稳定可靠的卫星地面接收天线

众所周知，现代广播电视的发展对卫星通信的依赖越来越大。如何建立卫星地面接收天线，尤其是选择何种伺服跟踪方式，既满足需求稳定可靠，又结构简单维护容易，成为各个电视台面临的课题。现在，以中央电视台新建的7.5米卫星地面接收天线为例，就其系统构成，工作原理，伺服跟踪设备，性能指标，安装调试及使用与维护，向同行们作一介绍。

卫星通信是一种微波空间接力通信，电磁波在视距范围传播，人造地球卫星作为中转站，收到信号后对信号进行处理再转发下来，同步卫星绕地球转动的角速度和地球自转的角速度相同，从地面上看去好像卫星悬浮在空间不动一样，所以又叫静止卫星。利用同步卫星进行通信有信道稳定、通信距离远、跟踪设备简单、通信容量大等特点。

卫星地面接收天线（以下称"天线"）是一切无线通信系统中的重要组成部分，特别是对于同步卫星通信来说，由于通信距离长，信道损耗大，需要高增益低噪声的天线，随着经济文化的不断发展，对通信容量的要求也不断增长，为满足这种需求，同步轨道上卫星越来越密，而且几乎全部实行频谱复用，并且开辟新的频段例如Ku和Ka，原有频段也加以拓宽，为提高通信质量，实现星与星之间的互不干扰及同一颗星的正交极化间的互不干扰，天线必须在整个工作频带内实现低副瓣和高交叉极化鉴别率。

中央电视台所选择的7.5米C/KU天线，正是为了满足卫星通信要求设计的，具有增益高，噪声温度低，旁瓣低，交叉极化鉴别率高等特点，天线及跟踪设备符合天线性能满足ISO、CCIR-REC580、ITU标准。设计上对天线主、副面进行修正以实现高效率和低副瓣。先进的结构设计和加工工艺使天线结构牢固、面板精度、装配精度，方位、俯仰传动系统工作灵活自如，指向精度满足使用要求，精心的三防处理使天线可工作在各种恶劣的环境下，通过严格的质量保证体系和合理的可靠性设计，天线及跟踪系统的质量和可靠性得到保证。

一、系统构成

天线是由主反射面及其背架、副反射面及其支撑结构，四端口馈源系统、极化调整装置、方位一俯仰型天线座、方位和俯仰驱动装置等组成；伺服系统是国产化伺服由跟踪下变频器、跟踪接收机、天线控制器等组成；其他配套设备有：馈源除冰单元、波导充气机、避雷针和天线操作维护专用工具。7.5m固定站天线结构示意图如图1所示。

图1   

主反射面由反射体骨架和16块扇形反射面组成。扇形反射面由厚度为2mm拉伸成型的铝板与拉弯成型的Z型铝筋条铆接而成。反射体骨架由中心体、16根辐射梁、三圈环向拉杆组成。扇形反射面和反射体骨架之间有定位锥精确定位。

副面由副反射面、副面支杆和支撑调整机构等组成。该天线的副反射面的母线为椭圆形曲线，它由四根支杆支撑在主反射体骨架的辐射梁上，副面支杆的两端均用销钉定位，以保证副面再装精度，副面支撑调整机构可使副面进行精调，以达到副面最佳位置。

馈源由波纹喇叭、园波导、双工器、阻发滤波器等部分组成，收发端口接口形式为WR-75。

极化调整装置由定筒、动筒及锁定装置组成。该调整装置转动平稳、调整方便，同时能够承载四端口频谱复用网络、主备导换LNA等较大重量和体积的负载。

方位一俯仰型天线座架为空间立体三角架结构，由三个地脚螺栓和三根无缝钢管立柱组成；方位驱动放于座架上部，这样天线承受的方位力矩通过方位丝杠由方位支座传给主座架承担，方位－俯仰组合不承受扭矩，俯仰驱动支撑于座架底部，于是天线承受的俯仰力矩和垂直力直接作用于地基。主座架不承受这部分力，相应地提高了主座架的强度和刚度。
 
   驱动装置是使天线按所要求的方式转动到指定的位置，使天线接收到需要的信号的装置，分方位驱动和俯仰驱动两种驱动除丝杠长短不同，其它部分完全相同。即丝杠付、蜗轮付和齿轮付相同。方位驱动电机和俯仰驱动电机均采用1400转／分转速。

