徐 洋

山東廣播電視臺(tái) 山東 濟(jì)南250014

一、設(shè)計(jì)安裝天線加熱除雪系統(tǒng)的背景及意義

衛(wèi)星通信地球站依靠無線電波來傳輸廣播電視信號(hào),天線作為發(fā)射和接收無線電波的裝置在廣播電視衛(wèi)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(wèi)星通信信號(hào)的質(zhì)量。冬季自然環(huán)境下的降雪過程中天線表面雪花沉積(相當(dāng)于改變了天線的形狀),造成衛(wèi)星通信信號(hào)的傳輸損耗和無線電波的散射,破壞了天線口面場(chǎng)分布函數(shù)的均勻性,天線效率降低,直接影響了廣播電視信號(hào)的安全播出。若采用人工除雪,不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力還需要進(jìn)行天線之間的切換操作,對(duì)安全播出造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,安裝一套天線除雪系統(tǒng)最大限度的保障廣播電視信號(hào)播出安全顯得十分必要。濟(jì)南地處北方,冬季雨雪天氣較多,雪的粘性較大,通過對(duì)多種除雪系統(tǒng)特點(diǎn)的比較(表1),本著更高效、更便捷的原則并結(jié)合本站實(shí)際最終選擇天線加熱除雪系統(tǒng)作為本站應(yīng)對(duì)降雪天氣時(shí)的除雪方法。

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二、天線加熱除雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

(一)系統(tǒng)構(gòu)成。山東地球站現(xiàn)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(jù)實(shí)際需要,本次衛(wèi)星天線加熱除雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施只針對(duì)新安裝的兩面9米天線。如圖1所示:天線加熱除雪系統(tǒng)主要由3部分組成:加熱組件、控制部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

1.加熱組件。加熱組件規(guī)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(dǎo)熱、絕緣性能佳、強(qiáng)度好的硅橡膠、耐高溫的纖維增強(qiáng)材料以及金屬發(fā)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(shè)計(jì)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(dá)到化雪的效果。一般的平面發(fā)熱體以碳為主要成分,而硅膠加熱片是經(jīng)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(zhì)的保溫節(jié)能材料,熱傳導(dǎo)系數(shù)低并且保持穩(wěn)定,平均溫度為0℃時(shí),橡塑保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.033 w/mk,而它的表面放熱系數(shù)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(dá)到相同的保溫效果,也節(jié)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(jí)達(dá)到B1級(jí)。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(duì)天線起到保護(hù)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(tǒng)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(nèi)的天線加熱系統(tǒng)的室外控制器單元。系統(tǒng)把整個(gè)天線面均勻分成8個(gè)區(qū)(圖2),每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)控制器,每個(gè)控制器通過線纜連接控制一個(gè)區(qū)的工作。每個(gè)區(qū)有5個(gè)分區(qū),分別連接控制器的5個(gè)通道,每分區(qū)含1個(gè)加熱組件,3個(gè)溫度探頭。天線進(jìn)行多區(qū)獨(dú)立閉環(huán)控制,控制系統(tǒng)依據(jù)溫度、功率等參數(shù)并根據(jù)不同的工作模式對(duì)分區(qū)進(jìn)行加熱?？刂破鏖g使用100Base-T以太網(wǎng)連接,共享使用類似Lon Works網(wǎng)絡(luò)的共享數(shù)據(jù)庫(kù),各控制器關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議,狀態(tài)數(shù)據(jù)使用UDP協(xié)議,減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。饋源喇叭口面結(jié)霜或者存在雪或雨滴所造成的信號(hào)散射和折射對(duì)其影響占很大比重,饋源輔助加熱控制系統(tǒng)采用新設(shè)計(jì)理念,通過鼓風(fēng)機(jī)和送風(fēng)軟管從側(cè)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(jié)霜,有效消除降雨、降雪對(duì)衛(wèi)星天線饋源口面的影響,改善衛(wèi)星鏈路質(zhì)量,保證系統(tǒng)暢通和安全運(yùn)行,提高衛(wèi)星鏈路的可用度。

3.遠(yuǎn)程監(jiān)控端。遠(yuǎn)程監(jiān)控端即安裝在播出機(jī)房電腦上的監(jiān)控軟件,電腦通過網(wǎng)線和交換設(shè)備與室外控制柜內(nèi)各區(qū)控制器相連。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)天線加熱裝置的控制,實(shí)現(xiàn)加熱參數(shù)設(shè)置,控制天線加熱除雪的開始和停止,顯示天線各個(gè)區(qū)域的溫度、電流、功率和加熱狀態(tài)。

(二)供電結(jié)構(gòu)。確保天線加熱除雪系統(tǒng)正常運(yùn)行并達(dá)到效果佳的化雪效果,根據(jù)濟(jì)南市歷史氣候數(shù)據(jù)設(shè)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(tǒng)的應(yīng)用模式

系統(tǒng)有3種可配置工作模式:恒溫模式、功率限制模式、全功率強(qiáng)制加熱模式。恒溫模式和功率限制模式通過系統(tǒng)監(jiān)控軟件進(jìn)行設(shè)置,這兩種模式下的操作均可通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。全功率強(qiáng)制加熱模式脫離系統(tǒng)軟件控制,需要到室外將控制柜內(nèi)控制器設(shè)置到全功率強(qiáng)制加熱模式。

