调试卫星电视天线的简易方法

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卫星电视信号从三、四万公里的高空传播下来,到达地面时已十分微弱,因此需要一整套专门的接收系统,并对系统进行精确的安装和调试,才能接收好。

卫星电视接收系统有室内和室外两部分,它们中间用低损耗电缆连接。室内部分主要是卫星接收机和电视机(或监视器)等,按说明书进行调试即可。室外部分主要是接收天线和高频头(下变频器),其调试工作绝大部分是对天线的调试。笔者根据多年经验,总结了调试卫星天线一些简易方法,介绍给大家供参考。

1.卫星天线结构

图1
图1 🔍原图 (934×621)
图2
图2 🔍原图 (806×742)

县(市)级地面站一般使用的卫星接收天线结构如图1所示。图2(a)给出卫星天线平面示意图,图中AOB为天线反射面,由于它是抛物面,所以来自轴线DO方向的电磁波经反射后会聚于焦点C,馈源就安装在这里。AB为天线的口径。轴线DO(即天线的方向)。焦距CO、口径AB是天线的几个主要几何参数。图2(b)、(c)给出卫星天线方位角和仰角示意图。理论上讲:天线口径愈大,接收的电磁波就愈多,因而收到的信号就愈强,图像声音质量就越好;当入射的电磁波方向与天线方向不一致时,反射后的电磁波会聚点就偏离焦点C的位置,因而有一部分甚至全部电磁波进不到馈源里,从而就收不好甚至收不到信号。转播电视信号的卫星在3万多公里的赤道上空,因此在地面接收它的信号的天线方向对卫星的方向偏离1°,将会偏离卫星600多到700多公里。这就说明了为什么接收天线的方向必须准确对准卫星的原因之一。县(市)级地面站大多数缺少仪器设备,非专业人员甚至专业技术员在调试天线时都感到很困难。

2.卫星天线调整

卫星天线的调整就是调准它的方向,也就是说要使天线对准天上的卫星。为此,就要使天线的轴心线DO与水平面的夹角等于计算出来的仰角值,使它与正南方向的夹角等于计算出来的方位角值。要提醒一点的是:与正南方向的夹角有偏东、偏西两种取向,它取决于卫星经度与当地经度的关系:当卫星经度大于当地经度时,取偏东;当卫星经度小于当地经度时,取偏西。

(1)天线方位角和仰角的计算

调整卫星天线的方向,首先要计算出天线的方位角和仰角,才能进行正确的安装与调整。计算天线的方位角和仰角,可以按公式进行笔算,也可以查专用图表或使用微机,但是对县(市)级地面站从事这项技术工作的人员来说,大多数不具备这种条件。用袖珍函数可编程计算器进行编程计算,不失为一种简便的好方法。使用这种可编程袖珍计算器,在编好程序后,使用时只需输入卫星经度这一个数据,然后按两次执行键,方位角和仰角就立即在荧屏上显示出来。当换星时,只要重新输入该星的经度按两次执行键就行了。这种袖珍计算器可随身携带,价格也不贵,一般在150~180元左右,只比同档次的普通函数计算器贵二、三十元。因此,任何一个工程技术人员都有条件具备这么一台计算器,在平时它还可以作其它计算之用,所编程序也不会丢失。现以CASIO f\(_{x}\)-3600p可编程函数计算器为例说明编程方法。

程序的编制和写入:

按照f\(_{x}\)-3600p的计算法则和编程规则,将方位角和仰角的计算公式编成程序输入进去需要51步,然而该计算器只能编程38步,所以必须想办法提高编程技巧,简化程序步骤。经反复琢磨和研究,使编程步骤大为简化,由51步变为28步。该程序如图3所示。左边是编程和写入操作过程,右边为相应程序写入时荧屏对应的显示。

图3
图3 🔍原图 (918×771)

现举一例说明具体编程和计算方法。设某一地面站的经度为112.7°,纬度为30.5°,接收位于东经115.5°的中星5号卫星信号,步骤如下:

(a)准备工作:开启电源,按图4所示的操作顺序将该站所在位置的经、纬度和常数0.1513写入计算器。

图4
图4 🔍原图 (922×182)

(b)编制程序并写入:将所要接收的卫星的经度和计算公式的程序按图3左所示的顺序进行操作,程序就编制并写入完毕。其中第(a)、(j)两行分别为进入和退出“编程写入状态”,第(e)、(i)两行分别为方位角和仰角。

在退出“编程写入状态”后,计算器可以作一般的计算用。当要应用所编入的程序计算某一天线的方位角、仰角时,只要按照图3左边第(b)行至(d)行操作即可,其中(a)行可以省略不用。当要计算另一颗卫星的角度时,只要重复上述三个步骤即可。

按上述步骤操作时,在输入卫星经度并按执行键(RUN)后,第一次显示的是方位角(c行),第二次显示的是仰角(d行)。

对于与上述例中不在同一经纬度的地面站来说,只要在准备工作中将当地的经度和纬度分别存入kin1和kin2中即可。所以本程序适于全国任何一个地面站计算接收天线方位角和仰角。另外,本编程所计算出来的方位角是以正南方为基准,角度值前有负号时表示向南偏西,正号时向南偏东;仰角的参考面为水平面。

