衛(wèi)星通信大口徑拋物面天線維護檢修和測試

徐景利，汪 洋

（安徽廣播電視臺，安徽 合肥 230071）

衛(wèi)星通信地球站使用的發(fā)射天線是大口徑拋物面天線，作為衛(wèi)星地球站的射頻信號輸入和輸出通道，拋物面天線系統(tǒng)的性能優(yōu)劣影響著整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能指標。因此，日常的維護保養(yǎng)對于大口徑拋物面天線是一個很重要的環(huán)節(jié)，本文結(jié)合最近進行的拋物面天線的維護檢修和一些測試，簡單分享一些維護檢修的基礎(chǔ)知識。大口徑拋物面天線一般由天線結(jié)構(gòu)、伺服控制系統(tǒng)、天線控制系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)等組成。天線方向圖和天線增益是天線的重要指標，利用頻譜儀連接天線下行接收端口，可以測試并記錄天線接收的方向圖，利用方向圖的相關(guān)參數(shù)，可以通過一個經(jīng)驗公式簡單計算出天線的增益值，了解掌握天線的發(fā)射性能指標。

1 天線系統(tǒng)的維護檢修

1.1 天線結(jié)構(gòu)的維護檢修

大口徑拋物面天線結(jié)構(gòu)體主要由基座、支撐件、天線緊固框架結(jié)構(gòu)以及天線反射面板組成。天線結(jié)構(gòu)體主要是鋼件，日常維護保養(yǎng)主要是進行螺絲緊固、處理銹蝕、噴涂保護漆等操作。檢查可以分為表面防護、傳動與轉(zhuǎn)動系統(tǒng)情況檢查、安全保護措施檢查、軸角傳感系統(tǒng)檢查等。表面防護又可以分為銹蝕程度、表面涂覆、室外電器元件防護、緊固件、副面調(diào)整螺釘?shù)认嚓P(guān)的檢查。在檢查銹蝕程度時，注意中心體饋源支套是否出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象；檢查表面涂覆是否出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，室外電器元件防護主要檢查線纜的保護情況、室外電器元件的工作環(huán)境；緊固件檢查和副面調(diào)整螺釘主要也是對銹蝕程度、螺釘螺母的松緊程度進行檢查和加強。在處理天線銹蝕問題時，可以使用一種金屬漆——醇酸磁漆，它是一種具有良好防銹性的金屬漆，主要使用在鋼鐵設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)上面。

另外，還要注意天線反射面是否平整，如果天線反射面平整度較差，容易導致載波發(fā)散引起發(fā)射功率的增加，所以必須定期檢查天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，緊固固定結(jié)構(gòu)和反射面板螺桿與螺母，保證天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對天線結(jié)構(gòu)影響較大的因素是惡劣天氣，主要包括強風、雨雪以及凍雨等。強風主要會使天線反射面抖動，引發(fā)發(fā)射載波的異常，導致功率的提升，甚至會導致同轉(zhuǎn)發(fā)器的載波功率提升，產(chǎn)生播出責任事故。雨雪和冰凍天氣容易導致天線發(fā)射表面被冰雪覆蓋，嚴重影響天線結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定。在一些南方區(qū)域，一個晚上可以產(chǎn)生厚厚的一層冰，最厚的地方可以達到3～4厘米，對上行信號會產(chǎn)生大約10 dB的衰減。因此，對衛(wèi)星通信地球站來說，及時清除積雪和凍雨是一項非常重要的工作，防止降溫結(jié)冰導致的安全播出隱患。

1.2 伺服控制系統(tǒng)的維護檢修

伺服控制系統(tǒng)主要包括方向傳感器、傳動電機和絲杠；伺服傳動系統(tǒng)主要檢查方位軸、俯仰軸、減速箱轉(zhuǎn)軸、絲杠的磨損程度等。

絲杠的維護主要注意設(shè)備的防水防塵，及時更換添加潤滑油等。防水防塵可以使用保護套，潤滑油可以使用二硫化鉬鋰基潤滑油。在更換潤滑油時，應首先拆除絲杠保護套，清除原有的潤滑油，再涂抹新的潤滑油。另外，涂抹潤滑油要適量，不要過多。涂抹均勻后，手動調(diào)整絲杠位置，先盡可能向一個方向轉(zhuǎn)動到最大的幅度，再反向轉(zhuǎn)動到另一側(cè)的最大幅度，保證讓潤滑油充分均勻地填充整個絲杠。操作完成后，安裝恢復保護套。在條件許可的情況下，最少每半年要做一次天線在各個方向的大角度轉(zhuǎn)動測試，兩側(cè)轉(zhuǎn)動角度都應該較大，及早發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患。