二、天线工作原理

天线工作原理如图2所示。从图2可以看出，由天线的馈源相心O发出的电磁波，照射到副面中心区域O'点的射线，经副面反射到主面边沿区域的C点，然后再经主面C点反射，发送到天线前方的空间去。射线由副面向主面行走的光程路线中，所有射线均交于F点，即称焦点。由于主、副面都是圆对称的，所以焦点F旋转一周形成焦环故称环焦天线。天线接收的工作原理与发射相同，电磁波的运行路线相反。

伺服跟踪设备的主要用途是驱动天线到所需要的指向、根据天线接收到的电磁波信号进行跟踪，使天线对准卫星，保证通信的连续可靠。它是决定天线性能的最主要的设备。跟踪可分为手动跟踪和自动跟踪，手动跟踪顾名思义是由人工进行跟踪，自动跟踪是由一套计算机系统，根据一定的条件实现的保证天线对准卫星的跟踪方式，主要有步进跟踪、单脉冲跟踪、记忆跟踪，程序跟踪等。事实上，通信卫星在静止轨道上受太阳、月球和地球不规则引力以及阳光辐射压力的影响，如果无任何维持力，就不能稳定地停留在同步轨道的预定点上，这时将有两种运动发生：一种是在预定点附近，以一天为周期进行循环运动（在空间画一个立体的8字形）；另一种是以平均位置为中心缓慢地向东（或向西）漂移。通信卫星在其寿命期间，是靠星体上的火箭喷嘴定时地对卫星施以校正力来保持其位置稳定在指定地点，称为位置保持。目前卫星的位置精度已从开始时的土30/d提高到士0.10/d。大中型地球站的天线波束较窄，星体的士0.10/d漂移量已不能使大中型天线正常工作，地球站必须配置对卫星进行自动跟踪的设备。

图2

步进跟踪又称极值跟踪，它是一步一步地控制天线在方位面内和俯仰面内交替转动，使天线逐步对准卫星，直到地球站天线接收到的信号达到最大值后，系统才进人休息状态。当接收信号下降超过预设的门限或跟踪周期时间到时，又开始进人跟踪状态，如此周而复始地工作。设备简单，机械效率高。步进跟踪的缺点是在跟踪过程中，天线始终在对准卫星的方向周围不断地摆动。另外当跟踪信号波动时，由于不能找到稳定的最大值，天线一直在最大值附近转动，长时间停不下来，同时也加剧了天线的机械磨损。若采取延长信号采样时间进行滤波，将会导致跟踪时间更长，因此在电磁环境比较恶劣的地方，步进跟踪的跟踪效果不好。另外，在跟踪倾斜轨道卫星方面，步进跟踪也不能胜任。

单脉冲跟踪能在一个脉冲的间隔时间内确定天线波束偏离卫星的方向和偏差大小，伺服系统据此实时调整天线实现实时对准卫星。单脉冲跟踪的跟踪速度和跟踪精度比步进跟踪体制要高得多，但它需要复杂的馈源系统和跟踪接收系统，并且造价很高，因此只有大型测控站采用单脉冲跟踪体制。

记忆跟踪，顾名思义就是根据以往系统记录的跟踪数据进行跟踪，由于卫星的漂移每天是有重复性的，所以根据系统记录的卫星8字形轨迹进行跟踪，在几天内还可以保证一定的跟踪精度，保证系统正常工作，但前提是系统已经记录了有效的记忆跟踪数据。由于记忆跟踪工作在开环状态，忽略了跟踪信号的变化，只是根据跟踪数据在不同时间将天线转到相应的位置上，因此当卫星进行位置保持时，原跟踪数据就不能使系统正常跟踪。

程序跟踪的优点是不需要跟踪接收机提供跟踪信号，但实现程序跟踪必须能够获得有效的跟踪参数，实现IESS412跟踪或NORAD跟踪必须获得INTEISAT11参数和NORAD数据，而且这些数据需要定期更新。另外，程序跟踪对系统的轴角指示精度和天线的指向精度要求较高。

几种跟踪方法的比较如表1所示。

表1

综上所述，步进跟踪方式具有设备简单，成本低，维护容易，跟踪精度较高，能克服稳风扰动，无需记忆跟踪信号，在电磁环境稳定的条件下，足以胜任跟踪同步卫星的要求，是性价比合理的，优选的跟踪方式。

中央电视台所选择的7.5米天线采用的正是步进跟踪方式，其伺服设备含有天线控制单元（ACU）、功率驱动单元（PDU）、跟踪接收机、下变频器等，方位俯仰同步机及限位开关，电动极化旋转用的轴角变换装置。

