C頻段衛星天線的安裝設計

山東地球站 徐 洋

本文主要講述了C頻段9m天線系統在山東地球站的設計安裝方案，詳細論述了方案的設計原則、需求與任務分析、方案特點等。

天線系統是衛星地球站的重要組成部分，其設計安裝的優劣不但關系到地球站的發射性能指標EIRP，而且關系到地球站的接收性能指標G/T，因而直接影響到衛星通信質量的優劣和系統容量的大小。為了確保天線系統能夠完成主要的功能，設計安裝的天線系統應滿足高天線增益、低噪聲溫度、寬頻帶特性、天線波束寬度窄，旁瓣電平低、旋轉性好和機械精密度高等要求。

1 天線系統安裝設計方案

根據實際需要，山東地球站設計安裝的為C頻段9m天線。在天線的結構系統、天饋系統、伺服系統和天線的融雪裝置等方面精心優選方案和進行了優化設計。

1.1 天饋系統設計

（1）主、副反射面曲線設計

出于對傳統的拋物面天線的缺點考慮，此次安裝設計的天線采用賦形卡塞格倫天線。利用計算機技術對主、副反射面賦形優化設計，使主面口面場分布最佳化，提高口面利用系數，改善天線增益。如圖1所示：主反射面直徑Dm=9000mm，副反射面直徑Ds=883mm，主反射面邊緣對主面焦點的半張角ψm=85.6°，副反射面邊緣對饋源相位中心的半張角θm=21°，主反射面頂點到副反射面邊緣的高度H=2388.87mm。

（2）天線饋源的設計

饋源是整個天線的核心部分，由波紋喇叭和微波網絡構成。天線收發信號共用一個喇叭，收發頻段上能夠同時實現理想照射。波紋喇叭的模變換器是饋源設計的關鍵，為了展寬頻帶采用了環加載的形式。微波網絡由4/6GHz分波器、阻發濾波器、合路器、OMT和濾波器等組成。網絡設計要滿足駐波、軸比、端口隔離度等要求外，還要能夠承受大功率。由于本站使用的功率較小，因此設計的重點放在4/6GHz收發分波器、OMT和阻發濾波器上。已研制的OMT兩輸入臂的VSWR≤1.10，兩臂之間的隔離度>40dB。

阻發濾波器采用波導型的，已研制的阻發濾波器在接收頻帶電壓駐波比VSWR<1.10，插入損耗<0.05dB，對發射頻帶的抑制度>60dB，收發隔離達到了90dB以上。

1.2 結構系統設計

（1）天線反射體設計

圖1 9m天線主、副反射面曲線

天線反射體的主要部件是主副反射面、骨架和饋源套筒等。根據制造工藝、組裝等因素，主反射面采用分塊設計，在徑向分為兩環，圓周方向，內環反射面分為相同的12塊扇形單元板，外環分為相同的24塊扇形單元板。單塊扇形板是用厚度為2mm、型號為2A12-O型鋁板經淬火拉伸成型反射面，Z型鋁材經淬火拉伸成型背筋，以鉚接模臺定位把二者相鉚接而成。副反射面采用鑄鋁材料，屬整體結構，由數控車床加工而成，其精度為≤0.15mm（R.M.S.）。反射體骨架設計由中心體，24片輻射梁，兩圈環梁構成。中心體是天線反射體與天線座架的連接部件，同時對輻射梁起支撐作用，并將反射體的載荷下傳到天線座架上。因此其應力相對比較大，對反射體骨架的結構剛度影響也比較敏感，設計采用了結構剛度較大的雙圓筒鋼板結構。輻射梁采用角鋼（63×6）焊接結構，特點是平面對接，易用工裝定位保證精度，同時角鋼屬于開放型材，三防處理效果好。在中心體圓筒下端面設有小門，以便人員對圓筒內的微波網絡和LNB等設備進行維修與更換，天線工作時，小門與中心體密封。饋源套筒是饋源網絡的支撐部件，分為上、下兩段，兩段套筒均為Q235A材質、厚度為4mm的鋼板卷制焊接而成。下段為圓筒結構，采用定動筒方案，C頻段微波網絡通過兩個薄壁軸承與定筒動連接。上段為錐筒結構，其上端面和C頻段波紋喇叭定位連接，下端面與動筒止口定位，法蘭螺栓連接。

