一体化室外单元

2024-12-22

一体化室外单元(共4篇)

一体化室外单元 篇1

0引言

一体化室外单元是卫星电视接收系统的重要组成部分[1], 其质量优劣直接影响到卫星电视接收系统的收视效果[2]。一体化室外单元由一体化馈源、低噪声放大器和变频器三部分组成。馈源普遍采用圆形波导, 且口径大小不统一, 这给波导法测量[3]带来了极大困难。远场测量系统是在一个小型微波暗室中建立收、发装置, 被测一体化室外单元置于接收装置上, 发射装置安装标准发射喇叭。收与发装置均可在计算机控制下做水平方向或绕自身轴向旋转。

对测试系统而言, 发射天线所发射的电磁波应在被测一体化室外单元所处区域形成均匀的场强覆盖[4]。为此发射天线与被测一体化室外单元应相隔足够的距离, 并且场地反射应足够小。即便如此, 也难确保电场在被测一体化室外单元处区域的均匀性[5,6], 需要对测试场地均匀性和反射波信号抑制效果[7]进行验证。论文结合某典型一体化室外测量系统, 测试了场地中被测一体化室外单元有效体积内的电场变化量和两个正交极化的场强差值两个重要指标, 结合理论模型, 分析了场地反射波抑制量测试数据, 根据实验数据验证了测试场地的均匀性及对反射波的抑制效果。理论分析和测试结果表明, 远场测试系统测试场地能够满足一体化室外单元的测试需求。

1测量系统的远场测试条件

一体化室外单元远场测量系统示意图如图1所示。

测试系统收端和发端的距离在一体化室外单元测试频段上 (11.7~12.2 GHz) 应满足远场测试条件:

式中:D为源天线的辐射孔径的最大尺寸 (单位:m) ;d为被测一体化室外单元的最大尺寸 (单位:m) ;λ为测试频率对应的波长 (单位:m) 。

由于发射源天线和增益基准天线口径为0.08 m, 一体化室外单元口径一般在0.06 m左右, 因此在一体化室外单元测试频段上L最小应达到1.6 m, 一体化室外单元远场测量系统收端和发端的距离为2.6 m, 满足了远场条件。

2测试场地的均匀性分析

由于被测一体化室外单元并非固定不动, 在某些指标测试时要在水平方向做旋转运动, 而且在进行交叉极化隔离度测试时还需要调整极化方式, 因此场地的均匀性表现在两个方面[6]:一是一体化室外单元所处活动区域的场强应是均匀的;二是在极化改变下场强应是不变的。SJ/T 11387-2008/XG1-2009《直播卫星电视广播接收系统及设备通用规范》规定:在被测一体化室外单元的有效体积内, 电场变化小于1.5 d B, 两个正交极化的场强差值小于1 d B。

下面就这两个方面分别进行研究试验。

2.1所处活动区域的场强

发射天线和一体化室外单元设置为水平极化方式。信号源设置为中心工作频率。调整被测一体化室外单元使接收电平最大, 保持极化对准, 稳定后记录一体化高频头的输出电平值。保持信号源设置不变, 将被测一体化室外单元进行轴向移动和左右移动, 由于常见的高频头在测试系统上安装后, 其轴向移动范围≤4 cm, 而高频头的电气尺寸≤16 cm, 因此, 验证时被测馈源前后移动4 cm, 左右移动16 cm。

轴向移动时, 被测一体化室外单元向发射每移动1 cm, 记录一次一体化室外单元输出电平值。左右移动时, 被测一体化室外单元左右移动8 cm和16 cm, 记录相应的一体化室外单元输出电平值。测试数据见表1。

在表1中可以看出, 当被测一体化室外单元向发射天线轴向移动时, 其输出电平最大变化值为0.33 d B;当被测一体化室外单元左右移动时, 其输出电平最大变化值为0.50 d B。两种情况下电平最大变化值均小于1.5 d B。

改变发射天线和一体化室外单元的极化方式, 重复上述步骤, 数据见表2。

由表2中可以看出, 当被测一体化室外单元向发射天线轴向移动时, 其输出电平最大变化值为0.17 d B;当被测一体化室外单元左右移动时, 其输出电平最大变化值为0.33 d B。两种情况下电平最大变化值均小于1.5 d B。

2.2极化改变下场强

由第2.1节中试验得到的测试数据, 将不同极化时一体化室外单元输出电平进行对比, 如表3所示。

由表3可知, 轴向移动时, 一体化室外单元在相同位置上, 水平极化和垂直极化输出电平最大变化为0.67 d B;左右移动时, 水平极化和垂直极化输出电平最大变化为0.34 d B。两个正交极化的场强差值小于1 d B。

3场地反射信号的抑制

反射波之所以对一体化室外单元测量精度能产生影响, 是因为其影响了直射波的测量电平。反射波比直射波能量越小影响程度就越小, 对于一体化室外单元而言反射波能量比入射波低20 d B即可[7]。下面对微波暗室吸波材料对反射波的抑制效果进行试验。

