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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，又結構簡單維護容易，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)構成，工作原理，伺服跟蹤設備，性能指標，安裝調試及使用與維護，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)星作為中轉站，收到信號后對信號進行處理再轉發(fā)下來，同步衛(wèi)星繞地球轉動的角速度和地球自轉的角速度相同，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)星進行通信有信道穩(wěn)定、通信距離遠、跟蹤設備簡單、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，隨著經濟文化的不斷發(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)缀跞繉嵭蓄l譜復用，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，天線及跟蹤設備符合天線性能滿足ISO、CCIR-REC580、ITU標準。設計上對天線主、副面進行修正以實現(xiàn)高效率和低副瓣。先進的結構設計和加工工藝使天線結構牢固、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，通過嚴格的質量保證體系和合理的可靠性設計，天線及跟蹤系統(tǒng)的質量和可靠性得到保證。
一、系統(tǒng)構成
天線是由主反射面及其背架、副反射面及其支撐結構，四端口饋源系統(tǒng)、極化調整裝置、方位一俯仰型天線座、方位和俯仰驅動裝置等組成；伺服系統(tǒng)是國產化伺服由跟蹤下變頻器、跟蹤接收機、天線控制器等組成；其他配套設備有：饋源除冰單元、波導充氣機、避雷針和天線操作維護專用工具。7.5m固定站天線結構示意圖如圖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、副面支桿和支撐調整機構等組成。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，副面支撐調整機構可使副面進行精調，以達到副面最佳位置。
饋源由波紋喇叭、園波導、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。
極化調整裝置由定筒、動筒及鎖定裝置組成。該調整裝置轉動平穩(wěn)、調整方便，同時能夠承載四端口頻譜復用網絡、主備導換LNA等較大重量和體積的負載。
方位一俯仰型天線座架為空間立體三角架結構，由三個地腳螺栓和三根無縫鋼管立柱組成；方位驅動放于座架上部，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，方位－俯仰組合不承受扭矩，俯仰驅動支撐于座架底部，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，相應地提高了主座架的強度和剛度。
驅動裝置是使天線按所要求的方式轉動到指定的位置，使天線接收到需要的信號的裝置，分方位驅動和俯仰驅動兩種驅動除絲杠長短不同，其它部分完全相同。即絲杠付、蝸輪付和齒輪付相同。方位驅動電機和俯仰驅動電機均采用1400轉／分轉速。
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，經副面反射到主面邊沿區(qū)域的C點，然后再經主面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。
伺服跟蹤設備的主要用途是驅動天線到所需要的指向、根據天線接收到的電磁波信號進行跟蹤，使天線對準衛(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行跟蹤，自動跟蹤是由一套計算機系統(tǒng)，根據一定的條件實現(xiàn)的保證天線對準衛(wèi)星的跟蹤方式，主要有步進跟蹤、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定點上，這時將有兩種運動發(fā)生：一種是在預定點附近，以一天為周期進行循環(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)星進行自動跟蹤的設備。
圖2
步進跟蹤又稱極值跟蹤，它是一步一步地控制天線在方位面內和俯仰面內交替轉動，使天線逐步對準衛(wèi)星，直到地球站天線接收到的信號達到最大值后，系統(tǒng)才進人休息狀態(tài)。當接收信號下降超過預設的門限或跟蹤周期時間到時，又開始進人跟蹤狀態(tài)，如此周而復始地工作。設備簡單，機械效率高。步進跟蹤的缺點是在跟蹤過程中，天線始終在對準衛(wèi)星的方向周圍不斷地擺動。另外當跟蹤信號波動時，由于不能找到穩(wěn)定的最大值，天線一直在最大值附近轉動，長時間停不下來，同時也加劇了天線的機械磨損。若采取延長信號采樣時間進行濾波，將會導致跟蹤時間更長，因此在電磁環(huán)境比較惡劣的地方，步進跟蹤的跟蹤效果不好。另外，在跟蹤傾斜軌道衛(wèi)星方面，步進跟蹤也不能勝任。
單脈沖跟蹤能在一個脈沖的間隔時間內確定天線波束偏離衛(wèi)星的方向和偏差大小，伺服系統(tǒng)據此實時調整天線實現(xiàn)實時對準衛(wèi)星。單脈沖跟蹤的跟蹤速度和跟蹤精度比步進跟蹤體制要高得多，但它需要復雜的饋源系統(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，顧名思義就是根據以往系統(tǒng)記錄的跟蹤數(shù)據進行跟蹤，由于衛(wèi)星的漂移每天是有重復性的，所以根據系統(tǒng)記錄的衛(wèi)星8字形軌跡進行跟蹤，在幾天內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)已經記錄了有效的記憶跟蹤數(shù)據。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，只是根據跟蹤數(shù)據在不同時間將天線轉到相應的位置上，因此當衛(wèi)星進行位置保持時，原跟蹤數(shù)據就不能使系統(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，而且這些數(shù)據需要定期更新。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，步進跟蹤方式具有設備簡單，成本低，維護容易，跟蹤精度較高，能克服穩(wěn)風擾動，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跟蹤方式，其伺服設備含有天線控制單元（ACU）、功率驅動單元（PDU）、跟蹤接收機、下變頻器等，方位俯仰同步機及限位開關，電動極化旋轉用的軸角變換裝置。