(2)天线方位角和仰角的调整

仰角和方位角在具体调节时,先粗调后细调。粗调的过程实际就是搜索电视信号的过程,当接收到所要的电视信号时,即表示此时天线已基本对准卫星,粗调成功。细调是为了准确对准卫星,使接收的信号最强,图声质量最好。粗调的方法就是后面将要详细介绍的调测仰角、方位角的各种方法。细调的方法是:在粗调收到电视信号后,继续调天线的仰角,使信号大体上最好,然后从这个位置开始,分别向两边再次转动天线仰角,有意地使信号质量变差,且变差的程度尽量一致,记下这两点的位置,然后将仰角调回到这两点的中间位置并固定下来。然后按照同样的办法调整天线的方位角并固定下来。到此,天线方向的调整工作就告一段落。

调好方向后,还可以对天线的馈源与反射面中心底面的距离(对前馈式天线)、副反射面距主反射面中心底面和馈源距副反射面的距离(对后馈式天线)进行微调。但一般情况,只要反射面、馈源支架等构件没有变形,并按说明书或厂家所提供的数据进行安装,这一步可省去。

极化器的调整,只是调整极化器内介质片(或螺钉)在波导内方位的取向,在安装时已定好方向,就不用再调了。

下面就天线的方位角和仰角的调试,介绍几种简单易行的方法供读者参考。

①两线相交法:这是一个调测天线仰角的方法。天线抛物面的底部安装在一个短圆柱形圆盘上,可以认为该圆盘的圆心轴线与抛物面的中心轴线重合,因而圆盘未安抛物反射面的那一端的平面与抛物面轴线垂直(见图5)。这样,我们就可以通过测定圆盘平面的垂直倾斜角来间接测定天线的仰角。具体方法是:(a)在圆盘平面的正上方边缘选一点并记上标记A,从该点过平面中心假想作一直线,在线的另一端靠近下边缘的地方确定另一点,设为B。用尺量出AB间距离,设为ccm。(b)找一根细线,下端栓一个小重物,在另一端适当的位置将细线打一小结。(c)用手将细线上打结的地方紧按在圆盘A点上,细线在重物的作用下下垂。再用另一根细线将其一端压在圆盘的B点,另一端用手拉直成水平并与垂直细线相交,设交点为O并在垂直细线上打上记号。取下垂直细线并量出结点(A)到O点的长度,设为a厘米。(d)利用几何、三角知识就可以算出圆盘平面与垂直方向的夹角β,它就等于仰角α。由图可知:α=arc cos\(\frac{a}{c}\),先求出a;c,然后查数学用表的反三角函数或用函数计算器就可以求出角α来。(e)继续转动天线的仰角,直到算出的α值等于所要求的角度大小为止。

图5
图5 🔍原图 (620×617)

②圆周角法:上述方法要用两根细线由两人同时操作,很不方便。圆周角法操作容易,准确度较高。它只需要在一块纸板上画一个半圆并装一根带有小重物的细线来进行测量,如图6所示。硬纸板的一边裁成直线,如图中的EF,然后相距EF线1cm作一平行线段AB,以AB为直径划一半圆。然后在A点上固定一细线,下边拴一小重物。将做好的纸板EF边靠在圆盘平面上,并且使纸板处于垂直面内。此时系有重物的线下垂并且与半圆相交(设交点为C)。由图中可见,垂直细线AC段与B、C两点的连线刚好是半圆的圆周角,所以AC与BC互相垂直,因此,B、C连线起着两线相交法中的水平细线的作用。量出AC段的长度a,就可以用“两线相交法”中同样的方法算出此时的仰角来。

图6
图6 🔍原图 (655×621)

以上两种方法都是测试仰角。当仰角测出并调到所需要的值后,天线方位角的调整就简单了,不用测试方位角而直接转动天线方位角调节机构使天线水平转动,直到电视机收到信号,粗调就完成了,然后再进行细调。

如果要直接测试方位角,那么在现场又有什么办法呢?这里也介绍两种不用专门仪器的简单方法供参考。

①圆周弧长法:当天线方位角调节机构为直接转动立柱时,此时立柱分上、下两部分,上半立柱在下半立柱里,上半立柱可以转动,如图1所示的一种3m天线,就可以采用这种办法。具体做法是:(a)先量出圆柱的周长,设为C,然后算出上半立柱转动一个等于天线需要的方位角0时所对应的弧长b=c360°·0。(b)转动天线上立柱,使天线对准正南方,在立柱上、下两部分结合的部分,沿垂直方向划一细线做为记号(下立柱上的细线即成为参考点)。(c)转动上立柱,使上立柱上划的那根细线与下立柱上的细线相距b。此时天线的方位角就粗调好了。

②转轴上加指针法:当天线的方位角转轴的直径比较小时(如图1所示的6m天线),可以使用此法。首先将天线对准正南方,然后用一根直的细铁丝沿转轴的半径方向固定在转轴端面上(一端在中心,一端伸出转轴端面外),并记下此时铁丝所作成的指针所指的位置。然后转动天线方位角调节机构,使指针转动的角度等于所要求的方位角值,天线方位角就大体调好了。

以上介绍了几种现场调测天线仰角、方位角的方法,读者不难从中悟出一些思路来,从而开动脑筋,发挥自己的智慧,创造出更多更好的办法来。(谭儒良)