【摘要】 衛星天線作為貴州IPTV直播平臺的重要組成部分，承擔衛星信號的接收任務，本文借助此次接收站的建設，詳細介紹了4.5mC頻段單收天線的技術方案，對方案的系統組成和工作原理、地基技術要求、分系統設計、可靠性設計、環境適應性設計和技術創新點等作了詳細的論述。
【關鍵詞】 衛星天線 高頻頭 5G干擾 濾波器 LNB
由于原有的天線半徑較小，接收效果較差，隨著貴州IPTV業務的不斷發展，直播節目的接收尤其重要，在加上5G基站的激增和信號的覆蓋，造成原有天線的接收時常受5G干擾；鑒于對節目安全播出的保障，提高貴州IPTV主信源的接收效果及5G干擾能力，擬新建一套衛星接收系統。
一．工作原理
因為衛星的運動速度和地球的自傳速度是相同的，只需將天線對準衛星，衛星信號經天線主副反射體反射后進入饋源網絡中，由饋源網絡的相應端口輸出，再經過LNB，將接收信號送到機房的接收機。
LNB(Low Noise Block)又叫高頻頭，即低噪聲下變頻器，其功能是將由饋源傳送的衛星信號經過放大和下變頻，把C波段信號變成L波段，經同軸電纜傳送給衛星接收機。
二．系統組成
4.5mC頻段頻段限動天線系統主要由天饋分系統、天線結構分系統組成。天饋分系統包括天線主副反射面、2端口C頻段饋源網絡（波紋喇叭和微波網絡）等；天線結構分系統包括天線反射體、反射體骨架、極化旋轉裝置、桁架式天線座架、方位－俯仰驅動等。
1.天饋分系統
（1）主副反射面電氣參數：
為了實現天線的高效率、低旁瓣、低反射損耗等優良性能，主副面采用修正型環焦天線。利用計算機優化設計技術，選用特殊的口面場分布函數和合理的副反射面邊緣照射電平，對主、副反射面進行賦形優化設計，實現天線的高效率與低旁瓣特性的最佳折中，得出4.5m天線主副面電氣參數如下：
主反射面直徑 Dm=4500mm
副反射面直徑 Ds=450mm
主反射面邊緣對主面焦點的半張角 ψm=80°副反射面邊緣對主面焦點的半張角 θm=25°
4.5m天線主副面曲線示意圖
（2）饋源網絡設計
饋源網絡主要由波紋喇叭，圓波導和C頻段雙工器組成。波紋喇叭具有工作頻帶寬，方向圖對稱等許多優點，是高性能雙反射面天線饋源的理想選擇。
波紋喇叭：由輸入錐削段、模變換器、頻率張角變化
圖 1 雙工器結構示意圖
段和喇叭輻射段組成。模變換器的作用是將圓波導中的主模TE11模良好地轉換為波紋波導中的主模HE11模，同時要保持良好的匹配和抑制有害高次模EH12模的產生。頻率張角變化段主要完成頻率和張角的變化，同時也要抑制有害高次模EH12模的產生。喇叭輻射段的作用主要是產生所需的副面邊緣照射電平。波紋喇叭達指標：在C頻段電壓駐波比 ≤1.25∶1，交叉極化隔離度≥35dB(軸向)。
雙工器：主要用來實現天線的極化分離，將由天線主、副面、喇叭接收下來的C頻段的信號區分開，同時將同一頻段內信號的水平極化、垂直極化分別提取出來。其結構示意圖如圖1所示。
2.天線結構分系統設計
（1）天線反射體
天線反射體主要由主反射面、副反射面、反射體骨架、副反射面支撐裝置和饋源套筒等組成，其結構示意圖如圖2所示。
圖 2 天線反射體示意圖