天线控制单元（ACU）是微机控制系统，它可以显示天线工作状态，如方位角、俯仰角、极化角、信号电平和限位告警等，可进行手动控制和跟踪，步进跟踪和手动找星等，面板上用键盘完成操作。

功率驱动单元（PDU）可由人工或ACU控制进行天线电机的驱动。

跟踪接收机把由天线上接收来的射频信号转化为天控器能处理的直流信号，送到天线控制器。

三、性能指标

1.电气特性

如表2所示。

表2   

2.机械性能

如表3所示。

表3

3.环境条件

如表4所示。

表4

四、关于天线的安装

由于天线比较大，天线各方面要求也很高，比如天线表面公差，指向精度，跟踪精度等，所以要求专业人员来安装。天线的主要结构件是天线头和天线座架，其安装过程如下：

根据天线地基要求测量地脚螺栓是否在同一水平面内，其不平度不大于0.5mm；测量地脚螺栓，观测外露部分螺栓的长度，是否满足图纸设计要求；检查地基施工情况，在地基施工满足地基基础技术要求后，方可进行座架安装。安装前清理，清洁，检查所有零件（包括紧固件）是否齐全，适用;润滑所有运动件（紧固件螺纹部分在装配前须涂润滑脂）。

1.天线座的安装

首先，检查驱动装置丝杠螺纹副间隙，避免间隙太大，造成机械空程，并将方位，俯仰驱动装丝杠罩。

第二，吊装无缝钢管立柱保证立柱上平面与地平面平行，下端用地脚螺栓固紧。

第三，吊装横梁连于立柱上，调整横梁前后两方位轴。

第四，吊装方位－俯仰轴组合，方位下轴头组合连于立柱上注意螺母不要拧紧，把俯仰轴与两前支杆连于方位下轴头，把螺栓固紧。吊装俯仰驱动支撑组合，下端用销轴连于方位下轴头组合，上端在变速箱处用导链拉住；微调下轴头组合，使方位－俯仰组合上下两轴头的轴线在用－铅垂线上，（注意：不要别劲）然后把螺栓全部拧紧

第五，吊装方位驱动组合，把方位驱动箱组合固于方位驱动支座上，方位丝杠与俯仰轴用销轴连好。

第六，安装同步装置，限位装置，方位、俯仰刻度盘。注意：

*安装同步装置时，注意旋转变压器轴与轴座输出轴同心；

*限位开关、碰块安装时注意好方向，转动范围大小可进行调整，根据技术要求定好并把螺钉固紧即可；

*方位度盘、俯仰度盘要根据天线座架本身的方位俯仰角而定。

2.天线头的安装

把装配焊接好的中心体放置在预先做好的基础上；在中心体安装上辐射梁，并对特征点进行检测，以保证没有变形；安装天线面板，以及环形拉杆，注意安装时应使面板之间的缝隙保持2±1mm，高度差≤1mm，并在现场对天线面板的组装精度进行检测，直到精度符合技术要求；检测合格后对把所有调整点螺母被紧或焊死以防日后松动脱落。

然后把天线用钢丝绳固定好，再用吊车调到天线座架上面，（注意：天线边缘不能与吊臂接触）天线要保持平衡，调到座架上面后要仔细调整距离，保障可以穿上螺钉，螺钉进孔以后，吊车松劲，天线重量落在座架上，拧紧螺丝，松开钢丝绳；天线吊装结束后，可以吊装馈源套筒，微波网络，波纹喇叭，副反射体，之后可以安装其他附件如馈源除冰装置，避雷针，航空标志灯等。

五、天线的调试

因天线工作于线极化状态，为了提高天线的接收信号电平和降低本天线发射信号对星上正交极化转发器的干扰，需要天线的极化面和卫星来波的极化面重合，为实现此项要求，天线的极化变要进行调整，7.5m天线设计的极化旋转方式为微波网络和波纹喇叭可以一起旋转，天线的极化面也一起旋转直到和卫星极化一致，极化面的旋转方式是电动，由伺服系统控制，必要时也可手动。

极化面调整时可以用两种方式：利用发射信号或接收信号。发射信号需要有监测站天线的协助，而接收方式则可以由自己完成。下面介绍接收方式：

*根据地球站地理位置和卫星的经度计算出当地的极化角；

*根据所需要工作的极化，把馈源网络调整到此角度附近；

*利用接收机或频谱仪接收正交极化的卫星信标，比如卫星信标的极化是水平，我们工作的极化接收也是水平，我们可以用天线垂直接收端口接收卫星信标，微调天线极化，直到收到的信号达到最小，就认为极化已经调好；