(一)恒溫模式。設(shè)置天線表面溫度后,若設(shè)置的溫度高于實(shí)時(shí)天線表面溫度時(shí),各分區(qū)對(duì)加熱功率進(jìn)行控制使天線表面升溫達(dá)到設(shè)置的溫度并保持在設(shè)定溫度±0.8℃內(nèi)。此模式天線表面溫度能夠保持持續(xù)穩(wěn)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(diǎn)是使用功率較大(實(shí)際功率根據(jù)天線尺寸和使用環(huán)境決定,一般不大于設(shè)計(jì)功率的35%)。由于本站供電系統(tǒng)分配天線加熱系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)條件限制,無法提供恒溫模式所需要的功率,系統(tǒng)根據(jù)所處“供電區(qū)域”設(shè)定功率,自由分配分區(qū)進(jìn)行循環(huán)加熱。分區(qū)申請(qǐng)到功率后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加熱,溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值后停止加熱,釋放的功率由其它分區(qū)進(jìn)行申請(qǐng)。該模式使用功率小,但天線表面溫度不均勻,雪勢(shì)較大時(shí)可能部分分區(qū)會(huì)短時(shí)出現(xiàn)堆積。據(jù)了解,實(shí)際使用中9米天線在6k W限制功率下,中雪環(huán)境能保證天線正常工作。(三)全功率強(qiáng)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(shí)可以使用鑰匙開關(guān)把室外控制柜內(nèi)的控制器旋轉(zhuǎn)到全功率強(qiáng)制加熱模式。在此模式下應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和天線溫度狀況,避免出現(xiàn)用電安全隱患。

四、天線加熱除雪系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)

天線加熱除雪系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后,經(jīng)過兩個(gè)冬季的運(yùn)行總結(jié)出一些使用經(jīng)驗(yàn),下面通過幾個(gè)實(shí)例進(jìn)行介紹:

事例1:2019年12月25日晚,濟(jì)南出現(xiàn)降雪天氣,天線面積雪嚴(yán)重,開啟天線加熱系統(tǒng)進(jìn)行融雪,結(jié)果短時(shí)間內(nèi)造成發(fā)射機(jī)多次提升功率。

原因:衛(wèi)星通信天線的口面場(chǎng)分布函數(shù)是對(duì)天線高增益和低旁瓣特性、低天線噪聲溫度折衷的結(jié)果,口面場(chǎng)分布函數(shù)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(tǒng)化雪使松軟的雪塌陷造成反射面積雪凹凸不平,對(duì)電磁波產(chǎn)生了強(qiáng)弱不同的散射和吸收,其作用就相當(dāng)于嚴(yán)重地破壞了衛(wèi)星天線口面場(chǎng)分布函數(shù)的均勻性,大大降低了天線增益,同時(shí)也增大了天線的噪聲溫度,上行鏈路的EIRP值或接收系統(tǒng)的G/T值均會(huì)因此而大大減小,影響衛(wèi)星信號(hào)的傳輸質(zhì)量,造成發(fā)射機(jī)功率增加。

經(jīng)驗(yàn):當(dāng)天氣預(yù)報(bào)有降雪時(shí),依據(jù)詳細(xì)時(shí)段預(yù)報(bào)或觀察到的實(shí)時(shí)天氣情況提前2小時(shí)開啟天線加熱除雪系統(tǒng)使天線面溫度維持在預(yù)設(shè)置的溫度。預(yù)設(shè)值溫度為5度時(shí),此系統(tǒng)足以應(yīng)對(duì)大雪天氣。

事例2:2019年11月27日,預(yù)報(bào)雨雪天氣,提前開啟天線加熱除雪系統(tǒng),經(jīng)過一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)2號(hào)控制器對(duì)應(yīng)的天線區(qū)域出現(xiàn)錯(cuò)誤提示,軟件系統(tǒng)沒有發(fā)現(xiàn)故障,查看室外控制柜發(fā)現(xiàn)2號(hào)控制器空氣開關(guān)跳閘。

原因:控制柜安裝在室外,日曬雨淋,環(huán)境較差,2號(hào)控制器空氣開關(guān)電纜線螺絲松動(dòng)造成過流。

經(jīng)驗(yàn):進(jìn)入冬季之前對(duì)天線加熱除雪系統(tǒng)檢修維護(hù)。室外控制柜進(jìn)行除塵;檢查各電纜線連接是否牢固;重啟交換設(shè)備;開啟天線加熱,檢查是否運(yùn)行正常等。

事例3:2020年12月28日晚,濟(jì)南氣溫零下15度,降雪預(yù)報(bào),提前開啟天線加熱除雪系統(tǒng),恒溫模式下天線表面溫度維持在5度,降雪過程中發(fā)現(xiàn)天線加熱除雪系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到限功率模式下控制器輪流控制加熱。

原因:由于當(dāng)晚天氣寒冷,氣溫與天線加熱除雪系統(tǒng)預(yù)設(shè)值溫度值溫差過大,天線加熱功率高于設(shè)置的功率上限,系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到限功率模式下控制器輪流控制加熱。

經(jīng)驗(yàn):若天線表面溫度連續(xù)下降降到冰點(diǎn)以下或者天線表面溫度不均勻,有可能會(huì)造成部分天線面積雪,根據(jù)下行接收信號(hào)電平應(yīng)及時(shí)采取提升上行發(fā)射功率、人工沖雪等手段,并做好切換備用天線的準(zhǔn)備,以確保廣播電視播出安全。

五、總結(jié)

地球站天線加熱除雪系統(tǒng)施工歷時(shí)一個(gè)月,其間經(jīng)過多次的系統(tǒng)優(yōu)化,在工程技術(shù)人員的精心安裝下,終于安裝調(diào)試完畢。經(jīng)過單位技術(shù)規(guī)劃部組成的驗(yàn)收小組查看測(cè)試,滿足施工要求,2019年冬季正式投入使用。通過近兩個(gè)冬季使用情況來看,天線加熱除雪系統(tǒng)加熱效率高、天線表面溫度升溫快和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)顯著。相比于其它傳統(tǒng)的除雪方式更安全、更便捷。此系統(tǒng)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(gè)檔次。