卫星地球站天馈线系统的原理及维护

张金虎

（国家广播电影电视总局 北京地球站，北京 102206）

天线馈线系统是卫星地球站的重要组成部分之一，是实现自由空间传播的电磁波能量与发射或接收的导行波能量之间进行转换的设备，也是决定地球站传输质量的关键设备之一，做好天馈线系统的维护工作，对卫星地球站至关重要。

1 组成及原理

天馈线系统主要包括天线主体设备、馈电设备、伺服系统三部分，组成原理如图1所示。

来自高功放的射频信号经过波导馈线送至天线，经天线的网络系统进行能量转换将高频信号转换成相应的电磁波信号，通过馈源向空间辐射；来自卫星的微弱电磁波信号经过天线系统接收并转换所需的信号，经过低噪声放大和变频后通过馈线送至用户接收单元；同时天线接收来自卫星信标信号经过低噪声放大和变频后送至信标接收机，信标接收机将其变换成和信标信号成比例的直流信号送给天线控制器，天线控制器根据信号变化驱动天线对准卫星。

天馈线系统的主要功能有两点:1）将高功放产生的大功率微波信号以电磁波的形式发往卫星；2）将卫星转发的微弱微波信号接收下来，进行变频放大送至用户接收单元；3）驱动天线对准卫星。

在天馈线系统中，天线的基本功能是辐射和接收电磁波，馈电设备主要起着传输能量和分离电波的作用，而伺服系统则主要是为了保证天线始终对准卫星。下面逐一对各部分进行介绍。

1）天线系统主体设备

天线是卫星通信系统的重要组成部分，是地球站射频信号的输入和输出通道，天线系统性能的优劣直接影响整个通信系统的性能。卫星地球站上行天线与卫星之间的距离为36000 km，为保证信号的有效传输，多数卫星上行地球站采用了具有高增益、低旁瓣、方向性强、适于电波远距离传输等特点的反射面型天线。目前，国内广播电视传输使用的卫星发射天线主要有卡塞格伦、格里高利和环焦3种类型的双反射面天线。天线主面均为抛物面、馈源为后馈类型，卡塞格伦天线的副面为双曲面，格里高利天线的副面为椭球面，而环焦天线的副面为椭球弧旋转一周构成。

2）馈电设备

馈电设备接在天线主体设备与高功放和接收机之间，起着传输能量和分离电波的作用。馈电设备的要求损耗足够小以保证传输能量的高效率。典型的馈电设备由馈源喇叭、波导元件和馈线所组成。

馈源喇叭（即一次辐射器）装在馈电设备的最前端，负责向天线（副反射面）辐射能量和从天线收集电波，它的形式有圆锥喇叭、喇叭形辐射器和波纹喇叭等。对馈源喇叭主要的要求是能产生与旋转轴对称的尖锐辐射图形。

安装在馈源喇叭之后的波导元件大部分属于定向耦合器、极化变换器和双工器等，它们是用来分离电波和变换电波极化方式的，目的是使收信和发信信号之间既不相互干扰，又能高效率地进行传输。

双工器是用来解决收、发共用一副天线的问题。实际上，它一方面利用发送波和接收波因极化正交而产生隔离作用，另一方面利用发送波和接收波的频率不同（如C波段的发6 GHz，收4 GHz）而产生的隔离作用，达到收、发共用一副天线。与高功放和接收机以及波导元件相连接的馈线通常是一些矩形波导、椭圆形波导等。

3）饲服系统

饲服系统主要用于驱动天线跟踪卫星，保证天线始终对准卫星。主要设备有天线控制器和信标接收机。

伺服系统跟踪原理如图2所示，由图中可以看出天线控制器的重要作用:天线接收的下行信号经过低噪声放大器后，分出一路到信标接收机，信标接收机首先将信标信号变为中频信号。然后输出与信标信号强度成正比的直流电压到天线控制器，天线控制器利用这个直流电压信号，输出控制信号到天线驱动单元，驱动相应的电机，使天线对准卫星，天线控制器接收来自驱动单元反馈的系统告警情况，同时天线控制器通过方位/俯仰/极化传感器实时显示天线角度。