在上述操作過程中，應該注意檢查俯仰軸、方位軸的傳動是否正常，減速箱轉(zhuǎn)抽是否轉(zhuǎn)動正常，絲杠連接銷軸是否正常。注意檢測俯仰和方位減速箱的密封程度和潤滑情況；在傳動檢查過程中，注意俯仰和方位傳動響聲和箱體的溫度，以及俯仰與方位兩個絲杠的磨損狀況。

在檢修過程中，還需要注意調(diào)整修正天線方向的轉(zhuǎn)速，天線各方向的最大轉(zhuǎn)速都不能超過波束寬度的十分之一，我站天線的波束寬度為0.6°，因此天線各方向的最大轉(zhuǎn)速都應該小于0.06°/s。

1.3 天線控制系統(tǒng)的維護檢修

天線控制系統(tǒng)的維護主要檢查電機運行速度、電機運行電流。本次維護過程中就發(fā)現(xiàn)天線電機減速比大，電機低速運行速度值過低，可能會加大絲杠和齒輪機構(gòu)磨損，因此，在滿足跟蹤要求的前提下，提高低速設(shè)置，使變頻器高低速基本一致，方位轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.032°/s，俯仰轉(zhuǎn)速設(shè)置為0.045°/s。另外，需要注意做好信號線和天線控制器本身的接地保護，防止電流涌動對天線控制器造成的影響。在實際工作中，我站曾經(jīng)出現(xiàn)過一次備用系統(tǒng)的天線控制器異常告警情況，當時天線控制器屏幕顯示天線角度出現(xiàn)異?！癛unAway”告警，而該天線的下行接收均正常。之后天線場檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，可以判斷天線本身狀態(tài)沒有問題，懷疑天線角度方位、俯仰的編碼器或者天線控制器方位、俯仰編碼器的連接線出現(xiàn)了問題。經(jīng)過詳細檢查，發(fā)現(xiàn)是由于天線方位編碼器的連接線出現(xiàn)接觸不良而導致了天線控制器的天線角度“RunAway”異常告警。最后經(jīng)過重新焊接連線，成功將天線控制器的故障排除。

1.4 天線饋源及波導的維護檢修

天饋線系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)是饋源薄膜，它一旦破損或密封不好，不僅直接影響天饋線系統(tǒng)的性能，而且若有雨水進入饋源將造成非常嚴重的損失。因此，平時應檢查饋源薄膜有無損傷，如有老化、劃痕，應該立即更換。在冬季還要防止饋源口被冰凌凍壞，下雪時要及時清除積雪，防止積雪對饋源口裝置的擠壓和凍壞。此外，高頻頭和饋源口最好利用高級防水膠布進行封好。本次維護檢查的項目主要包括：饋源及波導系統(tǒng)的充氣情況、喇叭罩老化情況、線極化面的調(diào)整、軟波導檢查。在本次檢修過程中，發(fā)現(xiàn)7.3米天線的饋源膜出現(xiàn)老化現(xiàn)象，需要更換饋源膜。要注意，一定選用質(zhì)量好、耐用且對天線指標影響小的饋源薄膜，更換饋源膜后最好過24小時再進行充氣，以保證硅橡膠充分凝固。波導充氣機的工作狀態(tài)很大程度上能夠反映天線饋源膜及波導密封性的好壞，因此應保證在充氣機開啟時最多每隔幾小時就能巡視一次充氣機的工作狀態(tài)，因為充氣機的頻繁啟動往往是饋源薄膜出現(xiàn)故障的表現(xiàn)。