主反射面是天線反射體部分的核心部件之一，其理論曲面是賦型曲線繞天線軸線旋轉而形成。綜合材料、制造工藝、總裝調整等諸方面因素，把天線反射面進行分塊設計。主反射面由12塊反射面單元（扇形板）組調而成，每塊反射面單元獨立與天線背架相連接，并具有調整功能，它可準確調整和固定反射面單元的位置，保證反射面單元的安裝精度，從而保證反射面的總裝精度。反射面單元由經過淬火處理的鋁合金板和鋁合金Z型材鉚接而成。每塊扇形板的制造精度σ≤0.3mm（R.M.S.），總裝后的反射面精度σ≤0.5mm（R.M.S.），完全滿足C頻段天線電氣要求。
副反射面采用鑄鋁材料，屬整體結構，為保證副反射面精度，由數控車床加工而成，其精度為≤0.15mm（R.M.S.）。副反射面支撐機構由4根支桿和一個調整機構組成。為了減小主反射面遮擋并保證副反射面的支撐剛度，副反射面支桿采用平橢圓薄壁鋼管。4根副反射面支桿的一端支撐在主反射面的骨架上，另一端通過調整機構與副反射面連接，調整機構的4根調整螺桿用來實現副反射面軸向、橫向和偏角的調整。副反射面及其支撐機構的三維造型圖如圖3所示。
圖 3 副反射面及其支撐機構的三維造型圖
（2）反射體骨架設計
天線反射體骨架是整個天線反射體的主要受力體和結構支撐。采用空間網狀桁架結構，這種結構因其具有較大的剛度重量比，各結構件具有相當好的一致性，受力傳遞流暢，應力均勻。
反射體骨架由中心體、輻射梁、環向拉桿組成。反射體骨架結構沿圓周方向分為12根輻射梁，兩輻射梁之間布空間拉桿。以上各桿件構成了空間網狀桁架結構。
中心體是天線反射體結構受力的基礎部件，也是天線反射體與天線座架的連接部件，天線反射體的所有載荷都是通過中心體集中向下傳遞，因此，中心體具有較高的剛強度。
（3）饋源網絡套筒
饋源套筒是饋源網絡的支撐部件，分為上、下兩段。下段為圓筒結構，采用定動筒方案，微波網絡裝到動筒中，通過兩個薄壁軸承與定筒動連接，定筒固定在中心體上；上段為錐筒結構，其上端面和波紋喇叭定位連接，下端面與動筒止口定位，法蘭螺栓連接。
（4）天線座架設計
天線座架主要是為天線提供支撐并完成天線在方位和俯仰面的轉動，同時在伺服設備控制下，使天線準確地對準衛星。座架采用AZ-EL桁架結構形式，簡稱A、E兩軸式座架，它由座架、方位和俯仰驅動裝置、方位和俯仰同步裝置﹑方位和俯仰限位裝置等組成。
它的方位傳動機構為上置式，俯仰傳動機構為前置式。方位和俯仰傳動方式均為絲杠傳動形式。
（5）方位部分設計
方位部分主要由主立柱、三角架、方位下軸承座組合、方位上軸承座組合等部分組成。方位轉動范圍是±60°連續；換擋后±90°。
三．可靠性與可維修性設計
系統的技術性、可靠性和經濟性是反映系統特征的三大要素，以往的系統設計中，人們比較重視技術性能和經濟性，但近十幾年來隨著對系統穩定性可靠性要求的提高，可靠性設計越來越被重視。
指標要求：MTBF=3600h，MTTR=0.5h。 1.可靠性指標分配
（1）MTBF分配
對于串聯模型系統：
式中：
TS——為系統MTBF；
Ti——為第i個分系統的MTBF。
MTBF指標分配的關鍵是合理選擇各分系統的可靠性加權因子，確定加權因子的方法有多種，本設計采用綜合因子評定法，即不僅考慮各分系統的復雜性和重要性，還要考慮環境條件，維修難易程度，技術成熟程度等因素，每個因素給出一個定量的評定系數K，則第i個分系統的綜合評定值（有六個因素）：
整個系統的綜合評定值（設有m個分系統）：
表 1 可靠性指標MTBF分配表
2.可維修性指標分配