由图1分析可知, 微波暗室的地面、天花板、左右两个侧壁和测试转台后侧壁五个位置的反射会对测试产生严重影响。发射天线和一体化室外单元设置为水平极化方式。信号源设置为中心工作频率。调整被测一体化室外单元对准发射天线, 然后将一体化室外单元水平旋转180°, 对准后侧壁。后侧壁加反射板, 记录此时一体化室外单元输出电平;保持测试状态不变, 去掉反射板, 记录一体化室外单元输出电平。

将被测一体化室外单元旋转回原来的位置与发射天线对准, 调整发射天线和被测一体化室外单元同时偏左45°暗室左侧壁加反射板, 记录此时一体化室外单元输出电平;保持测试状态不变, 去掉反射板, 记录一体化室外单元输出电平。同样的, 按此方式对暗室右侧壁、 地面、天花板进行测试, 并记录相应数据。测试数据见表。

4结语

通过对一体化室外单元远场测量系统场地均匀性和反射信号抑制效果分析可知, 在被测一体化室外单元的有效体积内, 电场变化小于1.5 d B, 两个正交极化的场强差值小于1 d B;同时暗室吸波材料对反射信号的衰减值大于26 d B, 均满足规定的限值, 因此远场测试系统能够满足一体化室外单元的测试需求。

参考文献

[1]杨社年, 贾长江.一体化室外单元测试研究[J].无线电工程, 2005 (7) :49-51.

[2]刘进军.卫星电视接收技术[M].3版.北京:国防工业出版社, 2010.

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[4]卢万铮.天线理论与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.

[5]谢鸣, 吴钒.电波暗室1~18 GHz性能的测试方法[J].安全与电磁兼容, 2005 (3) :70-76.

[6]中华人民共和国工业和信息化部.SJ 11387-2008直播卫星电视广播接收系统及设备通用规范[S].北京:电子工业出版社, 2008.

[7]安志怀, 王杏林.时域法消除移动通信基站天线测试场地反射研究[J].电子科技, 2013 (5) :64-67.

[8]窦晓杰, 程乃平, 倪淑燕.相控阵天线远场测试场测量方法[J].现代电子技术, 2013, 36 (9) :54-56.

一体化室外单元 篇2

小型卫星地面站系统一般由室内单元 (IDU) 和室外单元 (ODU) 两部分组成。室内单元安装在用户终端的室内, 由调制解调器和基带设备组成。室外单元则由上、下变频模块组成, 主要包括功率放大器 (PA) 、低噪声放大器 (LNA) 、变频组件等。本文将详细介绍准同步数字序列 (PDH) 微波室外单元的频率规划、工作原理及具体指标的实现[1]。

1 频率规划及工作原理框图

本设计工作频率选用15GHz、频率间隔490MHz、B波道为研究点, 具体频段的频率规划如表1所示。

由表1可知, 此频段B波道低波段中心频率为14574.5MHz, 高波段中心频率为15064.5MHz, 收发间隔490MHz、高低波段的信号带宽分别为119MHz、收发保护间隔271MHz。

工作信号带有3.5MHz、7MHz、14MHz、28MHz四种可选;调制方式可选QPSK、16QAM。

系统工作原理[2]框图见图1。

2 总体设计考虑

本系统工作在频分双工的工作方式, 调制方式支持QPSK及16QAM, 为保证系统工作技术指标, 主要从以下几点考虑:

(1) 系统采用二次变频方案。本系统发射二中频350MHz, 接收二中频140MHz, 系统通道带宽609MHz;选用一次变频, 对系统而言, 无用的上边带信号或下边带信号有可能出现在通带内, 无法通过边带抑制滤波器进行抑制;

(2) 系统收发射频本振采用同一频率源, 同时, 系统二中频本振设计成不同频率, 保证要求的频率输出。为节约成本和减小设计的复杂性, 射频本振的中心频率选用12004.0MHz, 通过功分放大后, 分别作为射频的收发本振, 同时保证二中频中心频率分别为2570MHz、3060MHz, 由于系统上下变频及功放等非线性影响, 势必会产生组合频率, 通过组合频率计算, 系统非线性产生的组合频率均在收发通带外;同时, 这两个二中频频段有相应的批量带通和低通滤波器, 以抑制有害的边带输出, 进一步降低系统成本。

(3) 为实现系统频率调节步径250KHz, 同时, 改善系统的相位噪声指标, 二中频频率的调节步径1250KHz, 调节范围±5MHz, 射频本振步径2MHz, 调节范围±60MHz。

(4) 为适应大批量生产要求, 保证系统的一致性和可靠性, 主要选用微波集成电路完成设计。

3 设备组成

本设备从本质上说是一种变频设备, 按功能分为发射和接收两部分;具体组成为电源模块、频率源模块、收发通道模块、ASK (OOK) 调制解调及软件模块。收发通道模块主要由上下变频、低噪声及功放、多工器、双工器组成。

