卫星面天线除雪系统的构建
范学东
(国家广播电影电视总局七二五台)
摘要：卫星面天线的积雪问题一直是北方地球站和各个发射台冬季安全播音的一个重要问题，怎样设计一个除雪系统达到除雪的功能，同时和台站的信息化建设结合起来，成为了一个很有研究意义和实践价值的课题，本文从无线局的除雪装置现状和实际情况着手，从各个可能涉及到的环节进行探讨。
关键字：卫星面天线 除雪 鼓热风 电热毯效应 腔体热交换 远程智能控制
1 概 述
在卫星信号传输中，当卫星面天线表面被冰、雪覆盖时，在地球站的发射端会影响卫星信号的上传，在基层台站接收端会严重的影响信号的接收，在一般情况下，卫星面天线上的积雪在一公分左右的时候，基本上接收不到信号，这就增加了节目传输部门的工作强度，更对安全传输发射任务带来了极大的隐患。另一方面，由于天线上积累了大量冰雪，就增加了反射面重量，造成天线结构变形，从而降低了天线的面精度和接收效果，也增加了驱动机构的负载。因此，有冰雪天气的各个台站需要安装除雪装置。 除冰雪装置的设计应当具有可靠性高、结构简单、安装维修简便、可远程控制和监控的特点,同时不能因为安装附属设备使天线变形而导致反射面精度降低,影响天线电性能。 本文设计的除冰雪装置是基于热交换的原理进行除雪，并对所涉及的环节进行研究分析。
2 现使用除雪装置现状
雪衰就是无线电波在传输过程中，受到雨雪影响导致信号被吸收，由强变弱，甚至大幅度减弱的现象，它是影响上行站节目源传输和地面站接收质量的重要因素，尤其是Ku波段面天线。这种情况下可以通过两种技术方式增大信号的接收效果，一种是提高卫星发射台的发射功率，一种是增大地面接收仪器的设备灵敏度，但最根本的原因没有解决。面天线上的积雪是影响接收的最大因素，以Ku波段在“雨雪”天气情况为例，以100算是最大信号强度，当面天线上的“冰雪”在一公分以上时，信号基本中断为0，当清除积雪后信号强度可以达到86左右。卫星天线无论是在地球站上行站还是接收台站，包括我们无线局的绝大多数基层台站和一些地方的广播电视台，使用的都是面天线，无论是前馈式、后馈式和偏馈式天线，为了对准地球同步卫星，地球站和发射台的面天线都要有一定的仰角才能对准同步卫星，对于北方的地区的台站而言，越是靠北纬度越高，仰角越小，但是雨雪天气更加的频繁，对于南方的一些台站在这些年同样面临雨雪天气的影响，因为仰角大的问题，如果遇到雨雪天气，受到的影响会更加的明显。 现在无线局地球站和北方的发射台站在冰雪天气的时候除雪的方式基本上有三种措施： 第一种也是最普遍的一种就是使用人工除雪。这种人工除雪在实际工作中存在很大的安全隐患，而且除雪不及时也不彻底；在除雪的过程中人体也会受到大强度的微波辐射，对人的身体造成损伤。使用工具除雪耙如图 1所示： 第二种方式就是风吹。现在在地球站和一些发射台站存在，在面天线的旁边安装鼓风装置，通过管道到达面天线的上方，对准面天线进行吹风。在干冷的情况下效果比较好，但是雪有一定粘性的因素，尤其在雨雪天气里面这种方式并不能彻底的把雪清楚干净，导致上传卫星信号强度衰减，需要增大发射功率，而接收站严重影响接收信号的强度；另一个原因当风量足够大的时候，有可能会引起面天线的轻微摆动，最终会影响地球站的上星的准确度和地面接收站的接收精度。普通风吹方式如图 2所示： 第三种方式就是使用高压水枪，需要多人进行操作，而且在持续降雪的天气需要不断进行清理，操作烦琐且劳动强度大，在天线表面容易结冰。现在有一种在面天线周围安装水喷嘴的装置，下雪的时候进行水冲除雪，效果会比高压水枪更加安全，操作性更强，如图 3所示。水冲方式除雪需要配套很好的排水设施，否则地面容易形成冻冰。
3 “热”方式除雪
“热”方式除雪的基本原理就是对冰雪进行间接地加热使其融化，以此达到除雪的目的,无线局极少数的台站和部分省市的广播电台有的已经安装有这种原理除雪的系统。 现在分析阐述三种“热”方式除雪方案。
方案一：鼓吹热风 在现有台站使用风吹方式除雪的基础上进行改进，在风通道的里面加装加热装置。基本原理就是对通过的气流进行加热，使用吹出去的热风融化达到除雪的目的。现在我们无线局中有部分台站已经安装有风吹方式进行除雪的装置，这种装置在一定程度上能够解决积雪的问题，但是不够完善，在确实可行的情况下可以进行简单的改造，避免现有设备的闲置浪费，同时达到除雪的目的。只是这种除雪方式会造成热量的大量浪费。空气加热如图 4所示：
方案二：电热毯效应加热 基本实现原理与在冬季北方使用的电热毯一样，即将电热毯式的加热层避开面板背部筋条，直接固定在天线反射面板背部，外面加上保温层和固定板材，如图-5所示。在冰雪天气里控制电热层的温度，达到除雪的目的。在这里面除了考虑保温层的保温性外，还要考虑保温层的绝缘性和阻燃性。如果采用这种加热方式，还要考虑加热装置的辐射对卫星信号的干扰性，这就要经过对接收信号的频谱进行分析，和不用这种加热装置相比会不会存在某种特定的干扰。 目前国内生产的碳纤维加热板重量轻,热效率高,可依据面板形状任意裁剪,完全满足工程需要。这种结构避免了对天线背部背架的加热,减少了热量损失，就是成本较高了些。 还有一种电热膜的一种材料，将电热膜固定在面天线的后面，然后加上保温层。这两种方式的加热系统在安装上有很大的优点，但是会在使用中有密封不好漏水的可能性，导致电路的短路。现在市场上已经有厂商提供这种解决法案。