图2 天线跟踪系统原理方框图

天线控制器是微机控制单元，在饲服系统中起着重要作用，所有有关天线跟踪控制的参数均在天线控制器进行设置，并通过天线控制器完成天线的跟踪控制。天线控制器还可以直观显示天线的方位、俯仰、极化角度信息，电平信息，跟踪方式，告警情况等状态。根据天线的要求不同，天线控制器的繁简程度也不一样，但天线控制器的基本功能是一样的。

信标接收机的任务是把天线接收下来的微波信号进行放大，并把它的幅度变成直流信号，直流信号的大小正比于信标信号大小。此信号作为误差控制电压，送入天线饲服控制系统，经处理后驱动天线，使天线对准卫星，使天线获得最佳增益，因此要求信标接收机灵敏度高、噪声小、失真小，还要输出直流信号稳定，无零点漂移。跟踪接收机要具有全频段接收能力（包括S，L，C，KU等），捕捉带宽要窄。

卫星地球站的天线跟踪主要有3种模式:步进跟踪、优化跟踪和手动跟踪。其中步进跟踪模式较为常用。

2 基本要求

若使天馈线系统正常工作，保证卫星地球站的正常通信业务，通常要满足以下基本要求。

1）宽频带

收发信设备在500 MHz（或800 MHz扩展频段）的频带范围内都应具有增益高和匹配好的特性。故要求天线及馈电电路的极化变换器等电路元件的特性应具有宽频特性。

2）高增益

为了提高地球站的EIRP值和G/T值，都要求天线增益尽量高，为此卫星地球站要选用大口径高、效率天线，卫星地球站发射天线口径一般在9 m以上，天线效率η一般为60%～75%。

3）低旁瓣

这主要是从相邻卫星通信系统之间及其与地面微波中继通信系统之间电磁兼容性（抗干扰）来考虑的，一般要求天线:G≤－14 dBi（第一旁瓣）；G≤29－25lgθ（dBi）（1°≤θ≤48°）。其中:G为天线增益，单位“dBi”；θ为天线主波束偏离主轴方向的角度，单位“°”。

