(huán)境，制定不同的維護(hù)周期。

3.2 維護(hù)任務(wù)

1）天線的維護(hù)

（1）天線的主面、副面及天線主體有無漆面脫落，脫落面積較大時及時進(jìn)行補(bǔ)漆；

（2）天線傳動裝置工作是否正常，電機(jī)有無異響、發(fā)熱現(xiàn)象；

（3）天線傳動裝置潤滑油液面是否降低，有無漏油現(xiàn)象，必要時進(jìn)行補(bǔ)充或修理；

（4）室外線纜是否完好；

（5）天線限位開關(guān)接觸是否良好；

（6）天線絲桿潤滑情況；

（7）天線的接地電阻是否合格；

（8）天線的電性能指標(biāo)是否合格，主要是增益、方向圖、駐波比和極化隔離度。

2）饋電設(shè)備

（1）饋源膜是否完好；

（2）波導(dǎo)連接緊固情況；

（3）室外波導(dǎo)有無破損；

（4）充氣機(jī)工作否正常。

3）飼服系統(tǒng)

（1）設(shè)備工作是否正常；

（2）參數(shù)設(shè)置情況核查；

（3）散熱風(fēng)扇工作情況；

（4）線纜連接緊固情況；

（5）工作環(huán)境是否正常。

3.3 維護(hù)周期

針對天饋線系統(tǒng)設(shè)備組成情況，結(jié)合實際運(yùn)行中的經(jīng)驗制定了各設(shè)備的維護(hù)周期，各單位可以根據(jù)設(shè)備的自身運(yùn)行情況，制定出適合自己的維護(hù)周期，具體維護(hù)周期及內(nèi)容如下。

1）日檢

（1）天線主體設(shè)備。檢查天線周圍有無障礙物；檢查天線驅(qū)動電機(jī)聲音是否異常；檢查機(jī)械部分有無損壞。

（2）饋電設(shè)備。檢查天線饋源膜是否破裂；檢查連接波導(dǎo)有無損壞；檢查充氣機(jī)工作狀態(tài)；檢查干燥劑是否變色。

（3）伺服系統(tǒng)設(shè)備。檢查各參數(shù)是否正常；檢查風(fēng)扇轉(zhuǎn)動情況；檢查濾網(wǎng)清潔情況；檢查信標(biāo)接收機(jī)機(jī)箱溫度是否正常；檢查設(shè)備運(yùn)行環(huán)境是否正常。

2）周檢

（1）天線主體設(shè)備。檢查天線主面、副面、天線主體有無掉漆；檢查室外線纜絕緣情況；檢查絲桿護(hù)套有無破損；檢查電機(jī)和傳動箱有無漏油；檢查限位開關(guān)是否完好。

（2）饋電設(shè)備。檢查連接軟波導(dǎo)有無損壞；檢查波導(dǎo)饋線有無破損；檢查充氣機(jī)充氣、保壓情況。

（3）伺服系統(tǒng)設(shè)備。核查各參數(shù)是否正常；檢查風(fēng)扇轉(zhuǎn)動情況；清潔設(shè)備濾網(wǎng)；檢查線纜接頭緊固情況。

3）月檢

（1）天線主體設(shè)備。檢查天線電機(jī)和傳動箱潤滑油液面是否降低，必要時進(jìn)行補(bǔ)充；檢查室外線纜有無老化破損，必要時進(jìn)行更換；檢查線纜接頭和端子接觸情況；測試天線限位開關(guān)是否起作用；檢查天線連接部分的緊固情況。

（2）饋電設(shè)備。檢查饋源膜有無破裂，檢查密封情況；檢查波導(dǎo)連接情況和波導(dǎo)密封情況；檢查波導(dǎo)充氣機(jī)的間隔，檢查干燥劑變色情況，必要時進(jìn)行更換。

（3）伺服系統(tǒng)設(shè)備。清潔天線控制器室外單元；檢查天線控制器和信標(biāo)接收機(jī)工作情況，核查各運(yùn)行參數(shù)設(shè)置；檢查散熱風(fēng)扇的工作情況；檢查設(shè)備接地情況；清潔設(shè)備濾網(wǎng)。

4）年檢

（1）天線主體設(shè)備。檢查線纜絕緣情況，檢查線纜接頭連接情況，并進(jìn)行緊固；測試限位開關(guān)功能；檢查天線主面、副面、天線主體有無掉漆，對面積較大的進(jìn)行補(bǔ)漆；對絲桿進(jìn)行檢查，對潤滑脂進(jìn)行清洗、重新上潤滑脂；檢查絲杠護(hù)套有無破損，必要時進(jìn)行更換；檢查電機(jī)和傳動系統(tǒng)，更換潤滑油；大范圍轉(zhuǎn)動天線的方位和俯仰（±10°），防止天線銹死；檢查天線連接部分，并進(jìn)行緊固；檢查天線的防雷接地情況，對接地電阻進(jìn)行測試；入冬前對天線饋源除冰系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證工作正常；有天線除雪裝置的在入冬前也要進(jìn)行檢查，保證工作正常；對天線的電性能指標(biāo)進(jìn)行測試，包括增益、方向圖和極化隔離度；每3年對天線進(jìn)行噴漆一次。

（2）饋電設(shè)備。對波導(dǎo)連接情況進(jìn)行檢查，對波導(dǎo)進(jìn)行緊固；檢查波導(dǎo)饋線、軟波導(dǎo)有無破損，對軟波導(dǎo)連接處進(jìn)行密封；檢查波導(dǎo)有無發(fā)熱現(xiàn)象；每年對饋源膜進(jìn)行更換；對波導(dǎo)密封情況進(jìn)行檢查，對充氣機(jī)的充氣和保壓情況進(jìn)行測試，對干燥劑進(jìn)行檢查，必要時進(jìn)行更換；對系統(tǒng)駐波比進(jìn)行測試。

（3）伺服系統(tǒng)設(shè)備。對天線控制器和信標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行開箱除塵，檢查螺絲和接頭固定情況；對天線控制器室外單元進(jìn)行除塵，檢查螺絲和接頭固定情況；對天線控制器的各項參數(shù)進(jìn)行核查，對參數(shù)進(jìn)行備份；對信標(biāo)接收機(jī)參數(shù)進(jìn)行核查；對設(shè)備連接線纜接頭進(jìn)行緊固；對天線控制器和信標(biāo)接收機(jī)的內(nèi)部電池電壓進(jìn)行測試，必要時進(jìn)行更換；對天線控制器的各項功能進(jìn)行測試；對天線手速單元調(diào)整天線功能進(jìn)行驗證。

天饋線系統(tǒng)作為衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，它的好壞直接關(guān)系到通信業(yè)務(wù)的正常與否，了解系統(tǒng)的原理及組成，掌握系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)周期，對做好衛(wèi)星地球站的安全播出工作有很大幫助。

[1]《衛(wèi)星通信設(shè)備操作維護(hù)手冊》編寫組.衛(wèi)星通信設(shè)備操作維護(hù)手冊[M].北京:人民郵電出版社，2009.

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