贵州IPTV直播平台卫星天线的设计与实践
【摘要】 卫星天线作为贵州IPTV直播平台的重要组成部分，承担卫星信号的接收任务，本文借助此次接收站的建设，详细介绍了4.5mc频段单收天线的技术方案，对方案的系统组成和工作原理、地基技术要求、分系统设计、可靠性设计、环境适应性设计和技术创新点等作了详细的论述。
【关键词】卫星天线 高频头 5G干扰 滤波器 LNB
由于原有的天线半径较小，接收效果较差，随着贵州IPTV业务的不断发展，直播节目的接收尤其重要，在加上5G基站的激增和信号的覆盖，造成原有天线的接收时常受5G干扰；鉴于对节目安全播出的保障，提高贵州IPTV主信源的接收效果及5G干扰能力，拟新建一套卫星接收系统。
一．工作原理
因为卫星的运动速度和地球的自传速度是相同的，只需将天线对准卫星，卫星信号经天线主副反射体反射后进入馈源网络中，由馈源网络的相应端口输出，再经过LNB，将接收信号送到机房的接收机。
LNB(LOW Noise Block)又叫高频头，即低噪声下变频器，其功能是将由馈源传送的卫星信号经过放大和下变频，把C波段信号变成L波段，经同轴电缆传送给卫星接收机。
二．系统组成
4.5mc频段频段限动天线系统主要由天馈分系统、天线结构分系统组成。天馈分系统包括天线主副反射面、2端口C频段馈源网络（波纹喇叭和微波网络）等；天线结构分系统包括天线反射体、反射体骨架、极化旋转装置、桁架式天线座架、方位－俯仰驱动等。
1.天馈分系统
（1）主副反射面电气参数：
为了实现天线的高效率、低旁瓣、低反射损耗等优良性能，主副面采用修正型环焦天线。利用计算机优化设计技术，选用特殊的口面场分布函数和合理的副反射面边缘照射电平，对主、副反射面进行赋形优化设计，实现天线的高效率与低旁瓣特性的最佳折中，得出4.5m天线主副面电气参数如下：主反射面直径 Dm=4500mm
副反射面直径 Ds=450mm主反射面边缘对主面焦点的半张角ψm=80°副反射面边缘对主面焦点的半张角θm=25°
（2）馈源网络设计
馈源网络主要由波纹喇叭，圆波导和C频段双工器组成。波纹喇叭具有工作频带宽，方向图对称等许多优点，是高性能双反射面天线馈源的理想选择。
波纹喇叭：由输入锥削段、模变换器、频率张角变化
段和喇叭辐射段组成。模变换器的作用是将圆波导中的主模TE11模良好地转换为波纹波导中的主模HE11模，同时要保持良好的匹配和抑制有害高次模EH12模的产生。频率张角变化段主要完成频率和张角的变化，同时也要抑制有害高次模EH12模的产生。喇叭辐射段的作用主要是产生所需的副面边缘照射电平。波纹喇叭达指标：在C频段电压驻波比≤1.25∶1，交叉极化隔离度≥35db(轴向)。
双工器：主要用来实现天线的极化分离，将由天线主、副面、喇叭接收下来的C频段的信号区分开，同时将同一频段内信号的水平极化、垂直极化分别提取出来。其结构示意图如图1所示。
2.天线结构分系统设计
（1）天线反射体天线反射体主要由主反射面、副反射面、反射体骨架、副反射面支撑装置和馈源套筒等组成，其结构示意图如图2所示。
主反射面是天线反射体部分的核心部件之一，其理论曲面是赋型曲线绕天线轴线旋转而形成。综合材料、制造工艺、总装调整等诸方面因素，把天线反射面进行分块设计。主反射面由12块反射面单元（扇形板）组调而成，每块反射面单元独立与天线背架相连接，并具有调整功能，它可准确调整和固定反射面单元的位置，保证反射面单元的安装精度，从而保证反射面的总装精度。反射面单元由经过淬火处理的铝合金板和铝合金Z型材铆接而成。每块扇形板的制造精度σ≤0.3m M（R.M.S.），总装后的反射面精度Σ≤0.5MM（R.M.S.），完全满足C频段天线电气要求。
副反射面采用铸铝材料，属整体结构，为保证副反射面精度，由数控车床加工而成，其精度为≤0.15mm （R.M.S.）。副反射面支撑机构由4根支杆和一个调整机构组成。为了减小主反射面遮挡并保证副反射面的支撑刚度，副反射面支杆采用平椭圆薄壁钢管。4根副反射面支杆的一端支撑在主反射面的骨架上，另一端通过调整机构与副反射面连接，调整机构的4根调整螺杆用来实现副反射面轴向、横向和偏角的调整。副反射面及其支撑机构的三维造型图如图3所示。
