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)射或接收的導行波能量之間進行轉換的設備，也是決定地球站傳輸質(zhì)量的關鍵設備之一，做好天饋線系統(tǒng)的維護工作，對衛(wèi)星地球站至關重要。

1 組成及原理

天饋線系統(tǒng)主要包括天線主體設備、饋電設備、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)過波導饋線送至天線，經(jīng)天線的網(wǎng)絡系統(tǒng)進行能量轉換將高頻信號轉換成相應的電磁波信號，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)星信標信號經(jīng)過低噪聲放大和變頻后送至信標接收機，信標接收機將其變換成和信標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)信號變化驅動天線對準衛(wèi)星。

天饋線系統(tǒng)的主要功能有兩點: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)星轉發(fā)的微弱微波信號接收下來，進行變頻放大送至用戶接收單元；3）驅動天線對準衛(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衛(wèi)星。下面逐一對各部分進行介紹。

1）天線系統(tǒng)主體設備

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、適于電波遠距離傳輸?shù)忍攸c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一周構成。

2）饋電設備

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

饋源喇叭（即一次輻射器）裝在饋電設備的最前端，負責向天線（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)生與旋轉軸對稱的尖銳輻射圖形。

安裝在饋源喇叭之后的波導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，達到收、發(fā)共用一副天線。與高功放和接收機以及波導元件相連接的饋線通常是一些矩形波導、橢圓形波導等。

3）飼服系統(tǒng)

飼服系統(tǒng)主要用于驅動天線跟蹤衛(wèi)星，保證天線始終對準衛(wèi)星。主要設備有天線控制器和信標接收機。

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，分出一路到信標接收機，信標接收機首先將信標信號變?yōu)橹蓄l信號。然后輸出與信標信號強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動單元，驅動相應的電機，使天線對準衛(wèi)星，天線控制器接收來自驅動單元反饋的系統(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

天線控制器是微機控制單元，在飼服系統(tǒng)中起著重要作用，所有有關天線跟蹤控制的參數(shù)均在天線控制器進行設置，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。

信標接收機的任務是把天線接收下來的微波信號進行放大，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)處理后驅動天線，使天線對準衛(wèi)星，使天線獲得最佳增益，因此要求信標接收機靈敏度高、噪聲小、失真小，還要輸出直流信號穩(wěn)定，無零點漂移。跟蹤接收機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:步進跟蹤、優(yōu)化跟蹤和手動跟蹤。其中步進跟蹤模式較為常用。

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，通常要滿足以下基本要求。

1）寬頻帶

收發(fā)信設備在500 MHz（或800 MHz擴展頻段）的頻帶范圍內(nèi)都應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)射機最大的輸出功率。

6）旋轉特性好

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衛(wèi)星，因此地球站天線應具備調(diào)整功能，調(diào)整范圍是方位角為0°～180°，仰角為0°～90°。

7）機械精密度高

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

3 維護項目及周期

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)的維護工作十分重要，維護工作主要有以下幾點。

3.1 維護原則

1）保證播出業(yè)務不中斷；

2）保證系統(tǒng)正常工作；

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

4）針對不同的設備和不同的運行環(huán)境，制定不同的維護周期。

3.2 維護任務

1）天線的維護

（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行補漆；

（2）天線傳動裝置工作是否正常，電機有無異響、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，必要時進行補充或修理；

（4）室外線纜是否完好；

（5）天線限位開關接觸是否良好；

（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）饋電設備

（1）饋源膜是否完好；

（2）波導連接緊固情況；

（3）室外波導有無破損；

（4）充氣機工作否正常。

3）飼服系統(tǒng)

（1）設備工作是否正常；

（2）參數(shù)設置情況核查；

（3）散熱風扇工作情況；

（4）線纜連接緊固情況；

（5）工作環(huán)境是否正常。

3.3 維護周期

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

1）日檢

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

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

（3）伺服系統(tǒng)設備。檢查各參數(shù)是否正常；檢查風扇轉動情況；檢查濾網(wǎng)清潔情況；檢查信標接收機機箱溫度是否正常；檢查設備運行環(huán)境是否正常。

2）周檢

（1）天線主體設備。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；檢查絲桿護套有無破損；檢查電機和傳動箱有無漏油；檢查限位開關是否完好。

（2）饋電設備。檢查連接軟波導有無損壞；檢查波導饋線有無破損；檢查充氣機充氣、保壓情況。

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

3）月檢

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

（2）饋電設備。檢查饋源膜有無破裂，檢查密封情況；檢查波導連接情況和波導密封情況；檢查波導充氣機的間隔，檢查干燥劑變色情況，必要時進行更換。

（3）伺服系統(tǒng)設備。清潔天線控制器室外單元；檢查天線控制器和信標接收機工作情況，核查各運行參數(shù)設置；檢查散熱風扇的工作情況；檢查設備接地情況；清潔設備濾網(wǎng)。

4）年檢

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

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

（3）伺服系統(tǒng)設備。對天線控制器和信標接收機進行開箱除塵，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)進行核查，對參數(shù)進行備份；對信標接收機參數(shù)進行核查；對設備連接線纜接頭進行緊固；對天線控制器和信標接收機的內(nèi)部電池電壓進行測試，必要時進行更換；對天線控制器的各項功能進行測試；對天線手速單元調(diào)整天線功能進行驗證。

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)，它的好壞直接關系到通信業(yè)務的正常與否，了解系統(tǒng)的原理及組成，掌握系統(tǒng)的運行維護周期，對做好衛(wèi)星地球站的安全播出工作有很大幫助。

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