提升卫星信号接收系统可靠性措施初探
摘要: 本文通过对卫星信号接收系统的各类常见故障进行分析,有针对性地提出了抛物面天线支撑杆安装、加装馈源筒防虫保护盖、馈线套管接地、馈源盘支撑杆绝缘改造、高频头防雷绝缘处理、高频头防护罩安装六项有效措施,用于提升卫星信号接收系统的可靠性,经实践检验,收效显著。

卫星信号接收系统由抛物面天线、馈源、馈线、高频头和卫星接收机组成,抛物面天线将来自卫星的电磁波信号反射聚焦,馈源将其极化并转换成电压信号送至高频头,经降频和信号放大处理后通过馈线传输至卫星接收机,最终解调出广播电视节目信号。不同于光缆链路在地表传输易受自然灾害和人类活动破坏的特点,卫星空间链路传输相较于其它传输方式,具有更高的可靠性,因此,卫星信号成为了无线发射台站不可替代的广播电视节目信号来源。而根据近些年各发射台站的维护情况来看,空间链路传输十分稳定,但是卫星信号接收系统本身的故障率较高,一旦出现故障,台站的广播和电视节目的正常播出就无法得到保障。

二、卫星信号接收系统常见故障原因分析

广西壮族自治区地处亚热带季风气候区,暴雨、大雪和冰雹均有形成的条件,台风、雷暴等气象灾害频发,是导致卫星信号接收系统故障的主要原因。广播电视无线发射台站大多建设在城市郊外或高山上,昆虫和小动物种类数量丰富、活动频繁,也是影响卫星信号接收系统正常使用的原因之一。

(一)天线朝向偏移。一般情况下,卫星抛物面天线对准卫星并紧固螺栓后不易出现失焦的问题,但如果出现台风、冰雹或大雪等恶劣天气,易使天线仰角或方位角发生变化造成失焦,导致信号质量变差甚至中断。原因是天线抛物面的面积较大,采用铝合金或玻璃纤维材质决定了其质量重、风阻大的特性,仅依靠自身圆钢筒基座的支撑无法有效抵御极端天气的影响。

(二)信号传导受阻。这种情况是抛物面反射的电磁波信号已经汇集在馈源,但经馈源筒传导至高频头的过程中受阻或出现偏折导致无法正常送达高频头。根据统计,此类故障绝大部份原因是蜘蛛或泥蜂等昆虫或小动物在馈源筒内部栖息或筑巢所致,虽然手工清理即可解决,但排查和处理仍耗时较长且治标不治本。

(三)馈线老化、高频头短路。卫星接收天线上的高频头和馈线遭受日晒雨淋,易使外壳、外皮、防水胶圈等外部件老化开裂,雨水因此渗入馈线和高频头内部导致短路,轻则信号不稳定,重则高频头元件损坏、信号中断。

(四)雷击导致设备损坏。由于卫星接收天线周边的机房或铁塔等建筑物的防直击雷的设施比较完善,所以一般都是遭受感应雷击现象导致高频头和卫星接收机损坏。雷电作为自然界中维持地球与大气之间电平衡的放电现象是不可抗拒的,感应雷击现象是指雷云对大地放电时会产生高达几万伏甚至几百万伏的冲击电压,上百千安的雷电流在周围几公里的空间中产生能量巨大且剧烈变化的电磁场,这种电磁场能够在其周边的金属导体上感应出很强的感应电流,而整个抛物面天线本身就是一个巨大的金属导体,感应电流迅速传导至馈源和高频头致使其内部元件击穿烧毁,而架空的馈线亦容易产生感应电流致使卫星接收机损坏。

三、提升卫星信号接收系统可靠性的改进措施

基于各类卫星信号接收系统的常见故障分析而制定的各项提升可靠性的改进措施,将以各无线发射台站普遍使用的馈源三支撑杆型卫星接收天线为例进行简要说明。

(一)抛物面天线支撑杆安装。将天线调整到最佳位置后锁紧螺栓防止移位,在抛物面天线开口一侧的正下方其中一条辐条的中心位置,接一条垂直于地面的直径20cm的热镀锌钢管支撑杆,此支撑杆可防止天线面下沉仰角变小;间隔120度依次接好余下的两条支撑杆,与地面的夹角呈70度左右为宜,防止天线因强风作用发生左右偏移导致失焦;杆的上方敲扁打孔并使用螺栓固定于幅条上,下方敲扁并弯折90度,用膨胀螺钉固定于混凝土地面。若后期有微调的需求,可将每条支撑杆从中间截断30cm,并焊接上等长的花篮螺丝以取代截断部分,旋转花篮螺丝即可实现支撑杆的伸缩调整。