4 系统工作原理及工作原理框图

4.1 发射通道工作原理

来自中频电缆的混合中频信号, 经多工器LC滤波电路滤波后, 取出350MHz发射中频信号, 经HMC552LP4上变频后, 产生中心频率3500MHz (2570MHz) 的二中频信号, 通过集成陶瓷低通滤波器3550LP14A300 (LP0805A2442AWTR) 、集成陶瓷带通滤波器M F E 3 1 2 0 C C A 0 1 (DFCH42G59HDHAB) 滤除远端和近端杂波后, 通过缓冲放大器SBF4089Z放大后, 再经过集成陶瓷带通滤波器MFE3120CCA01 (DFCH42G59HDHAB) 滤除近端杂波, 通过数控衰减器HMC273MS10G, 提高系统的发射动态范围, 通过缓冲放大器SBF4089Z放大后, 经HMC411MS8G上变频至射频频率, 通过微带带通滤波器滤波后, 经XP1042-QT和XP1043-QH放大后, 经双工器滤波后送至天线。

4.2 接收通道工作原理

天线接收的射频信号通过双工器滤波后, 经过混频器内置低噪声放大器放大后, 经混频器下变频至二中频3060MHz (2570MHz) 的二中频信号, 通过集成陶瓷低通滤波器3550LP14A300 (LP0805A2442AW T R) 集成陶瓷带通滤波器M F E 3 1 2 0 C C A 0 1 (DFCH42G59HDHAB) 滤除远端和近端杂波后, 通过增益可控制缓冲放大器MGA72543放大后, 再经过集成陶瓷低通滤波器3550LP14A300 (LP0805A2442AWTR) 、集成陶瓷带通滤波器MFE3120CCA01 (DFCH42G59HDHAB) 滤除远端和近端杂波, 通过数控衰减器HMC273MS10G, 提高系统的接收动态范围, 再通过增益可控制缓冲放大器MGA72543放大后, 送至HMC552LP4二中频混频至140MHz中频, 通过140MHz带通LC滤波器滤除边带杂波后, 通过RF2336中频放大, HMC335G16数控衰减器、放大器SBB2089Z、SBF5089Z放大后, 通过多工器LC滤波后, 由中频电缆送至IDU。

另外, 二中频信号经第一级MGA72543放大后, 部分信号经微带耦合器耦合至放大器RF2336放大, 经AD8317检波, 一路通过BNC送至盒体外, 作为联调试调整天线的依据, 另外一路经A/D变换转化为数据, 送至IDU。

4.3 系统二本振工作原理

鉴于该ODU系统的低成本要求, 此频率源只能采用简单的直接分频锁相方案来实现。频率源系统的参考源选择40MHZ TCXO, 其基本相位噪声指标为-135d Bc/Hz@1k Hz、-140d Bc/Hz@10k Hz、-145d Bc/Hz@100k Hz, 长期稳定度约1PPM, 能够满足系统的工作需要。系统要求二本振信号具备1250k Hz的跳频步进, 因此, 锁相的鉴相频率通过晶振40M信号32分频获得, 环路N分频比就根据VCO最终输出信号与鉴相信号频率的比值来控制。整个锁相电路我们选取AD公司的集成锁相芯片ADF4350来做, 它在片内集成了参考分频器、鉴相器VCO、环路分频器等部件, 只要通过外部软件控制总线来控制片内寄存器的状态就可以实现既定的输出信号要求。片内V C O的相噪为-110d Bc/Hz@100k Hz, 片内其他电路相噪基底-165d Bc, 能够满足系统使用要求。

4.4 系统一本振工作原理

系统一本振的输出频率相对较高, 我们采用低频锁相源结合倍频器的方案来实现, 先用一个锁相电路来产生5.8745~5.9205GHz、步进1MHz的信号输出, 然后再经过一个2倍频器产生最终的一本振信号输出, 这样可以提高输出信号的近区相位噪声指标, 降低对系统的电源要求。锁相电路的鉴相器采用AD公司的ADF4107器件, 具备低功耗、低相位噪声、高截止频率等优势, VCO采用HMC358MS8G, 其特点是调谐电压低、方便系统电源设计, 倍频器采用HMC368LP4有源集成倍频器, 具有倍频效率高、谐波抑制好等优势。滤波器采用5阶耦合微带线滤波器, 功分器也采用微带板一体化集成功分, 后级驱动放大使用HMC441LP3。

5 关键技术指标及实现

5.1 系统工作频率的设计

指标要求如下:最大发射功率23d Bm±1.5d B (QPSK) 、21d Bm±1.5d B (16QAM) ;最小发射功率-4d Bm;低波段中心频率14574.5MHz;调节范围11 9 M H z;调节步径2 5 0 k H z;高波段中心频率15064.5MHz;调节范围119MHz;调节步径250k Hz。

设计如下:通过系统二本振的二中频频率的调节步径1250k Hz, 调节范围±7.5MHz, 射频本振调节步径2MHz, 调节范围±60MHz来实现上述指标。

具体实现方法为:给定的射频频率fRF (MHz) 分别减去一本振中心频率fLO (MHz) 、二本振中心频率f2LO (MHz) 、系统中频频率fIF (MHz) 、2N (MHz) , 其中N为整数。