4）低噪声温度

为了降低接收系统的总噪声，除了减少馈线损耗外，还要减少进入天线的等效噪声温度Tα。天线仰角为5°时，一般Tα为50°K左右；天线仰角为90°时，Tα约25°K。

5）低损耗

馈电系统应具有损耗小、频带宽、匹配好，收、发通道之间的隔离度大，对发射通道还要求能耐受发射机最大的输出功率。

6）旋转特性好

为了保证通信质量要求卫星地球站上行天线要实时对准卫星，因此地球站天线应具备调整功能，调整范围是方位角为0°～180°，仰角为0°～90°。

7）机械精密度高

为达到和保持规定的天线方向性，应该提高一次辐射器和主副反射面的精密度，并且要具有机械刚性，保证在强风（8级风）条件下能正常工作，10级风降低精度工作。

3 维护项目及周期

天馈线系统是卫星地球站播出系统的一个重要环节，做好天馈线系统的维护工作十分重要，维护工作主要有以下几点。

3.1 维护原则

1）保证播出业务不中断；

2）保证系统正常工作；

3）保证系统的运行环境，保证机房内部的清洁度，设备的工作温度在25℃±2℃，湿度在30%～65%；

4）针对不同的设备和不同的运行环境，制定不同的维护周期。

3.2 维护任务

1）天线的维护

（1）天线的主面、副面及天线主体有无漆面脱落，脱落面积较大时及时进行补漆；

（2）天线传动装置工作是否正常，电机有无异响、发热现象；

（3）天线传动装置润滑油液面是否降低，有无漏油现象，必要时进行补充或修理；

（4）室外线缆是否完好；

（5）天线限位开关接触是否良好；

（6）天线丝杆润滑情况；

（7）天线的接地电阻是否合格；

（8）天线的电性能指标是否合格，主要是增益、方向图、驻波比和极化隔离度。

2）馈电设备

（1）馈源膜是否完好；

（2）波导连接紧固情况；

（3）室外波导有无破损；

（4）充气机工作否正常。

3）饲服系统

（1）设备工作是否正常；

（2）参数设置情况核查；

（3）散热风扇工作情况；

（4）线缆连接紧固情况；

（5）工作环境是否正常。

3.3 维护周期

针对天馈线系统设备组成情况，结合实际运行中的经验制定了各设备的维护周期，各单位可以根据设备的自身运行情况，制定出适合自己的维护周期，具体维护周期及内容如下。

1）日检

（1）天线主体设备。检查天线周围有无障碍物；检查天线驱动电机声音是否异常；检查机械部分有无损坏。

（2）馈电设备。检查天线馈源膜是否破裂；检查连接波导有无损坏；检查充气机工作状态；检查干燥剂是否变色。

（3）伺服系统设备。检查各参数是否正常；检查风扇转动情况；检查滤网清洁情况；检查信标接收机机箱温度是否正常；检查设备运行环境是否正常。

2）周检

（1）天线主体设备。检查天线主面、副面、天线主体有无掉漆；检查室外线缆绝缘情况；检查丝杆护套有无破损；检查电机和传动箱有无漏油；检查限位开关是否完好。

（2）馈电设备。检查连接软波导有无损坏；检查波导馈线有无破损；检查充气机充气、保压情况。

（3）伺服系统设备。核查各参数是否正常；检查风扇转动情况；清洁设备滤网；检查线缆接头紧固情况。

3）月检

（1）天线主体设备。检查天线电机和传动箱润滑油液面是否降低，必要时进行补充；检查室外线缆有无老化破损，必要时进行更换；检查线缆接头和端子接触情况；测试天线限位开关是否起作用；检查天线连接部分的紧固情况。

（2）馈电设备。检查馈源膜有无破裂，检查密封情况；检查波导连接情况和波导密封情况；检查波导充气机的间隔，检查干燥剂变色情况，必要时进行更换。

（3）伺服系统设备。清洁天线控制器室外单元；检查天线控制器和信标接收机工作情况，核查各运行参数设置；检查散热风扇的工作情况；检查设备接地情况；清洁设备滤网。

4）年检

（1）天线主体设备。检查线缆绝缘情况，检查线缆接头连接情况，并进行紧固；测试限位开关功能；检查天线主面、副面、天线主体有无掉漆，对面积较大的进行补漆；对丝杆进行检查，对润滑脂进行清洗、重新上润滑脂；检查丝杠护套有无破损，必要时进行更换；检查电机和传动系统，更换润滑油；大范围转动天线的方位和俯仰（±10°），防止天线锈死；检查天线连接部分，并进行紧固；检查天线的防雷接地情况，对接地电阻进行测试；入冬前对天线馈源除冰系统进行检查，保证工作正常；有天线除雪装置的在入冬前也要进行检查，保证工作正常；对天线的电性能指标进行测试，包括增益、方向图和极化隔离度；每3年对天线进行喷漆一次。

（2）馈电设备。对波导连接情况进行检查，对波导进行紧固；检查波导馈线、软波导有无破损，对软波导连接处进行密封；检查波导有无发热现象；每年对馈源膜进行更换；对波导密封情况进行检查，对充气机的充气和保压情况进行测试，对干燥剂进行检查，必要时进行更换；对系统驻波比进行测试。

（3）伺服系统设备。对天线控制器和信标接收机进行开箱除尘，检查螺丝和接头固定情况；对天线控制器室外单元进行除尘，检查螺丝和接头固定情况；对天线控制器的各项参数进行核查，对参数进行备份；对信标接收机参数进行核查；对设备连接线缆接头进行紧固；对天线控制器和信标接收机的内部电池电压进行测试，必要时进行更换；对天线控制器的各项功能进行测试；对天线手速单元调整天线功能进行验证。

天馈线系统作为卫星地球站上行系统的最后一个环节，它的好坏直接关系到通信业务的正常与否，了解系统的原理及组成，掌握系统的运行维护周期，对做好卫星地球站的安全播出工作有很大帮助。

[1]《卫星通信设备操作维护手册》编写组.卫星通信设备操作维护手册[M].北京:人民邮电出版社，2009.

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