(二)加装馈源筒防虫保护盖。定制硅胶或PE材质的透明保护盖,由正圆形的盖子部分和垂直于盖子的中空圆柱形的部件构成,外径为61.8mm的中空圆柱形部件嵌入馈源筒下方开口处起到固定的作用,盖子作为防虫保护屏障有效防止昆虫和小动物进入馈源内部,但卫星信号仍可正常穿透。

(三)馈线套管接地。将连接高频头和卫星接收机的馈线套上高密度金属波纹管进行保护,波纹管外壳在卫星接收天线这一端接入埋于地下的防雷接地井。馈线引入机房后进入卫星接收机之前接一个同轴型的避雷器,避雷器以及卫星接收机的外壳均接入机房接地排。

(四)馈源支撑杆绝缘改造。对三条金属的馈源支撑杆进行绝缘改造,将每条支撑杆中间部分截断10cm后套入30cm长的绝缘的环氧树脂管形成新的支撑杆,套入深度为10cm,连接处使用手电钻钻开贯穿杆身的2个直径4.5mm的孔,并使用M4×30不锈钢螺栓套件固定。安装前须测量改造后的支撑杆总长度是否与改造前一致,相差过大会导致馈源对焦不准影响接收效果,安装完成后使用703硅橡胶对管口和螺栓位置进行防水处理。改造后的馈源支撑杆在环氧树脂管内形成长度为10cm的空气隔离区,隔断卫星天线与馈源之间的感应电流传导,降低高频头被击穿损坏的概率。

(五)高频头防雷绝缘处理。使用定制的2mm厚硅胶材质胶圈作为绝缘垫将高频头与馈源筒之间隔离开来,进一步隔绝感应电流向高频头传导。使用卡尺测量高频头的开口尺寸以及螺栓孔位的相对位置,并使用机械制图软件绘制成绝缘垫图纸,委托加工厂使用专业激光切割设备按图纸进行加工制作即可。安装时使用绝缘尼龙材质的螺栓套件将馈源筒、绝缘垫和高频头依次连接并紧固。

(六)高频头防护罩安装。采用直径300mm高450mm的药用铝瓶加工成具备挡雨和防雷功能的高频头防护罩。铝瓶由直径300mm带密封胶圈的铝合金封盖、桶身以及可拆卸的不锈钢封口卡箍组成,在封盖上使用开孔器开出直径90mm的大孔作为馈源口和一个直径20mm的馈线孔,并参照馈源盘相应开孔位置钻开若干个直径6.5mm的螺栓孔完成底座加工。安装时先将馈源筒连带高频头拆下,取下馈源支撑杆与馈源盘连接的固定螺栓再放上防护罩底座,使用原来的螺栓固定好底座后再安装回馈源筒和高频头,馈线从下方穿入预留孔后连接高频头,将桶身反扣于底座上,最后使用不锈钢封口卡箍将桶身与底座箍紧完成安装。使用10平方的胶皮软铜接地线将防护罩底座与地下的防雷接地井连接起来,雷击发生之后,由于防护罩的桶身与底座紧密接触形成法拉第笼,减弱了向防护罩内部传播的电磁场强度,并将自身的感应电流向大地泄放而不会传导至与其电气隔绝的高频头,从而有效降低高频头损坏的概率。

四、结论

广西崇左市的其中三个广播电视发射无线台站在三年多以前对所有的卫星接收天线进行了抛物面支撑杆和馈源筒防虫保护盖的安装,至今未出现过因失焦导致卫星信号质量变差或信号不稳定的情况。后续对其中一部分的卫星信号接收系统进行了各项防雷绝缘和防雷接地的改造,经过了一年多的观察,已实施防雷改造措施卫星信号接收系统均未受雷击影响;在未实施改造的系统当中有部分出现过高频头遭雷击损坏的情况,其中就有两套系统的高频头于今年六月发生的一次强雷击过程中同时被击穿损坏,由此证明,以上改进措施切实有效提升了卫星信号接收系统的可靠性,极具推广价值。