当fRF―fLO―f2LO―fIF―2N=0时, 设置二中频本振频率为二本振中心频率, 射频本振设置为一本振中心频率+2N (MHz) ;

当fRF―fLO―f2LO―fIF―2N=0.25时, 设置二中频本振频率为二本振中心频率―3.75MHz, 射频本振设置为一本振中心频率+2N+4 (MHz) , 依此类推, 以此来实现全频段设计。

5.2 系统功放设计及系统线性考虑

指标要求:最大发射功率23d Bm±1.5d B (QPSK) , 21d Bm±1.5d B (16QAM) ;最小发射功率4d Bm。

指标设计:本系统选用MIMIX公司生产的XP1042-QT和XP1043-QH来完成系统的功放设计, 它们的工作频率12GHz~16GHz, 增益均为20d B, XP1042-QT的P1d B为25d Bm, XP1043-QH的P1d B为30d Bm, 在片内结温+85℃的情况下, XP1043-QH的P1d B为28d Bm, 同时, XP1042-QT和XP1043-QH均可通过控制栅极偏压, 改变集成电路的静态工作点, 调整电路增益, 使每个集成块提供15d B的动态范围。

为保证系统的线性指标, 采用功率回退法完成系统的线性设计, 对16QAM调制而言, 要求功率回退4d B, 对QPSK调制而言, 要求功率回退2d B, 前级双工器的插入损耗1d B, 在保证混频器输出功率足够的情况下, 系统功率余量3d B。

5.3 系统的接收机灵敏度及低噪声放大器的设计

相关指标要求见表2。

通信系统中, 衡量一个系统性能的重要指标是解调门限, 由信息论经典公式C=Blog2 (1+S/N) 可以看出, 当信道容量一定时, 在一定解调门限时, 所需要的载噪比与带宽成反比, 而当信道的调制解调方式确定时, 即带宽固定, 所以正常解调的载噪比也确定。为降低解调门限, 提高接收灵敏度, 需要尽可能减小接收系统的固有噪声功率。常将器件的噪声折算到管子的输入口, 用噪声系数来表示。收信机的噪声系数按下式计算:

式中NF为噪声系数, G为倍数。

本系统中选用MIMIX公司生产的XR1015-QH混频器来完成系统下变频设计, 该芯片内置低噪声放大器, 噪声系数2.5d B, 增益12d B, 双工器的插入损耗1d B。第二级混频后放大选用安捷仑公司生产的MGA71543来完成设计, 将前级的滤波器插入损耗折算至放大器, 其增益为12d B, 噪声系数3d B, 再考虑后级滤波器、数控衰减器、SBF5089放大器的噪声系数, 通过计算系统的整体噪声系数3.78d B, 在结温为+85℃时, 系统的整体噪声系数4.8d B。

在不同的系统误码率、不同的调制方式下, 系统对信号的信噪比要求见表3。

按理论, Prmin=-144+10lg B+S/N+NF可计算出3.5MHz信号带宽时, 在误码率1×10-6时, 常温的接收机灵敏度为-93.78d Bm, 该结果满足技术指标要求。

5.4 系统的接收AGC及接收动态的设计

指标要求:系统最大接收电平-20d Bm, 系统系统最小接收电平 (即接收机灵敏度-93d Bm) , 动态范围70d B。同时保证ODU输出信号电平-8d Bm~-15d Bm。

指标实现:系统的AGC控制包括系统接收增益误差检测、增益误差的调制与解调、系统增益控制表、增益误差的控制。

系统接收的信号经频率变换和放大处理后, 经中频电缆传输至IDU, IDU检测信号的强度与IDU要求输入的标准输入信号强度相比较, 计算出ODU输出信号的电平幅度误差, 此误差信息通过ASK调制由中频电缆输送至IDU, IDU解调出电平幅度误差信息。

在联调系统AGC控制前, 由标准信号源输出不同幅度的标准信号, 手动调整通道内衰减器, 保证输出信号的幅度和信噪比, 由此产生AGC控制表。系统软件根据当前增益调整状态和增益误差, 确认需调整的增益控制状态, 系统软件产生相应的增益控制信号, 控制相应的衰减器。

接收动态的设计, 主要是保证接收通道输出信号幅度基本一致的情况下, 通道内各级保证足够的线性, 同时, 又必须保证输出信号有足够的信噪比。

当输入信号为最大-20d Bm和最小-93d Bm时, 输出信号分别为-6.7和-7.1d Bm, 满足输出信号电平要求。

当输入信号为最小-93d Bm时, 系统的整体噪声系数为3.78d B, 通过以上计算分析, 满足系统的接收机灵敏度要求。

当输入信号为最大-20d Bm时, 系统各器件在其P1d B (d Bm) 至少回退9d B, 满足系统的线性度要求。

5.5 系统的发射ALC及发射动态的设计

指标要求:中频接口中心频率350MHz, 电平+5d Bm~-26d Bm@ODU;输出最大发射功率23d Bm±1.5d B (QPSK) 、21d Bm±1.5d B (16QAM) ;要求最小发射功率为-4 d Bm。