（2）天線座架結構設計

天線座架主要是為天線提供支撐并完成天線在方位和俯仰面的轉動，同時在伺服設備控制下，使天線準確地對準衛星。座架采用方位主立柱、俯仰絲杠式結構，由座架、方位和俯仰驅動裝置、方位和俯仰同步裝置、方位和俯仰限位裝置、平臺及其扶手梯等組成。驅動裝置由方位驅動裝置和俯仰驅動裝置組成，兩種驅動裝置結構組成相同。方位、俯仰驅動裝置均為絲杠式。驅動裝置的減速器采用SG-71型平面二次包絡面蝸桿副，方位、俯仰驅動采用NGW單級臥式漸開線行星齒輪減速器。電機選用雙速交流電機，型號為YD160L-16/4H（臥式），為密封式三防電機，額定功率為2.2kW，方位與俯仰電機相同。驅動鏈末級為絲桿—絲母副，具有自鎖能力，天線可以在任意位置上安全制動。方位、俯仰驅動電機都選用雙速交流電機。方位和俯仰同步裝置分別安裝在方位和俯仰軸頭上，各軸的轉角轉換成電信號輸出，用以反映天線的位置信息。為了天線在安全范圍內轉動，在天線方位和俯仰軸頭上安裝安全限位保護裝置，使天線能夠安全運行。限位裝置由行程開關和碰塊組成。在方位和俯仰軸旋轉范圍兩端的極限位置，分別安裝一個行程開關，當天線轉至極限位置時，碰塊觸碰開關，切斷電源。方位和俯仰編碼器通過聯軸節安裝在方位和俯仰軸的一端，把方位和俯仰軸的所轉角度轉換成電信號通過天線控制單位實時顯示天線角度。

（3）避雷設計

在天線的副面頂點和反射體骨架最高點各設置一根避雷針，通過避雷線與地線接通。

1.3 天線控制系統設計

天線控制系統設備采用VertexRSI公司的Model 7200型天線控制系統和Model 253型L頻段信標接收機。Model 7200型天線控制系統由天線控制單元、7150天線驅動單元以及安裝在天線座上的位置傳感器和驅動電機等組成。天線控制單元可實現人工跟蹤、步進跟蹤、軌道預測跟蹤、程序跟蹤、預置位置跟蹤等多種方式的跟蹤。天線控制單元配有大屏幕液晶顯示器，天線的方位和俯仰、信標信號的強度、系統工作狀態和系統的報警信息等都能夠直觀的在液晶顯示器上顯示出來。天線控制單元采用按鍵的形式，簡單明了，便于操作。天線驅動單元是為驅動電機提供功率的部件，驅動單元采用變頻調速器作為驅動元件，通過改變頻率來調節電機轉速，而且具有完善的保護功能，三軸系統提供了交流極化電機的控制電路。方位和俯仰電機控制器應用了一體化的電子保護。驅動單元內還有一手持式維修單元，可以在驅動單元本地控制天線方位、俯仰和極化軸的轉動，維修單元上有液晶顯示方位、俯仰、極化角度和信號電平。驅動柜為每一電機/電機控制器配備了符合NEMA標準的，其規格適應各種應用的電路保護設備。驅動柜箱體符合NEMA 4X標準，具備優良的抗腐蝕保護能力。253跟蹤接收機是VertexRSI公司高質量、高性價比的解決方案，提供衛星信標從射頻RF或中頻IF到直流跟蹤信號的轉換。接收機把反映信標信號強度的直流電壓信號送給天線控制單元實現自動跟蹤衛星，另外把反映信標信號強度的直流電壓信號送給UPC實現上行鏈路的自動增益控制。

1.4 天線的融雪裝置設計

天線融雪裝置由天線加熱單元、室內遠程控制和室外控制柜三部分組成。電加熱器固定在天線背面，由供電電纜接到控制柜。固定方式為抹膠后以玻璃纖維布覆蓋，在最外層以玻璃鋼板密封。9m拋物面天線加熱區分為8個，其中每個區均由3～4塊扇形面板組成，各區都安置了測溫點。遠程監控端即安裝在播出機房電腦上的監控軟件，電腦通過網線和交換設備與室外控制柜內各區控制器相連。遠程監控系統實現對天線加熱裝置的控制，實現加熱參數設置，控制天線加熱除雪的開始和停止，顯示天線各個區域的溫度、電流、功率和加熱狀態。

2 總結

系統的技術性、可靠性和經濟性是反映系統特征的三大要素，近年來隨著對天線系統穩定性可靠性要求的提高，可靠性設計越來越得到使用者廣泛的重視。安裝設計過程中在滿足性能指標和功能的前提下，簡化設計方案，選用系列化、標準化、模塊化成熟的部件，并進行優化。天線系統安裝完成后，經過近兩年的運行，系統穩定性非常好，完全達到應用要求。