衛星天線加熱除雪系統實施方案及其應用

徐 洋

山東廣播電視臺 山東 濟南250014

一、設計安裝天線加熱除雪系統的背景及意義

衛星通信地球站依靠無線電波來傳輸廣播電視信號,天線作為發射和接收無線電波的裝置在廣播電視衛星傳輸覆蓋中扮演著極為重要的“角色”,其性能直接影響著衛星通信信號的質量。冬季自然環境下的降雪過程中天線表面雪花沉積(相當于改變了天線的形狀),造成衛星通信信號的傳輸損耗和無線電波的散射,破壞了天線口面場分布函數的均勻性,天線效率降低,直接影響了廣播電視信號的安全播出。若采用人工除雪,不但費時費力還需要進行天線之間的切換操作,對安全播出造成一定的風險。因此,安裝一套天線除雪系統最大限度的保障廣播電視信號播出安全顯得十分必要。濟南地處北方,冬季雨雪天氣較多,雪的粘性較大,通過對多種除雪系統特點的比較(表1),本著更高效、更便捷的原則并結合本站實際最終選擇天線加熱除雪系統作為本站應對降雪天氣時的除雪方法。

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二、天線加熱除雪系統設計實施

(一)系統構成。山東地球站現有4面大口徑天線,分別為12米一面,9米兩面和7.3米一面。根據實際需要,本次衛星天線加熱除雪系統的設計實施只針對新安裝的兩面9米天線。如圖1所示:天線加熱除雪系統主要由3部分組成:加熱組件、控制部分和遠程監控端。

1.加熱組件。加熱組件規整有序的貼敷在天線的背面,由高效硅膠加熱片、保溫材料和溫度探頭組成。硅膠加熱片是采用耐高溫、高導熱、絕緣性能佳、強度好的硅橡膠、耐高溫的纖維增強材料以及金屬發熱膜電路集合而成的軟性電加熱膜元件。具有柔性,更容易貼近天線扇面,且形狀可以隨要求變化設計加熱,這樣,就能夠讓熱傳遞到任何所需的地方,能夠迅速提升天線表面溫度,達到化雪的效果。一般的平面發熱體以碳為主要成分,而硅膠加熱片是經過排列后的鎳合金電阻線組成,因此使用更安全。保溫材料采用橡塑保溫材料。橡塑是高品質的保溫節能材料,熱傳導系數低并且保持穩定,平均溫度為0℃時,橡塑保溫材料導熱系數可低至0.033 w/mk,而它的表面放熱系數高,因此在相同的外界條件下,使用橡塑保溫材料,約需其它保溫材料一半的厚度,即能達到相同的保溫效果,也節省了資金。橡塑保溫材料還抗老化、耐酸堿、防水,阻燃防火等級達到B1級。由此可見,橡塑保溫材料不僅能夠有效地維持天線表面溫度,還能對天線起到保護作用。

2.控制部分?？刂撇糠钟傻孛婵刂乒?功率控制模塊,饋源輔助加熱控制系統等組成。地面控制柜安裝在天線旁邊,封閉性好,防潮防水。功率控制模塊即安裝在控制柜內的天線加熱系統的室外控制器單元。系統把整個天線面均勻分成8個區(圖2),每個區對應一個控制器,每個控制器通過線纜連接控制一個區的工作。每個區有5個分區,分別連接控制器的5個通道,每分區含1個加熱組件,3個溫度探頭。天線進行多區獨立閉環控制,控制系統依據溫度、功率等參數并根據不同的工作模式對分區進行加熱?？刂破鏖g使用100Base-T以太網連接,共享使用類似Lon Works網絡的共享數據庫,各控制器關鍵控制數據使用TCP協議,狀態數據使用UDP協議,減輕網絡負擔。饋源喇叭口面結霜或者存在雪或雨滴所造成的信號散射和折射對其影響占很大比重,饋源輔助加熱控制系統采用新設計理念,通過鼓風機和送風軟管從側面向饋源口面吹送高壓熱空氣,快速將饋源口面形成的積雪、霜和水珠吹干,避免在饋源口面形成積雪或結霜,有效消除降雨、降雪對衛星天線饋源口面的影響,改善衛星鏈路質量,保證系統暢通和安全運行,提高衛星鏈路的可用度。

3.遠程監控端。遠程監控端即安裝在播出機房電腦上的監控軟件,電腦通過網線和交換設備與室外控制柜內各區控制器相連。遠程監控系統實現對2個天線加熱裝置的控制,實現加熱參數設置,控制天線加熱除雪的開始和停止,顯示天線各個區域的溫度、電流、功率和加熱狀態。

(二)供電結構。確保天線加熱除雪系統正常運行并達到效果佳的化雪效果,根據濟南市歷史氣候數據設置兩面9米天線最大功率均為40k w,如圖3所示:

三、天線加熱系統的應用模式

系統有3種可配置工作模式:恒溫模式、功率限制模式、全功率強制加熱模式。恒溫模式和功率限制模式通過系統監控軟件進行設置,這兩種模式下的操作均可通過軟件系統實現。全功率強制加熱模式脫離系統軟件控制,需要到室外將控制柜內控制器設置到全功率強制加熱模式。

(一)恒溫模式。設置天線表面溫度后,若設置的溫度高于實時天線表面溫度時,各分區對加熱功率進行控制使天線表面升溫達到設置的溫度并保持在設定溫度±0.8℃內。此模式天線表面溫度能夠保持持續穩定,雪花落在天線上即刻融化,在極端惡劣天氣下能保證天線表面無積雪。恒溫模式的缺點是使用功率較大(實際功率根據天線尺寸和使用環境決定,一般不大于設計功率的35%)。由于本站供電系統分配天線加熱系統電功率充足,因此恒溫模式是本站常用的天線加熱模式。

(二)功率限制模式。由于部分現場條件限制,無法提供恒溫模式所需要的功率,系統根據所處“供電區域”設定功率,自由分配分區進行循環加熱。分區申請到功率后對該區域進行加熱,溫度達到設定的溫度值后停止加熱,釋放的功率由其它分區進行申請。該模式使用功率小,但天線表面溫度不均勻,雪勢較大時可能部分分區會短時出現堆積。據了解,實際使用中9米天線在6k W限制功率下,中雪環境能保證天線正常工作。(三)全功率強制加熱模式。如果鏈路中斷、軟件故障和其它緊急等情況恒溫模式和功率限制模式無法使用,此時可以使用鑰匙開關把室外控制柜內的控制器旋轉到全功率強制加熱模式。在此模式下應嚴密監測設備運行狀態和天線溫度狀況,避免出現用電安全隱患。

四、天線加熱除雪系統使用經驗

天線加熱除雪系統安裝調試完畢后,經過兩個冬季的運行總結出一些使用經驗,下面通過幾個實例進行介紹:

事例1:2019年12月25日晚,濟南出現降雪天氣,天線面積雪嚴重,開啟天線加熱系統進行融雪,結果短時間內造成發射機多次提升功率。

原因:衛星通信天線的口面場分布函數是對天線高增益和低旁瓣特性、低天線噪聲溫度折衷的結果,口面場分布函數的幅度和相位越均勻,天線的增益越高。天線面存有一定量的雪再開啟加熱系統化雪使松軟的雪塌陷造成反射面積雪凹凸不平,對電磁波產生了強弱不同的散射和吸收,其作用就相當于嚴重地破壞了衛星天線口面場分布函數的均勻性,大大降低了天線增益,同時也增大了天線的噪聲溫度,上行鏈路的EIRP值或接收系統的G/T值均會因此而大大減小,影響衛星信號的傳輸質量,造成發射機功率增加。

經驗:當天氣預報有降雪時,依據詳細時段預報或觀察到的實時天氣情況提前2小時開啟天線加熱除雪系統使天線面溫度維持在預設置的溫度。預設值溫度為5度時,此系統足以應對大雪天氣。

事例2:2019年11月27日,預報雨雪天氣,提前開啟天線加熱除雪系統,經過一段時間后發現2號控制器對應的天線區域出現錯誤提示,軟件系統沒有發現故障,查看室外控制柜發現2號控制器空氣開關跳閘。

原因:控制柜安裝在室外,日曬雨淋,環境較差,2號控制器空氣開關電纜線螺絲松動造成過流。

經驗:進入冬季之前對天線加熱除雪系統檢修維護。室外控制柜進行除塵;檢查各電纜線連接是否牢固;重啟交換設備;開啟天線加熱,檢查是否運行正常等。

事例3:2020年12月28日晚,濟南氣溫零下15度,降雪預報,提前開啟天線加熱除雪系統,恒溫模式下天線表面溫度維持在5度,降雪過程中發現天線加熱除雪系統自動跳轉到限功率模式下控制器輪流控制加熱。

原因:由于當晚天氣寒冷,氣溫與天線加熱除雪系統預設值溫度值溫差過大,天線加熱功率高于設置的功率上限,系統自動跳轉到限功率模式下控制器輪流控制加熱。

經驗:若天線表面溫度連續下降降到冰點以下或者天線表面溫度不均勻,有可能會造成部分天線面積雪,根據下行接收信號電平應及時采取提升上行發射功率、人工沖雪等手段,并做好切換備用天線的準備,以確保廣播電視播出安全。

五、總結

地球站天線加熱除雪系統施工歷時一個月,其間經過多次的系統優化,在工程技術人員的精心安裝下,終于安裝調試完畢。經過單位技術規劃部組成的驗收小組查看測試,滿足施工要求,2019年冬季正式投入使用。通過近兩個冬季使用情況來看,天線加熱除雪系統加熱效率高、天線表面溫度升溫快和操作簡單等優點顯著。相比于其它傳統的除雪方式更安全、更便捷。此系統開始投入使用后,使得地球站冬季廣播電視播出安全提升了一個檔次。