天線控制單元（ACU）是微機控制系統(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，可進行手動控制和跟蹤，步進跟蹤和手動找星等，面板上用鍵盤完成操作。
功率驅動單元（PDU）可由人工或ACU控制進行天線電機的驅動。
跟蹤接收機把由天線上接收來的射頻信號轉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
1.電氣特性
如表2所示。
表2
2.機械性能
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。天線的主要結構件是天線頭和天線座架，其安裝過程如下：
根據天線地基要求測量地腳螺栓是否在同一水平面內，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，是否滿足圖紙設計要求；檢查地基施工情況，在地基施工滿足地基基礎技術要求后，方可進行座架安裝。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，檢查驅動裝置絲杠螺紋副間隙，避免間隙太大，造成機械空程，并將方位，俯仰驅動裝絲杠罩。
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鏈拉住；微調下軸頭組合，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，吊裝方位驅動組合，把方位驅動箱組合固于方位驅動支座上，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，注意旋轉變壓器軸與軸座輸出軸同心；
*限位開關、碰塊安裝時注意好方向，轉動范圍大小可進行調整，根據技術要求定好并把螺釘固緊即可；
*方位度盤、俯仰度盤要根據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先做好的基礎上；在中心體安裝上輻射梁，并對特征點進行檢測，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行檢測，直到精度符合技術要求；檢測合格后對把所有調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，調到座架上面后要仔細調整距離，保障可以穿上螺釘，螺釘進孔以后，吊車松勁，天線重量落在座架上，擰緊螺絲，松開鋼絲繩；天線吊裝結束后，可以吊裝饋源套筒，微波網絡，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，航空標志燈等。
五、天線的調試
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，天線的極化變要進行調整，7.5m天線設計的極化旋轉方式為微波網絡和波紋喇叭可以一起旋轉，天線的極化面也一起旋轉直到和衛(wèi)星極化一致，極化面的旋轉方式是電動，由伺服系統(tǒng)控制，必要時也可手動。
極化面調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：
*根據地球站地理位置和衛(wèi)星的經度計算出當?shù)氐臉O化角；
*根據所需要工作的極化，把饋源網絡調整到此角度附近；
*利用接收機或頻譜儀接收正交極化的衛(wèi)星信標，比如衛(wèi)星信標的極化是水平，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，微調天線極化，直到收到的信號達到最小，就認為極化已經調好；
*一般情況下，天線的極化角在天線入網時由衛(wèi)星公司協(xié)助對準。如果不更換衛(wèi)星就不再需要調整。
整個天線安裝調試入網后，天線頭作為一個整體，所有的可調處全部揹緊或焊死，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動天線時，要避免正反轉快速切換，否則會造成傳動系統(tǒng)沖擊，降低使用壽命；
*當天線長期不工作或風速超過10級（32m/s）時，應將天線朝天，進入收藏狀態(tài)；
*方位、俯仰行程開關、碰塊等均已調好，不得隨意改動；
方位換擋操作方法為：
*轉動俯仰，使天線朝天，然后轉動方位，使方位驅動轉軸中心至絲杠前端軸孔中心距離為900mm左右；
*把方位下軸座保護罩打開，將固定方位兩個行程開關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的圓筒軸座用銷軸鉸接；
*緊固碰塊。根據新的工作范圍的兩極限位置，確定行程開關的安裝位置。確定無誤后，方可緊固行程開關。
六、使用與維修
天線是室外設備，長年受到風吹、日曬、雨淋等自然條件的影響，設備的壽命長短與正確的使用和維修關系很大，設備及時地高質量地維護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的使用方法和維護步驟，這里不做過多的贅述，只有兩點需要特別指出：
第一，及時應對惡劣天氣和極端情況，經常觀察天線波紋喇叭口膜，以免損壞微波網絡及低噪聲放大器。大家知道，微波網絡及低噪聲放大器對天線來說的重要，在密閉的腔體內，要保證完好的水密性，而北京冬夏多雨雪，春秋有大風，氣候變化大，時有冰雹砸破或小鳥啄破波紋喇叭口膜，造成腔體進水損壞微波網絡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，達到國家標準規(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，高轉速，高負荷，有化學腐蝕的條件下，是對設備有優(yōu)異的潤滑性，是天線維護的首選。常見故障分析及排除見表5。
表5
七、結束語
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驗。該7.5米天線在結構上，簡單，桿件少，強度高，裝拆方便，受力合理，造型美觀，穩(wěn)定性好；在驅動裝置上，由于均采用1400轉／分轉速電機，成功地避免了天線的驅動速度太快，造成信號接收較困難，速度太慢，則接收相應太慢，且驅動箱制作困難的弊端；在伺服跟蹤設備上，采用的步進跟蹤方式，設備簡單，成本低，易維護，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；在使用維護上，無需過多依賴廠家專門人員，定期維護周期合理。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，又結構簡單維護容易的衛(wèi)星地面接收天線。