指标设计:系统发射ALC就是保证, 在输入功率电平范围内的中频信号, 经系统上变频后, 输出信号的功率电平控制在要求的功率电平。

系统的ALC控制包括系统发射功率误差检测、增益误差的调制与解调、系统增益控制表、增益误差的控制。

系统接收的信号经频率变换和放大处理后, 经中频电缆传输至IDU, IDU解调出对方要求调整功率的信息, 根据ODU当前状态输出功率信息, 计算出当前功率误差信息, 此信息通过ASK调制由中频电缆输送至IDU, IDU解调出功率误差调整信息[3]。

在联调系统ALC控制前, 由标准信号源输出不同幅度的标准中频信号, 手动调整通道内衰减器, 保证输出信号的幅度和线性, 由此产生ALC控制表。系统软件根据当前功率调整状态和功率调整误差, 确认需调整的功率调整控制状态, 系统软件产生相应的功率控制信号, 控制相应的衰减器, 实现系统的ALC控制。

发射动态的设计:保证系统输出要求的输出功率, 各器件保证有足够的线性指标。

当发射输入信号为最大+5d Bm和最小-26d Bm时, 输出信号均为23.5d Bm, 满足输出信号电平要求。

当发射输入信号为最大+5d Bm和最小-26d Bm时, 系统各器件在其P1d B (d Bm) 至少回退6.5d B, 满足系统的线性度要求。

6 结束语

随着系统工作频率的不断提升, 通信的调制方式越来越复杂, 给微波射频设备的研制带来很大的挑战, 按本文介绍设计的PDH微波室外单元各项技术指标均达到设计要求, 关键指标达到国内同类产品水平。

参考文献

[1]杨萍.平面一体化集成Ka频段卫星通信终端ODU设计[J].电讯技术, 2011 (6) :1377-1379.

[2]姚彦, 梅顺良, 高葆新.数字微波中继通信工程[M].北京:人民邮电出版社, 1990.

一体化室外单元 篇3

全球资源短缺与环境问题已成为举世瞩目的焦点,探求节能设计方法是建筑师不可回避的问题。当前,室外可调节遮阳作为方便、高效的建筑节能设施,在发达国家已广泛使用。其在我国的发展才刚刚起步,研究水平和使用状况都相对滞后。“室外可调节遮阳与建筑立面一体化”是指将室外可调节遮阳与建筑立面视为一个完整的系统,强调二者的整体同步设计。这种“一体化”的设计思维可有效促进室外可调节遮阳的推广,同时也是促进建筑节能的一个重要方式。

2 室外可调节遮阳与建筑立面一体化设计的建筑学价值

我国中东部广大地区夏季普遍炎热,太阳辐射较强。随着生活水平和居住环境舒适度要求的不断提高,夏季普遍采用空调降低室温,新建建筑窗地比越来越高,玻璃幕墙广泛使用,导致室内热环境质量恶化。目前,中国既有建筑面积达420×108m2,其中95%以上属于高能耗建筑,而占建筑能耗60%的是采暖和空调[1]。可见空调能耗之巨大!若设置室外遮阳系统,大部分太阳辐射在到达门窗前已被拦截,夏季太阳辐射热就不会直接从窗户大量进入房间,节约50%的空调耗能就可达到同样的舒适程度。而且,可调节的室外遮阳系统还能根据阳光入射高度角、方位角的变化调节百叶片角度,以便更好地阻隔太阳辐射,并调节可见光品质与自然通风,改善室内物理环境。同时,室外可调节遮阳有助于形成建筑立面的肌理感,是立面造型的重要元素。

“室外可调节遮阳与建筑立面一体化”,(以下简称为“一体化设计”)在建筑设计之初,就以整体思维将室外可调节遮阳作为建筑立面设计一个不可或缺的元素,通过合理的构造措施和遮阳技术的集成,使之有机结合,达到技术与美学的辨证统一。室外可调节遮阳与建筑立面一体化,强调二者同步设计、施工(安装)、调试、验收,并非将二者简单、机械地叠加。

3 室外可调节遮阳与建筑立面一体化设计的原则

3.1 环境适用性

环境适用性是指室外可调节遮阳的使用应适应环境特点、合理选型,不能盲目模仿、引进国外优秀遮阳产品。只有适应具体环境,才能物尽其用,事半功倍。

“环境”包含宏观与微观两个层面,“宏观环境”是指建筑所在地区的气候环境和城市环境;“微观环境”包括建筑周边环境、建筑类型、建筑层数、外窗类型、主要朝向、使用者的需求等建筑环境[3]。室外可调节遮阳构件需同时适应这两者的需求,才能最大限度地发挥其作用,达到节能目的。

