C頻段衛(wèi)星天線的安裝設(shè)計(jì)

山東地球站 徐 洋

本文主要講述了C頻段9m天線系統(tǒng)在山東地球站的設(shè)計(jì)安裝方案，詳細(xì)論述了方案的設(shè)計(jì)原則、需求與任務(wù)分析、方案特點(diǎn)等。

天線系統(tǒng)是衛(wèi)星地球站的重要組成部分，其設(shè)計(jì)安裝的優(yōu)劣不但關(guān)系到地球站的發(fā)射性能指標(biāo)EIRP，而且關(guān)系到地球站的接收性能指標(biāo)G/T，因而直接影響到衛(wèi)星通信質(zhì)量的優(yōu)劣和系統(tǒng)容量的大小。為了確保天線系統(tǒng)能夠完成主要的功能，設(shè)計(jì)安裝的天線系統(tǒng)應(yīng)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(zhuǎn)性好和機(jī)械精密度高等要求。

1 天線系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)際需要，山東地球站設(shè)計(jì)安裝的為C頻段9m天線。在天線的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和天線的融雪裝置等方面精心優(yōu)選方案和進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）主、副反射面曲線設(shè)計(jì)

出于對(duì)傳統(tǒng)的拋物面天線的缺點(diǎn)考慮，此次安裝設(shè)計(jì)的天線采用賦形卡塞格倫天線。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)主、副反射面賦形優(yōu)化設(shè)計(jì)，使主面口面場(chǎng)分布最佳化，提高口面利用系數(shù)，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(duì)主面焦點(diǎn)的半張角ψm=85.6°，副反射面邊緣對(duì)饋源相位中心的半張角θm=21°，主反射面頂點(diǎn)到副反射面邊緣的高度H=2388.87mm。

（2）天線饋源的設(shè)計(jì)

饋源是整個(gè)天線的核心部分，由波紋喇叭和微波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。天線收發(fā)信號(hào)共用一個(gè)喇叭，收發(fā)頻段上能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)理想照射。波紋喇叭的模變換器是饋源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了展寬頻帶采用了環(huán)加載的形式。微波網(wǎng)絡(luò)由4/6GHz分波器、阻發(fā)濾波器、合路器、OMT和濾波器等組成。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在4/6GHz收發(fā)分波器、OMT和阻發(fā)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(fā)濾波器采用波導(dǎo)型的，已研制的阻發(fā)濾波器在接收頻帶電壓駐波比VSWR<1.10，插入損耗<0.05dB，對(duì)發(fā)射頻帶的抑制度>60dB，收發(fā)隔離達(dá)到了90dB以上。

1.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）天線反射體設(shè)計(jì)

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(jù)制造工藝、組裝等因素，主反射面采用分塊設(shè)計(jì)，在徑向分為兩環(huán)，圓周方向，內(nèi)環(huán)反射面分為相同的12塊扇形單元板，外環(huán)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(hào)為2A12-O型鋁板經(jīng)淬火拉伸成型反射面，Z型鋁材經(jīng)淬火拉伸成型背筋，以鉚接模臺(tái)定位把二者相鉚接而成。副反射面采用鑄鋁材料，屬整體結(jié)構(gòu)，由數(shù)控車床加工而成，其精度為≤0.15mm（R.M.S.）。反射體骨架設(shè)計(jì)由中心體，24片輻射梁，兩圈環(huán)梁構(gòu)成。中心體是天線反射體與天線座架的連接部件，同時(shí)對(duì)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(yīng)力相對(duì)比較大，對(duì)反射體骨架的結(jié)構(gòu)剛度影響也比較敏感，設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)剛度較大的雙圓筒鋼板結(jié)構(gòu)。輻射梁采用角鋼（63×6）焊接結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是平面對(duì)接，易用工裝定位保證精度，同時(shí)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(shè)有小門，以便人員對(duì)圓筒內(nèi)的微波網(wǎng)絡(luò)和LNB等設(shè)備進(jìn)行維修與更換，天線工作時(shí)，小門與中心體密封。饋源套筒是饋源網(wǎng)絡(luò)的支撐部件，分為上、下兩段，兩段套筒均為Q235A材質(zhì)、厚度為4mm的鋼板卷制焊接而成。下段為圓筒結(jié)構(gòu)，采用定動(dòng)筒方案，C頻段微波網(wǎng)絡(luò)通過兩個(gè)薄壁軸承與定筒動(dòng)連接。上段為錐筒結(jié)構(gòu)，其上端面和C頻段波紋喇叭定位連接，下端面與動(dòng)筒止口定位，法蘭螺栓連接。

