卫星天线加热除雪系统实施方案及其应用

徐 洋

山东广播电视台 山东 济南250014

一、设计安装天线加热除雪系统的背景及意义

卫星通信地球站依靠无线电波来传输广播电视信号,天线作为发射和接收无线电波的装置在广播电视卫星传输覆盖中扮演着极为重要的“角色”,其性能直接影响着卫星通信信号的质量。冬季自然环境下的降雪过程中天线表面雪花沉积(相当于改变了天线的形状),造成卫星通信信号的传输损耗和无线电波的散射,破坏了天线口面场分布函数的均匀性,天线效率降低,直接影响了广播电视信号的安全播出。若采用人工除雪,不但费时费力还需要进行天线之间的切换操作,对安全播出造成一定的风险。因此,安装一套天线除雪系统最大限度的保障广播电视信号播出安全显得十分必要。济南地处北方,冬季雨雪天气较多,雪的粘性较大,通过对多种除雪系统特点的比较(表1),本着更高效、更便捷的原则并结合本站实际最终选择天线加热除雪系统作为本站应对降雪天气时的除雪方法。

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二、天线加热除雪系统设计实施

(一)系统构成。山东地球站现有4面大口径天线,分别为12米一面,9米两面和7.3米一面。根据实际需要,本次卫星天线加热除雪系统的设计实施只针对新安装的两面9米天线。如图1所示:天线加热除雪系统主要由3部分组成:加热组件、控制部分和远程监控端。

1.加热组件。加热组件规整有序的贴敷在天线的背面,由高效硅胶加热片、保温材料和温度探头组成。硅胶加热片是采用耐高温、高导热、绝缘性能佳、强度好的硅橡胶、耐高温的纤维增强材料以及金属发热膜电路集合而成的软性电加热膜元件。具有柔性,更容易贴近天线扇面,且形状可以随要求变化设计加热,这样,就能够让热传递到任何所需的地方,能够迅速提升天线表面温度,达到化雪的效果。一般的平面发热体以碳为主要成分,而硅胶加热片是经过排列后的镍合金电阻线组成,因此使用更安全。保温材料采用橡塑保温材料。橡塑是高品质的保温节能材料,热传导系数低并且保持稳定,平均温度为0℃时,橡塑保温材料导热系数可低至0.033 w/mk,而它的表面放热系数高,因此在相同的外界条件下,使用橡塑保温材料,约需其它保温材料一半的厚度,即能达到相同的保温效果,也节省了资金。橡塑保温材料还抗老化、耐酸碱、防水,阻燃防火等级达到B1级。由此可见,橡塑保温材料不仅能够有效地维持天线表面温度,还能对天线起到保护作用。

2.控制部分。控制部分由地面控制柜,功率控制模块,馈源辅助加热控制系统等组成。地面控制柜安装在天线旁边,封闭性好,防潮防水。功率控制模块即安装在控制柜内的天线加热系统的室外控制器单元。系统把整个天线面均匀分成8个区(图2),每个区对应一个控制器,每个控制器通过线缆连接控制一个区的工作。每个区有5个分区,分别连接控制器的5个通道,每分区含1个加热组件,3个温度探头。天线进行多区独立闭环控制,控制系统依据温度、功率等参数并根据不同的工作模式对分区进行加热。控制器间使用100Base-T以太网连接,共享使用类似Lon Works网络的共享数据库,各控制器关键控制数据使用TCP协议,状态数据使用UDP协议,减轻网络负担。馈源喇叭口面结霜或者存在雪或雨滴所造成的信号散射和折射对其影响占很大比重,馈源辅助加热控制系统采用新设计理念,通过鼓风机和送风软管从侧面向馈源口面吹送高压热空气,快速将馈源口面形成的积雪、霜和水珠吹干,避免在馈源口面形成积雪或结霜,有效消除降雨、降雪对卫星天线馈源口面的影响,改善卫星链路质量,保证系统畅通和安全运行,提高卫星链路的可用度。

3.远程监控端。远程监控端即安装在播出机房电脑上的监控软件,电脑通过网线和交换设备与室外控制柜内各区控制器相连。远程监控系统实现对2个天线加热装置的控制,实现加热参数设置,控制天线加热除雪的开始和停止,显示天线各个区域的温度、电流、功率和加热状态。

(二)供电结构。确保天线加热除雪系统正常运行并达到效果佳的化雪效果,根据济南市历史气候数据设置两面9米天线最大功率均为40k w,如图3所示:

三、天线加热系统的应用模式

系统有3种可配置工作模式:恒温模式、功率限制模式、全功率强制加热模式。恒温模式和功率限制模式通过系统监控软件进行设置,这两种模式下的操作均可通过软件系统实现。全功率强制加热模式脱离系统软件控制,需要到室外将控制柜内控制器设置到全功率强制加热模式。

(一)恒温模式。设置天线表面温度后,若设置的温度高于实时天线表面温度时,各分区对加热功率进行控制使天线表面升温达到设置的温度并保持在设定温度±0.8℃内。此模式天线表面温度能够保持持续稳定,雪花落在天线上即刻融化,在极端恶劣天气下能保证天线表面无积雪。恒温模式的缺点是使用功率较大(实际功率根据天线尺寸和使用环境决定,一般不大于设计功率的35%)。由于本站供电系统分配天线加热系统电功率充足,因此恒温模式是本站常用的天线加热模式。

(二)功率限制模式。由于部分现场条件限制,无法提供恒温模式所需要的功率,系统根据所处“供电区域”设定功率,自由分配分区进行循环加热。分区申请到功率后对该区域进行加热,温度达到设定的温度值后停止加热,释放的功率由其它分区进行申请。该模式使用功率小,但天线表面温度不均匀,雪势较大时可能部分分区会短时出现堆积。据了解,实际使用中9米天线在6k W限制功率下,中雪环境能保证天线正常工作。(三)全功率强制加热模式。如果链路中断、软件故障和其它紧急等情况恒温模式和功率限制模式无法使用,此时可以使用钥匙开关把室外控制柜内的控制器旋转到全功率强制加热模式。在此模式下应严密监测设备运行状态和天线温度状况,避免出现用电安全隐患。

四、天线加热除雪系统使用经验

天线加热除雪系统安装调试完毕后,经过两个冬季的运行总结出一些使用经验,下面通过几个实例进行介绍:

事例1:2019年12月25日晚,济南出现降雪天气,天线面积雪严重,开启天线加热系统进行融雪,结果短时间内造成发射机多次提升功率。

原因:卫星通信天线的口面场分布函数是对天线高增益和低旁瓣特性、低天线噪声温度折衷的结果,口面场分布函数的幅度和相位越均匀,天线的增益越高。天线面存有一定量的雪再开启加热系统化雪使松软的雪塌陷造成反射面积雪凹凸不平,对电磁波产生了强弱不同的散射和吸收,其作用就相当于严重地破坏了卫星天线口面场分布函数的均匀性,大大降低了天线增益,同时也增大了天线的噪声温度,上行链路的EIRP值或接收系统的G/T值均会因此而大大减小,影响卫星信号的传输质量,造成发射机功率增加。

经验:当天气预报有降雪时,依据详细时段预报或观察到的实时天气情况提前2小时开启天线加热除雪系统使天线面温度维持在预设置的温度。预设值温度为5度时,此系统足以应对大雪天气。

事例2:2019年11月27日,预报雨雪天气,提前开启天线加热除雪系统,经过一段时间后发现2号控制器对应的天线区域出现错误提示,软件系统没有发现故障,查看室外控制柜发现2号控制器空气开关跳闸。

原因:控制柜安装在室外,日晒雨淋,环境较差,2号控制器空气开关电缆线螺丝松动造成过流。

经验:进入冬季之前对天线加热除雪系统检修维护。室外控制柜进行除尘;检查各电缆线连接是否牢固;重启交换设备;开启天线加热,检查是否运行正常等。

事例3:2020年12月28日晚,济南气温零下15度,降雪预报,提前开启天线加热除雪系统,恒温模式下天线表面温度维持在5度,降雪过程中发现天线加热除雪系统自动跳转到限功率模式下控制器轮流控制加热。

原因:由于当晚天气寒冷,气温与天线加热除雪系统预设值温度值温差过大,天线加热功率高于设置的功率上限,系统自动跳转到限功率模式下控制器轮流控制加热。

经验:若天线表面温度连续下降降到冰点以下或者天线表面温度不均匀,有可能会造成部分天线面积雪,根据下行接收信号电平应及时采取提升上行发射功率、人工冲雪等手段,并做好切换备用天线的准备,以确保广播电视播出安全。

五、总结

地球站天线加热除雪系统施工历时一个月,其间经过多次的系统优化,在工程技术人员的精心安装下,终于安装调试完毕。经过单位技术规划部组成的验收小组查看测试,满足施工要求,2019年冬季正式投入使用。通过近两个冬季使用情况来看,天线加热除雪系统加热效率高、天线表面温度升温快和操作简单等优点显著。相比于其它传统的除雪方式更安全、更便捷。此系统开始投入使用后,使得地球站冬季广播电视播出安全提升了一个档次。