（2）反射体骨架设计天线反射体骨架是整个天线反射体的主要受力体和结构支撑。采用空间网状桁架结构，这种结构因其具有较大的刚度重量比，各结构件具有相当好的一致性，受力传递流畅，应力均匀。
反射体骨架由中心体、辐射梁、环向拉杆组成。反射体骨架结构沿圆周方向分为12根辐射梁，两辐射梁之间布空间拉杆。以上各杆件构成了空间网状桁架结构。
中心体是天线反射体结构受力的基础部件，也是天线反射体与天线座架的连接部件，天线反射体的所有载荷都是通过中心体集中向下传递，因此，中心体具有较高的刚强度。（3）馈源网络套筒馈源套筒是馈源网络的支撑部件，分为上、下两段。下段为圆筒结构，采用定动筒方案，微波网络装到动筒中，通过两个薄壁轴承与定筒动连接，定筒固定在中心体上；上段为锥筒结构，其上端面和波纹喇叭定位连接，下端面与动筒止口定位，法兰螺栓连接。
（4）天线座架设计天线座架主要是为天线提供支撑并完成天线在方位和俯仰面的转动，同时在伺服设备控制下，使天线准确地对准卫星。座架采用AZ-EL桁架结构形式，简称A、E两轴式座架，它由座架、方位和俯仰驱动装置、方位和俯仰同步装置﹑方位和俯仰限位装置等组成。
它的方位传动机构为上置式，俯仰传动机构为前置式。方位和俯仰传动方式均为丝杠传动形式。（5）方位部分设计方位部分主要由主立柱、三角架、方位下轴承座组合、方位上轴承座组合等部分组成。方位转动范围是±60°连续；换挡后±90°。
三．可靠性与可维修性设计
系统的技术性、可靠性和经济性是反映系统特征的三大要素，以往的系统设计中，人们比较重视技术性能和经济性，但近十几年来随着对系统稳定性可靠性要求的提高，可靠性设计越来越被重视。指标要求：MTBF=3600H，MTTR=0.5H。
1.可靠性指标分配
（1）MTBF分配
对于串联模型系统：
式中：
TS——为系统MTBF；
TI——为第I个分系统的MTBF。MTBF指标分配的关键是合理选择各分系统的可靠性加权因子，确定加权因子的方法有多种，本设计采用综合因子评定法，即不仅考虑各分系统的复杂性和重要性，还要考虑环境条件，维修难易程度，技术成熟程度等因素，每个因素给出一个定量的评定系数K，则第i个分系统的综合评定值（有六个因素）： 2.可维修性指标分配分系统可维修性指标是由各子系统的可靠性，适当选取模块设计程度加权因子K1，故障检测验方式加权因子K2，可维修设计特性加权因子K3决定。表14是平均维修时间分配表，用于平均维修时间的分配公式为：
表2 平均维修时间分配表
3.指标校核
（1）MTBF天馈：波纹喇叭采用2A12-T3型铝棒加工，进行A L/C t Ocd处理，表面涂覆采用我所的海况标准工艺：p511·(白) B04-11·Ⅲ。馈电微波网络和发射波导采用H62-挤制R黄铜棒和国标铜波导加工而成，内壁镀银并涂复DJB-823，表面涂覆采用我所的海况标准工艺：P511·(白)B04-11·Ⅲ。经过以上处理可使部件的寿命至少达到15年以上。MTBF1=131400 h，λ1=7.61×10-6天线结构：天线结构的齿轮、轴承等传动部分按寿命超过15年设计。
四．可靠性与可维修性保障措施
1.可靠性性保障措施
(a) 简化设计：在满足性能指标和功能的前提下，尽量简化设计方案，选用系列化、标准化、模块化成熟的部件，并进行优化设计；
(b) 降额设计：在保证技术指标前提下，对元器件的工作电压范围、温度特性、电特性等参数都应采用合理的降额使用，从而减低元器件在各种应力条件下的失效率；
(c) 选择优质元器件和设备：在设计过程中，应选用高质量、高稳定、低失效率和以往常用的元器件，并考虑合适
的降额系数，所用的元器件必须进行严格筛选，还要按筛选规范进行老练筛选，剔除质量差和早期失效的器件；
(d) 结构可靠性设计：结构设计应考虑方便设备装配、调试和维修，确保结构坚固性，以承受规定的环境应力；
(e) 天线结构系统为室外设备，长期在野外工作，环境条件比较恶劣，为了保证其工作寿命15年，本天线在设计中采取了如下主要措施：
(1) 驱动装置设计寿命为15年到20年；
(2)所有轴承的选用寿命均大于15年；
(3) 减速器选用寿命大于15年；
(4)重要的轴、连接螺栓都采用优质合金钢40Cr制造； (5)润滑采用润滑脂，使用质优价高的二硫化钼；