（2）天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在伺服設(shè)備控制下，使天線準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。座架采用方位主立柱、俯仰絲杠式結(jié)構(gòu)，由座架、方位和俯仰驅(qū)動(dòng)裝置、方位和俯仰同步裝置、方位和俯仰限位裝置、平臺(tái)及其扶手梯等組成。驅(qū)動(dòng)裝置由方位驅(qū)動(dòng)裝置和俯仰驅(qū)動(dòng)裝置組成，兩種驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)組成相同。方位、俯仰驅(qū)動(dòng)裝置均為絲杠式。驅(qū)動(dòng)裝置的減速器采用SG-71型平面二次包絡(luò)面蝸桿副，方位、俯仰驅(qū)動(dòng)采用NGW單級(jí)臥式漸開線行星齒輪減速器。電機(jī)選用雙速交流電機(jī)，型號(hào)為YD160L-16/4H（臥式），為密封式三防電機(jī)，額定功率為2.2kW，方位與俯仰電機(jī)相同。驅(qū)動(dòng)鏈末級(jí)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(dòng)。方位、俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)都選用雙速交流電機(jī)。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(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，用以反映天線的位置信息。為了天線在安全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在天線方位和俯仰軸頭上安裝安全限位保護(hù)裝置，使天線能夠安全運(yùn)行。限位裝置由行程開關(guān)和碰塊組成。在方位和俯仰軸旋轉(zhuǎn)范圍兩端的極限位置，分別安裝一個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)天線轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)，碰塊觸碰開關(guān)，切斷電源。方位和俯仰編碼器通過聯(lián)軸節(jié)安裝在方位和俯仰軸的一端，把方位和俯仰軸的所轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過天線控制單位實(shí)時(shí)顯示天線角度。

（3）避雷設(shè)計(jì)

在天線的副面頂點(diǎn)和反射體骨架最高點(diǎn)各設(shè)置一根避雷針，通過避雷線與地線接通。

1.3 天線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天線控制系統(tǒng)設(shè)備采用VertexRSI公司的Model 7200型天線控制系統(tǒng)和Model 253型L頻段信標(biāo)接收機(jī)。Model 7200型天線控制系統(tǒng)由天線控制單元、7150天線驅(qū)動(dòng)單元以及安裝在天線座上的位置傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。天線控制單元可實(shí)現(xiàn)人工跟蹤、步進(jìn)跟蹤、軌道預(yù)測(cè)跟蹤、程序跟蹤、預(yù)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(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度、系統(tǒng)工作狀態(tài)和系統(tǒng)的報(bào)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(jiǎn)單明了，便于操作。天線驅(qū)動(dòng)單元是為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供功率的部件，驅(qū)動(dòng)單元采用變頻調(diào)速器作為驅(qū)動(dòng)元件，通過改變頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且具有完善的保護(hù)功能，三軸系統(tǒng)提供了交流極化電機(jī)的控制電路。方位和俯仰電機(jī)控制器應(yīng)用了一體化的電子保護(hù)。驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)還有一手持式維修單元，可以在驅(qū)動(dòng)單元本地控制天線方位、俯仰和極化軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，維修單元上有液晶顯示方位、俯仰、極化角度和信號(hào)電平。驅(qū)動(dòng)柜為每一電機(jī)/電機(jī)控制器配備了符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)的，其規(guī)格適應(yīng)各種應(yīng)用的電路保護(hù)設(shè)備。驅(qū)動(dòng)柜箱體符合NEMA 4X標(biāo)準(zhǔn)，具備優(yōu)良的抗腐蝕保護(hù)能力。253跟蹤接收機(jī)是VertexRSI公司高質(zhì)量、高性價(jià)比的解決方案，提供衛(wèi)星信標(biāo)從射頻RF或中頻IF到直流跟蹤信號(hào)的轉(zhuǎn)換。接收機(jī)把反映信標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的直流電壓信號(hào)送給天線控制單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星，另外把反映信標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的直流電壓信號(hào)送給UPC實(shí)現(xiàn)上行鏈路的自動(dòng)增益控制。

1.4 天線的融雪裝置設(shè)計(jì)

天線融雪裝置由天線加熱單元、室內(nèi)遠(yuǎn)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(qū)分為8個(gè)，其中每個(gè)區(qū)均由3～4塊扇形面板組成，各區(qū)都安置了測(cè)溫點(diǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控端即安裝在播出機(jī)房電腦上的監(jiān)控軟件，電腦通過網(wǎng)線和交換設(shè)備與室外控制柜內(nèi)各區(qū)控制器相連。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線加熱裝置的控制，實(shí)現(xiàn)加熱參數(shù)設(shè)置，控制天線加熱除雪的開始和停止，顯示天線各個(gè)區(qū)域的溫度、電流、功率和加熱狀態(tài)。

2 總結(jié)

系統(tǒng)的技術(shù)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性是反映系統(tǒng)特征的三大要素，近年來隨著對(duì)天線系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠性要求的提高，可靠性設(shè)計(jì)越來越得到使用者廣泛的重視。安裝設(shè)計(jì)過程中在滿足性能指標(biāo)和功能的前提下，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，選用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化成熟的部件，并進(jìn)行優(yōu)化。天線系統(tǒng)安裝完成后，經(jīng)過近兩年的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性非常好，完全達(dá)到應(yīng)用要求。