方案三：腔体热交换
本方案结合第一种方案进行改进，隔离腔体热交换是将隔热材料覆盖在天线反射体主力背架后面,从而与整个天线反射面一起形成一个密闭的腔体,并在其中设置热风循环装置,通过加热气体在密闭腔体内的流动提升天线反射面的温度，最终融化冰雪。其优点是加热融雪速度快、天线反射面温度均匀，结构简单，使用安全，不会对卫星信号形成干扰；缺点是体积较大、操作安装不便，对于口径较大、对天线主面精度要求高的Ku，Ka 频段通信天线除雪效果非常有效，不存在干扰因素的影响。其外观如图 9所示： 热风循环装置包括加热器、鼓风机及送风、回风管道。加热器工作产生热空气,鼓风机将热空气抽出,通过送风管道将其吹入天线背部的充气室。热风的进入,将冷空气沿回风管道压回加热器进行加热。如此循环反复,使天线反射面温度不断提高,从而达到融化其表面冰雪之目的。在天线内部中间加上隔离板是为了空气更好的流通，避免空气在里面对流，提高热交换的效率，如图 10所示。 风 筒：用于传输加热的空气，连接加热装置和卫星面天线。可以设计成方形或者圆形，金属的或者市面上的导风筒。因为加热的装置出风的地方温度会相对较高，需要考虑阻燃性的材料，避免火灾的发生。 保温材料：市场上有很多的保温材料，保温材料用在风筒的表面，避免热量的浪费。 风 机：用于把加热的空气鼓吹到面天线，同时使风筒内的空气进行循环。 风机的选择： 1、必须考虑风机的工作条件 2、风机的最主要的部件就是电机，电机采用内嵌式的还是外露式的需要根据实际设计需要进行选择 3、风机的功率选择根据需要同时加热多面天线还是单独一面天线，风筒的实际长度进行，需要多大的风量进行设计选择。 传感器的安装：温度传感器安装在加热装置的一定距离外，用于测试加热后的温度；进入面天线之前的位置安装，测试进入的空气温度；面天线出风口位置安装，测试出风口的温度，了解热交换的效果。 摄像头的安装：主要是了解除雪装置除雪的效果，可根据实际需要进行安装，考虑到夜间工作，需要照明设备的安装。
4 远程智能控制设计 有人留守、无人值班是无线局发展的一个趋势，智能除雪装置的实现是信息化建设中必不可少的一个环节，作为智能化的系统，系统的设计必须要考虑周全，尽量的满足各种雨雪天气。 除雪装置的启动和关闭：系统有自动和人工控制两种方式。在室外安装雪传感器，其输出为一组常开、一组常闭开关信号，代表是否是雪天气状况，通过开关量的数据对系统进行自动的开启和关闭，根据系统设置的工作模式选择风机的转速和加热装置的功率。在人工控制的状态下，人工可以控制风机的转速和加热装置的功率，同时控制可控各个风窗的开启和大小。 面天线内部温度的控制：远程控制端的系统设置有小雪、中雪、大雪、暴雪、冰雪等天气模式，每个天气模式对应不同的腔体内部温度。 内部流动空气温度的控制：系统根据采集点采集的温度，根据不同的工作模式控制加热装置的功率和风机的转速。 加热装置的控制实现：根据电阻丝炉具的原理，设置不同的档位，为了达到精确控制需要设置多个档位，是功率平稳变化，既能实现除雪的目的，也能达到节能的效果。 加热装置保温和阻燃的保护：在临近加热装置的地方温度比较的高，通道的材料必须耐高温并且阻燃，这需要在实际搭建系统时进行设计选择。 远程可以实时查看各个采集点的温度，风机的转速，加热装置的功率。 风筒的分支处设计为百叶窗的结构，可以同时控制对应不同面天线的窗口大小，从而达到控制不同面天线内部腔体温度的目的。 在控制方式上综合考虑温度与降雪两方面的因素，为了实现远程智能管理控制，整套系统要有以下的功能体现： 远程控制实现除雪流程： 在正常月份和天气里整套系统可以关闭。在冬季雨雪天气里启动系统，当系统处于手动状态时，开启加热装置，当天线温度达到设定的温度时，加热装置会维持面天线的表面温度，并提示告知操作员。 当系统在自动控制状态时，根据雨雪传感器的采集数据自动开启加热装置，达到设定温度时维持此温度，当雨雪传感器数据的开关量通知系统不是雨雪天气的时候，加热装置停止工作。 总结 “热”交换方式除雪是很有效的除雪方式，可以通过不同的方式实现，各种除雪方式都有自己的一定优势，考虑到自台地理位置、面天线的大小和结构选择不同的除雪方式会达到很好的效果。面天线除雪装置的设计和安装是保障安全播音的有效手段之一，也是无线局信息化建设的一个重要步骤。
参考文献
【1】http://www.hi1718.com/company/73130/products/201298111432265.html
【2】http://wenku.baidu.com/view/5d673dc76137ee06eff9186c.html
【3】安讯卫星天线自动融雪除冰系统
【4】http://www.doc88.com/p-672121692560.html
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