3.2 性能兼容性

室外可调节遮阳与建筑外围护结构需实现的其他功能(如通风、采光、保温、隔声、视线等)之间有着千丝万缕的联系,或相辅相成,或互相矛盾。这就要求一体化设计不能与建筑功能隔离开来,而应从整体出发,综合建筑的各种需求,提出能够最好地协调各方矛盾的措施。这一措施在遮阳性能上也许不是最好的,但却能更好地满足建筑其他方面的要求,其综合性能是最优化的。

3.3 外观整体性

作为现代节能技术与精致美学实现优势整合的室外可调节遮阳产品,是构成建筑立面、丰富建筑造型的重要元素之一。应充分发挥其表现力,利用实与虚、变化与统一、对比与协调等方式展现遮阳的技术美感。

1)室外可调节遮阳与建筑立面协调统一

室外可调节遮阳作为建筑整体的一部分,是建筑造型的构成要素之一。遮阳与建筑以何种方式结合直接影响建筑立面的艺术效果,应通过研究比例、尺度两方面来协调整体与局部,在满足功能需求的前提下,通过计算模拟等方法寻找恰当的比例尺度。

2)室外可调节遮阳的自身形态塑造

室外可调节遮阳作为立面造型的重要手法,需围绕其自身特性设计。赋予室外可调节遮阳构件和谐的比例尺度、适宜的结构形式、恰当的色彩材质、精美的节点、丰富的层次与光影,实现现代节能技术与精致美学的优势整合。

3.4 设计阶段同步性

一体化设计应伴随建筑设计的各阶段而不断深化。首先根据环境要素,选择合适的室外可调节遮阳类型,并与建筑方案设计进行整合,确定基本的遮阳形式与构造方式。然后对初选的遮阳方案深化设计,包括细部设计与模拟分析等,最终完成相关图纸。再与厂家协调,将遮阳设计制作成具体产品。这是一个动态发展的过程,将遮阳设计贯穿在建筑设计、研发、实施中,需要设计师、遮阳厂家和业主等多方面的共同努力。用图1示意这个过程。

4 室外可调节遮阳与立面一体化设计的结合要素

建筑立面包括屋顶、外墙(表皮)、外廊、阳台、外窗及立面装饰等要素。室外可调节遮阳与建筑立面的一体化设计,是指将室外可调节遮阳与上述要素进行整合设计。这种一体化设计的思路有助于推动室外可调节遮阳的使用,解决室外可调节遮阳构件与建筑立面难以协调的问题。

4.1 室外可调节遮阳与屋顶

屋顶作为建筑的“第五立面”,是建筑设计的关键部分,也是建筑造型的重要影响因素。如何将室外可调节遮阳与屋顶整合,将物理性能与优美的建筑造型相结合,是建筑师应该追求的目标。根据屋顶中遮阳位置的不同,可分为挑檐遮阳、天窗遮阳、中庭遮阳等。天窗遮阳与垂直立面窗体遮阳类似,有百叶遮阳、卷帘遮阳等;玻璃中庭遮阳使用较多的是可折叠式天篷帘。

托马斯·赫尔佐格设计的雷根斯堡住宅是遮阳与屋顶结合设计的典例。屋顶以倾斜玻璃面的形式一直延伸到地面,南面的温室起到温度过渡区的作用。玻璃温室上设置水平遮阳板,可阻挡夏季阳光而不影响冬季阳光进入室内(见图2)。

4.2 室外可调节遮阳与外廊

室外可调节遮阳与外廊一体化设计,适合于通廊式住宅或宿舍,遮阳构件可局部设置,也可整面设置。2010年上海世博会的马德里案例馆就是室外可调节遮阳与外廊相结合的优秀案例(见图3)。

马德里案例馆以“竹屋”作为设计原型。“竹屋”是马德里广泛兴建的经济适用性住宅,长廊外的竹制百叶窗覆盖了整个建筑,长廊宽度为1.5m。该手法避免了强烈的日光直接照射居室,兼隔声作用。同时给住宅提供了一个半开放的起居空间,以供其在春天和夏天享受露天生活。

4.3 室外可调节遮阳与阳台

阳台是室内与室外的过渡空间,同时具有晾晒衣物、种植花草、观景休闲等功能。阳台还可以增加建筑外观的阴影变化、虚实对比,是建筑外观设计的重要元素。

我国居住建筑多以内遮阳来解决阳台的“温室效应”问题,但是,内遮阳使太阳辐射热已经从窗户大量进入房间,效果远差于外遮阳,窗帘及窗体所吸收的热辐射向室内放射,防热效果大大降低。

要解决这些问题,需要建筑师在设计阶段就对阳台的遮阳处理有所考虑。国外的居住建筑多采用百叶、折叠遮阳板或遮阳卷帘等室外可调节遮阳:一方面,可控性保证了住户可根据环境变化和自我需要进行调节;另一方面,各种新型遮阳的耐候性和美观性较高。如图4所示的巴塞罗那Llla Fleming公寓,在西向阳台外侧设置了推拉式木格栅遮阳板,既丰富了立面造型又遮挡了低角度入射的太阳辐射。