分系統可維修性指標是由各子系統的可靠性，適當選取模塊設計程度加權因子K1，故障檢測驗方式加權因子K2，可維修設計特性加權因子K3決定。表14是平均維修時間分配表，用于平均維修時間的分配公式為：
式中：
——子系統的第j個分機的平均維修時間；
——為第j個分機的失效故障率；
—— 子系統失效故障率。
表 2 平均維修時間分配表
3.指標校核
（1）MTBF
天饋：波紋喇叭采用2A12-T3型鋁棒加工，進行AL/CtOcd處理，表面涂覆采用我所的海況標準工藝：P511·(白) B04-11·Ⅲ。饋電微波網絡和發射波導采用H62-擠制R黃銅棒和國標銅波導加工而成，內壁鍍銀并涂復DJB-823，表面涂覆采用我所的海況標準工藝：P511·(白)B04-11·Ⅲ。經過以上處理可使部件的壽命至少達到15年以上。
MTBF1=131400 h，λ1=7.61×10-6
天線結構：天線結構的齒輪、軸承等傳動部分按壽命超過15年設計。
MTBF2=87600 h，λ2=1.14×10-5。
伺服控制：MTBF3=7711 h，λ3=1.30×10-4。
分系統：MTBF=1/(λ1+λ2+λ3)=6710 h。
MTTR：天饋MTTR：0.4h。
天線結構MTTR：0.8h。
伺服控制：0.4h。
分系統：MTTR==0.47h。
4.可用性校核
MTBF=6710 h。
MTTR=0.47 h。
A=MTBF/（MTBF+MTTR）=99.993%。計算結果滿足設計要求。
四．可靠性與可維修性保障措施
1.可靠性性保障措施
(a) 簡化設計：在滿足性能指標和功能的前提下，盡量簡化設計方案，選用系列化、標準化、模塊化成熟的部件，并進行優化設計；
(b) 降額設計：在保證技術指標前提下，對元器件的工作電壓范圍、溫度特性、電特性等參數都應采用合理的降額使用，從而減低元器件在各種應力條件下的失效率；
(c) 選擇優質元器件和設備：在設計過程中，應選用高質量、高穩定、低失效率和以往常用的元器件，并考慮合適的降額系數，所用的元器件必須進行嚴格篩選，還要按篩選規范進行老練篩選，剔除質量差和早期失效的器件；
(d) 結構可靠性設計：結構設計應考慮方便設備裝配、調試和維修，確保結構堅固性，以承受規定的環境應力；
(e) 天線結構系統為室外設備，長期在野外工作，環境條件比較惡劣，為了保證其工作壽命15年，本天線在設計中采取了如下主要措施：
(1) 驅動裝置設計壽命為15年到20年；
(2) 所有軸承的選用壽命均大于15年；
(3) 減速器選用壽命大于15年；
(4) 重要的軸、連接螺栓都采用優質合金鋼40Cr制造；
(5) 潤滑采用潤滑脂，使用質優價高的二硫化鉬；
(6) 采用封閉式結構設計。所有電器元件，驅動裝置等均封閉在罩內，以確保可靠；
(7) 驅動齒輪、軸均采用氮化鋼以進行氮化處理，外部小螺釘均采用不銹鋼等；
(8) 電機選用三防電機；
(9) 涂覆：采用重防腐涂覆工藝。鋼結構件：采用噴砂處理見金屬本色后噴鋅，厚度為0.2mm～0.25mm，同時表面再噴兩遍保護漆；鋁結構件：噴鍶黃環氧底漆兩遍，環氧聚酰胺底漆一遍，脂肪族聚氨酯面漆兩遍。
2.可維修性保障措施
縮短故障定位時間、縮短故障排除時間、縮短修復驗證時間是維修性設計的三大措施。具體措施如下：
(a) 具有良好的可達性：天線設備中座架的傳動部件為故障率較高的部件，因此，方位、俯仰電機、同步及限位裝置均設計在容易到達之處，且該處設計有安裝維修平臺；