*一般情况下，天线的极化角在天线入网时由卫星公司协助对准。如果不更换卫星就不再需要调整。

整个天线安装调试入网后，天线头作为一个整体，所有的可调处全部揹紧或焊死，用户一律不许乱动。

在正常使用条件下，天线座是在伺服系统控制下工作，不需对其进行直接操作，除非天线座出现了故障。为保证天线及伺服系统能长期可靠地工作，首先要做到对天线座的正确操作：

*控制台用手动方式转动天线时，要避免正反转快速切换，否则会造成传动系统冲击，降低使用寿命；

*当天线长期不工作或风速超过10级（32m/s）时，应将天线朝天，进入收藏状态；

*方位、俯仰行程开关、碰块等均已调好，不得随意改动；

方位换挡操作方法为：

*转动俯仰，使天线朝天，然后转动方位，使方位驱动转轴中心至丝杠前端轴孔中心距离为900mm左右；

*把方位下轴座保护罩打开，将固定方位两个行程开关及碰块的螺钉全部松开、取下；

*取下方位丝杠前端销轴，由5~6人推动天线圆筒至另一区域，将方位丝杠与另一侧的圆筒轴座用销轴铰接；

*紧固碰块。根据新的工作范围的两极限位置，确定行程开关的安装位置。确定无误后，方可紧固行程开关。

六、使用与维修

天线是室外设备，长年受到风吹、日晒、雨淋等自然条件的影响，设备的寿命长短与正确的使用和维修关系很大，设备及时地高质量地维护和维修是延长使用寿命的重要环节，因此必须给予足够的重视。在使用手册中有详细的使用方法和维护步骤，这里不做过多的赘述，只有两点需要特别指出：

第一，及时应对恶劣天气和极端情况，经常观察天线波纹喇叭口膜，以免损坏微波网络及低噪声放大器。大家知道，微波网络及低噪声放大器对天线来说的重要，在密闭的腔体内，要保证完好的水密性，而北京冬夏多雨雪，春秋有大风，气候变化大，时有冰雹砸破或小鸟啄破波纹喇叭口膜，造成腔体进水损坏微波网络及低噪声放大器的情况发生。为避免发生问题，在雨季来临之前及时对接头电缆做防水处理；作好防雷测试并对线路与接头进行检查排除事故隐患；提前检查馈源防尘、防雨罩；通过测量卫星天线的接地电阻来确定天线的防雷电性能，达到国家标准规定天线防雷系统的接地电阻不得大于4欧姆的要求。当出现冻雨即雨加雪天气时，由于地表温度低，空中落下的雨迅速形成冰凝结在天线表面上，形成新的反射面，使抛物面天线焦点发生变化，从而导致天线接收信号的信噪比（△S/N）大副下降，出现接收信号质量差、甚至接收不到信号的现象，因此需要及时清除天线表面积雪。

第二，在为方位、俯仰减速箱加油，为方位、俯仰丝杠及各个转轴部位加油时，一定要加注二硫化鉬润滑剂。二硫化鉬，辉钼矿的主要成分。棕黑色固体。化学式MoS2，熔点1185摄氏度，密度4.80克/立方厘米（14摄氏度），莫氏硬度1.0~1.5。二硫化钼不溶于水，只溶于王水和煮沸的浓硫酸。二硫化钼是重要的固体润滑剂，特别适用于高温高压，高转速，高负荷，有化学腐蚀的条件下，是对设备有优异的润滑性，是天线维护的首选。常见故障分析及排除见表5。

表5

七、结束语

中央电视台自1995年至今，先后建造了20座卫星地面站，其中有单收站，有收发站，分别指向五家卫星公司的12颗卫星，从内容采集到播出监控，有力的保证了中央电视台目前30个频道，日均631小时的播出。在天线选择上也积累了一定的经验。该7.5米天线在结构上，简单，杆件少，强度高，装拆方便，受力合理，造型美观，稳定性好；在驱动装置上，由于均采用1400转／分转速电机，成功地避免了天线的驱动速度太快，造成信号接收较困难，速度太慢，则接收相应太慢，且驱动箱制作困难的弊端；在伺服跟踪设备上，采用的步进跟踪方式，设备简单，成本低，易维护，是性价比合理的，优选的跟踪方式；在天线安装上，简单，清晰，耗时少，只需一天；在使用维护上，无需过多依赖厂家专门人员，定期维护周期合理。总而言之，中央电视台所选择的7.5米卫星地面接收天线是满足需求稳定可靠，又结构简单维护容易的卫星地面接收天线。