4.4 室外可调节遮阳与外墙

外墙的保温隔热性能与室内环境的舒适度密切相关,室外可调节遮阳的正确使用可以提高外墙的保温隔热性能。

南向外墙具有充足日照,设置在南向外墙上的室外可调节遮阳构件可有效降低辐射热,减少能耗。同时可结合太阳能集热器、光电板等主动式太阳能系统收集太阳能。玻璃幕墙建筑易出现“冬寒夏热”现象,较普通墙体的热工性能差,玻璃幕墙与室外可调节遮阳一体化设计是非常必要的。

1)室外可调节遮阳构件与墙体复合

现代建筑中,支撑系统与维护系统的分离使室外可调节遮阳构件能够像石材、木材、金属一样构筑建筑立面。一方面遮阳与建筑表皮的结合可以解决遮阳与建筑造型之间的矛盾,使立面产生多样变化的可能,另一方面遮阳构件内嵌在围护结构中,减少遮阳构件所占空间,增加遮阳适用度。赫尔佐格与德梅隆事务所设计的瑞士路17号住宅,弧形的木质百叶卷帘形成建筑表皮,使立面匀质统一而又富于变化(见图5)。

2)利用室外可调节遮阳构件形成双层表皮

双层表皮遮阳是指一层建筑本身的立面和另一层由室外可调节遮阳构件形成的立面,是现代技术解决人类对建筑节能和享受自然需求而产生的一种新的现代建筑形态。双层表皮之间存在空隙,对于降低建筑能耗,改善室内环境有较好的效果,在公共建筑中得到较多的使用。

图6所示为LOHA设计事务所设计的Formosa1140公寓。红色的金属遮阳表皮与主体通过预埋件相连,遮阳表皮只需承受自身重量,形式可更加灵活。遮阳表皮与外窗间留有距离,外窗正面镂空,表皮可遮挡来自外窗上部及两侧的直射阳光而不遮挡外窗正面的视线。

室外可调节遮阳与外墙一体化设计既与当代建筑重视建筑表皮的创作潮流相吻合,又达到了遮阳节能改善室内环境的目的,适用于各种高度、各种平面的建筑。如果使用得当,必将成为推动一体化设计的有力措施。

4.5 室外可调节遮阳与窗

室外可调节遮阳与建筑外窗一体化设计是应用最广泛的一种形式。近年来,外窗节能技术逐步由单一遮阳技术与单一节能窗技术向二者一体化技术方向发展,即更加注重构件的复合化、配套化、系统化,强调构件的整体节能性能。受造价及维护费用较高的制约,目前仅在少数高档住宅中使用,如南京郎诗国际采用断桥铝合金Low-E双层玻璃与铝合金室外可调节遮阳卷帘(见图7)。随着经济的发展,其推广应用必将成为趋势。

5 结语

综上所述,一体化设计的灵魂在于“整体思维,同步设计”。对室外可调节遮阳与建筑立面一体化设计进行研究,使作为现代节能技术与精致美学实现优势整合的室外可调节遮阳产品,能成为建筑的有机组成部分,在保证其高效运转、节约能源的同时,又满足建筑的使用功能和审美需求,继而促进室外可调节遮阳的推广利用。

摘要:阐述了室外可调节遮阳与建筑立面一体化设计的建筑学价值,继而多层次地探讨了一体化设计的基本原则。针对屋顶、外廊、阳台、外墙、门窗洞口等建筑立面各要素,就一体化设计的可能性和方法作了展开与分析。

关键词:建筑节能,室外可调节遮阳,一体化设计

参考文献

[1]蒋毅,黄中.建筑外遮阳与节能[J].建筑节能,2007(5):32-33.

一体化室外单元 篇4

1 工艺设计原理分析

通过对混凝土结构基层进行防水涂料施工, 有效封闭混凝土结构表层毛细孔道;

水泥混凝土找平层施工, 达到对结构误差修补的作用;

白水泥腻子进行二次精细找平施工, 既可提高截面几何尺寸准确性, 又可提高基层强度、增加耐冲击性能, 也起到保证聚脲面层的色泽一致的作用;

喷涂聚脲弹性体防水涂料施工, 可以达到二次防水的作用, 同时由于该材料色彩丰富、在底料中加入耐磨颗粒形成表面凹凸质感, 可兼顾饰面作用;

在聚脲弹性体防水层表面涂刷无色透明的脂肪族聚氨酯保护漆, 可有效提高聚脲耐紫外线照射、耐老化的性能, 延长使用寿命。

该复合防水、饰面一体化施工方法使各施工层有机结合、功能互补, 实现整体连续、密实、坚固、耐久的目的, 有效提高结构的整体抗渗效果和饰面的要求。

2 复合防水、饰面一体化工艺的优势分析

与常规多道防水层+刚性面层的施工方法比较, 优化了施工工序、节约了材料;防水材料不含催化剂、绿色环保, 无毒、无味, 无挥发性有机物 (VOC) , 环保效果优越。