(6) 采用封闭式结构设计。所有电器元件，驱动装置等均封闭在罩内，以确保可靠；
(7) 驱动齿轮、轴均采用氮化钢以进行氮化处理，外部小螺钉均采用不锈钢等；
(8) 电机选用三防电机；
(9) 涂覆：采用重防腐涂覆工艺。钢结构件：采用喷砂处理见金属本色后喷锌，厚度为0.2mm～0.25mm，同时表面再喷两遍保护漆；铝结构件：喷锶黄环氧底漆两遍，环氧聚酰胺底漆一遍，脂肪族聚氨酯面漆两遍。2.可维修性保障措施缩短故障定位时间、缩短故障排除时间、缩短修复验证时间是维修性设计的三大措施。具体措施如下：
(a) 具有良好的可达性：天线设备中座架的传动部件为故障率较高的部件，因此，方位、俯仰电机、同步及限位装置均设计在容易到达之处，且该处设计有安装维修平台；
(b) 提高标准化和互换性程度：方位、俯仰电机和减速机均选用国家大型专业厂家生产的标准件；方位、俯仰同步装置均采用模块化设计；尽量减少其品种和规格，提高互换性和通用化程度，以提高维修效率；
(c) 具有可维修标识：减速机上有油标指示和注油口标识，方位、俯仰电机和减速机均有标牌，上面印有型号、生产厂家、编号、出厂时间等；
(d) 保证维修安全：在可能发生危险的部位，均设计有醒目的警示标记；
(e) 馈源喇叭口膜的更换：维修人员先将天线俯仰转到60°，再将爬梯停靠在天线主发射体边缘，最后攀上爬梯进入天线主反射体进行作业；
(f) 低噪声放大器安装在天线中心体内，其空间较宽敞，以方便维修。
五．环境适应性设计
1.热设计为提高设备的防水、防潮湿、防盐雾、防霉菌能力，对含电气元件的设备单元均进行加罩密封处理，为进一步保证电机的三防性能，选用三防电机，电机上有风扇冷却措施，天线结构和座结构设计尽可能避免积水和凹凸不平结构，否则应设有排水孔，反射体骨架主要部分均为焊接件，为减少腐蚀源，在焊接时尽量采用封闭焊，并在反射体骨架易存水处都开有排水孔，暴露在外的轴均采用氮化处理，所有紧固件均为镀锌钝化件，其中弹簧垫圈在镀锌钝化后再去氢处理，钢结构的所有外部焊缝应为满焊，暴露在外的电缆接插头采用热缩管密封或用密封胶密封，暴露在外的零部件结构面涂润滑脂，结构缝隙用密封胶密封，天线的方位、俯仰转轴和驱动装置内部加注二硫化钼优质润滑脂；
天线表面涂覆，天线结构和座架结构的主要钢件和铝合金件均采用油漆涂覆的三防处理方式，在涂覆的前处理上，所有钢件均进行喷砂处理，并在规定的时间内涂上三防性能好的底漆和面漆，并将标准件用漆封闭，以保证天线的三防性能，钢结构的内部采用喷涂磷化底漆（X06-1）和881铁红耐油防腐底漆进行保护，钢结构外部采用喷锌，喷8号锶黄和白色丙烯酸磁漆（B04-11），驱动减速箱外表面涂覆方式与钢结构外部相同，内表面不能喷锌者涂磷化底漆（X061）和涂881铁红耐油防腐底漆，天线反射面等非铸铝合金件采用喷涂磷化底漆、8号锶黄漆和白色丙烯酸磁漆。2.电磁兼容设计
电磁兼容性设计符合GB/T 6113-1995《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》、GB13615-92《地球站电磁环境保护要求》的要求，采取如下措施：
(a) 设备柜、插箱在结构上都哦有很好的承载能力，而且电磁屏蔽作用，尽可能消除大的缝隙；
(b) 高低电平，高低频率的部分分开，连线短，不交叉，不缠绕；
(c) 机柜、机箱、屏蔽盒接地线良好搭接，搭接条的长宽比小于5:1；
六．技术亮点
4.5米A—E型桁架式座架环焦卫星接收天线，符合G B/ T19001－2008、GJB9001B-2009标准，满足ITU-T、ITU-R有关技术规定和要求。
赋形双反射面天线，具有效率高、旁瓣低、交叉极化隔离度高等良好的电气特性。
天线面板采用厚度为2mm的2a12-o型铝合金板，淬火拉伸工艺成型，表面精度高，刚强度高，安装方便，有良好的抗风能力。
面板涂覆三防性能良好的锶黄底漆和聚氨酯面漆，所有钢结构应进行浸锌处理。M12以下的紧固件采用不锈钢材料，使得天线能够适应各种恶劣环境。
安装的高频头、滤波器均采用加拿大Norsat公司产品，能够很好的抵御5G信号的干扰。B&P
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