1.5 其他

大口徑拋物面天線各個系統(tǒng)之間的控制線、信號線、電纜線比較多，還有一部分線纜是從室外天線場地連接到控制機房的，一旦線纜老化開裂就極易導致信號異常或者控制失效，嚴重的還會出現(xiàn)火情，所以平常就需要多檢查。此外，建議使用PVC等材質(zhì)的保護套管將室外線纜保護起來。

2 天線接收測試方向圖和增益計算

天線增益反應了天線的放大能力，我站天線完成本次維護后，進行了一次天線增益的實際測試，以7.3米天線為例，測試方法如下：

將7.3米天線垂直接收信號頻譜連接到頻譜儀，搜索衛(wèi)星信標，中心頻率設(shè)置為信標頻率，本次設(shè)為951 MHz垂直極化信標。在頻譜儀上設(shè)置好適當?shù)腞BW（10 kHz）、VBW（30 Hz）、Span（900 Hz）。設(shè)置好參數(shù)后，配合天線控制器進行天線轉(zhuǎn)動，同時使用頻譜儀的單掃模式自動生成天線線極化接收測試方向圖。

測量并記錄第一副瓣的信號電平，測量并記錄主瓣的3 dB帶寬和10 dB帶寬，分別需要測試方位和俯仰方向的兩個方向圖并作記錄。

2.1 7.3米天線方位方向圖測試結(jié)果

方位第一副瓣電平值為-14.11 dB，小于-14 dB，滿足指標。測試過程方位的轉(zhuǎn)動總角度為5.2°

由圖2和圖3可得，7.3米天線方位主瓣3 dB帶寬是AZ3dB=83.7+96.3=180 Hz。

圖2 方位主瓣3 dB帶寬1

圖3 方位主瓣3 dB帶寬2

由圖4和圖5可計算出7.3米天線方位主瓣的10 dB帶寬是AZ10dB=144.9+160.2=305.1 Hz。

圖4 方位主瓣10 dB帶寬1

圖5 方位主瓣10 dB帶寬2

2.2 7．3米天線俯仰方向圖測試結(jié)果

俯仰第一副瓣電平值為-12.11 dB，大于-14 dB，不滿足指標。測試過程俯仰的轉(zhuǎn)動總角度為3.48°。

由圖7、圖8可以得出7.3米天線俯仰主瓣3 dB帶寬為EL3dB=87.3+97.3=184.6 Hz。

圖6 7.3米天線俯仰（EL）接收方向圖

圖7 俯仰主瓣3 dB帶寬1

圖8 俯仰主瓣3 dB帶寬2

由圖9、圖10可以得出7.3米天線俯仰主瓣10 dB帶寬是EL10dB=144.0+153.9=297.9 Hz。

圖1 7.3米天線方位（AZ）接收方向圖

圖9 俯仰主瓣10 dB帶寬1

圖10 俯仰主瓣10 dB帶寬2

2.3 天線增益值的計算

根據(jù)上面方位和俯仰方向圖已知：AZ3dB=180 Hz；

AZ10dB=305.1 Hz；EL3dB=184.6 Hz；EL10dB=297.9 Hz。

方位轉(zhuǎn)動角度α=5.2°；俯仰轉(zhuǎn)動角度β=3.48°；天線正常發(fā)射時俯仰角度θ=52.98°；Span從圖中可以得出均為900 Hz.

帶入以下天線增益G的經(jīng)驗近似公式：

式中，31 000和91 000為經(jīng)驗數(shù)值；A、B分別是下列公式計算結(jié)果：

將測試數(shù)值帶入式（2）、式（3），然后將計算結(jié)果A、B帶入式（1）可得該7.3米天線的增益為

通過本次測試，我們計算出了天線的增益值，以便掌握天線的性能指標情況。

3 結(jié)束語

本文主要結(jié)合我站最近一次的天線場維護檢修工作，系統(tǒng)介紹了衛(wèi)星通信地球站使用的大口徑拋物面天線各個系統(tǒng)維護檢修的概況和要點。簡單列舉了維護檢修中需要注意的一些重點問題，在完成檢修后利用頻譜儀和天線控制器相配合測試出天線線極化接收測試的方位圖，并通過測試的數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗公式，近似計算出了天線的增益值。