(b) 提高標準化和互換性程度：方位、俯仰電機和減速機均選用國家大型專業廠家生產的標準件；方位、俯仰同步裝置均采用模塊化設計；盡量減少其品種和規格，提高互換性和通用化程度，以提高維修效率；
(c) 具有可維修標識：減速機上有油標指示和注油口標識，方位、俯仰電機和減速機均有標牌，上面印有型號、生產廠家、編號、出廠時間等；
(d) 保證維修安全：在可能發生危險的部位，均設計有醒目的警示標記；
(e) 饋源喇叭口膜的更換：維修人員先將天線俯仰轉到60°，再將爬梯停靠在天線主發射體邊緣，最后攀上爬梯進入天線主反射體進行作業；
(f ) 低噪聲放大器安裝在天線中心體內，其空間較寬敞，以方便維修。
五．環境適應性設計
1.熱設計
為提高設備的防水、防潮濕、防鹽霧、防霉菌能力，對含電氣元件的設備單元均進行加罩密封處理，為進一步保證電機的三防性能，選用三防電機，電機上有風扇冷卻措施，天線結構和座結構設計盡可能避免積水和凹凸不平結構，否則應設有排水孔，反射體骨架主要部分均為焊接件，為減少腐蝕源，在焊接時盡量采用封閉焊，并在反射體骨架易存水處都開有排水孔，暴露在外的軸均采用氮化處理，所有緊固件均為鍍鋅鈍化件，其中彈簧墊圈在鍍鋅鈍化后再去氫處理，鋼結構的所有外部焊縫應為滿焊，暴露在外的電纜接插頭采用熱縮管密封或用密封膠密封，暴露在外的零部件結構面涂潤滑脂，結構縫隙用密封膠密封，天線的方位、俯仰轉軸和驅動裝置內部加注二硫化鉬優質潤滑脂；
天線表面涂覆，天線結構和座架結構的主要鋼件和鋁合金件均采用油漆涂覆的三防處理方式，在涂覆的前處理上，所有鋼件均進行噴砂處理，并在規定的時間內涂上三防性能好的底漆和面漆，并將標準件用漆封閉，以保證天線的三防性能，鋼結構的內部采用噴涂磷化底漆（X06-1）和881鐵紅耐油防腐底漆進行保護，鋼結構外部采用噴鋅，噴8號鍶黃和白色丙烯酸磁漆（B04-11），驅動減速箱外表面涂覆方式與鋼結構外部相同，內表面不能噴鋅者涂磷化底漆（X06-1） 和涂881鐵紅耐油防腐底漆，天線反射面等非鑄鋁合金件采用噴涂磷化底漆、8號鍶黃漆和白色丙烯酸磁漆。
2. 電磁兼容設計
電磁兼容性設計符合GB/T 6113-1995《無線電干擾和抗擾度測量設備規范》、GB13615-92《地球站電磁環境保護要求》的要求，采取如下措施：
(a) 設備柜、插箱在結構上都哦有很好的承載能力，而且電磁屏蔽作用，盡可能消除大的縫隙；
(b) 高低電平，高低頻率的部分分開，連線短，不交叉，不纏繞；
(c) 機柜、機箱、屏蔽盒接地線良好搭接，搭接條的長寬比小于5:1；
六．技術亮點
4.5米A—E型桁架式座架環焦衛星接收天線，符合GB/T19001－2008、GJB9001B-2009標準，滿足ITU-T、ITU-R有關技術規定和要求。
賦形雙反射面天線，具有效率高、旁瓣低、交叉極化隔離度高等良好的電氣特性。
天線面板采用厚度為2mm的2A12-O型鋁合金板，淬火拉伸工藝成型，表面精度高，剛強度高，安裝方便，有良好的抗風能力。
面板涂覆三防性能良好的鍶黃底漆和聚氨酯面漆，所有鋼結構應進行浸鋅處理。M12以下的緊固件采用不銹鋼材料，使得天線能夠適應各種惡劣環境。
安裝的高頻頭、濾波器均采用加拿大Norsat公司產品，能夠很好的抵御5G信號的干擾。B&P
參考文獻
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