用于封闭混凝土结构表层的毛细孔道的聚合物水泥基防水涂料与聚脲防水饰面涂层相结合, 施工速度快、有效提高结构整体防水隔渗能力。

聚脲防水饰面层色彩丰富, 拉伸强度、柔韧性、耐磨性、防腐蚀、耐老化、耐紫外线照射性能良好。在底料中加入耐磨颗粒形成表面凹凸质感, 具备优良的装饰饰面效果。

3 施工工艺控制

3.1 工艺流程

基层清理→涂刷防水涂料→测量放线→基层找平→细部处理→涂刷界面剂→白水泥腻子二次找平→涂刷封闭底漆→喷涂前准备→聚脲喷涂施工→涂刷脂肪族聚氨酯面漆。

3.2 基层清理

对混凝土结构基层进行全面清扫, 将基层表面的垃圾、尘土清理干净, 使表面达到洁净、无浮浆、无明显积水要求。

3.3 涂刷防水涂料

按照涂料技术要求进行配制聚合物水泥基防水涂料, 防水涂料分层涂刷, 一般涂刷3遍~4遍, 涂层应均匀, 接槎宽度不小于100 mm。

3.4 测量放线

将轴线标识在每个看台平面和栏板顶面, 并根据建筑标高控制点在看台、栏板侧面等位置进行标高引测, 弹出标高控制线。栏板、看台立面吊垂线进行垂直度控制。

3.5 基层找平

平面找平:按照建筑设计尺寸要求通过已弹出的标高控制线、轴线控制线对结构偏差进行测量统计, 用1∶3水泥砂浆做标志墩, 进行水平面的标高控制, 并按照间距不大于6 m、单块面积不大于36 m2的原则设置20 mm宽的分隔缝, 分隔缝可采用铝合金条或光滑的塑料条, 顶面与找平层完成面持平, 并用1∶3水泥砂浆进行固定, 待水泥砂浆标志墩和固定分隔条的水泥砂浆固定点养护1 d~2 d后, 浇筑细石混凝土, 用铁滚子往返滚压, 刮杠刮平, 木抹子搓平, 并及时将标志墩剔除, 补填细石混凝土, 用铁抹子3遍抹面压光, 养护不少于7 d。

立面找平:依据基层表面平整度和垂直度的实测结果, 确定灰饼厚度, 进行立面的控制, 用1∶3水泥砂浆做灰饼, 按照先上后下的顺序贴灰饼, 下部灰饼依据上部灰饼吊垂直来确定, 立面分隔缝与看台平面水泥混凝土分隔缝相对应统一, 待灰饼和固定分隔条的水泥砂浆固定点养护1 d~2 d后, 采用1∶2水泥砂浆进行分层抹灰找平, 找平后及时将水泥砂浆灰饼剔除补填抹灰找平层, 采用铁抹子3遍抹面压光, 养护不少于7 d。

3.6 细部处理

阳角部位:阳角应做成直径10 mm~20 mm的圆弧或八字钝角, 做到不缺棱掉角、角线横平竖直, 宽窄一致, 平整顺直。

阴角部位:阴角的基层清理干净后, 用水泥+108胶腻子将凹陷处填平, 对阴角的角线部位进行细致修补处理并打磨平整顺直。

金属预埋件部位:埋件根部周围用腻子将裂缝、孔洞、凹陷和缝隙填平并打磨平整, 且清理干净, 用专用密封材料对螺栓根部进行密封处理 (见图1) 。

落水口细部:根部与混凝土基层的连接部位必须用专用的堵漏材料对裂缝、凹陷、孔洞、缝隙进行堵漏及修补, 处理范围从落水口根部向下延伸20 cm的部位进行处理, 确保落水口畅通无阻 (见图2) 。

变形缝细部:变形缝的阳角部位必须做到不缺棱、不掉角, 角线必须做到平直。变形缝的侧立面延伸至200 mm范围内的基层也要进行清理、打磨, 用腻子对变形缝的平面和侧立面基层及角线进行细致的修补、找平, 使基层平整、角线顺直。

3.7 涂刷界面剂

待基层处理完毕, 且清扫干净后, 在基层表面滚涂一道108胶+水 (配比为1∶1) 界面剂, 涂刷应均匀、无漏点, 对于细部节点需用小毛刷涂刷到位。

3.8 白水泥腻子二次找平

为进一步提高表面平整度及面层色泽, 混凝土基层表面需采用高强专用腻子 (腻子采用强度等级不小于32.5普通硅酸盐白水泥+108胶 (体积配合比为1∶0.5) , 充分搅拌配制而成) 进行满刮施工, 一般分2遍施工, 每遍厚度不超过2 mm, 同时做好阴阳角、金属预埋件根部、变形缝、落水口等节点细部处理, 刮完腻子后及时洒水养护。待腻子干透后, 打磨平整, 要求处理完毕的基层面平整、线角顺直、圆弧顺畅、分隔缝深度和宽度一致, 通过水泥腻子处理后, 可有效提高基层表面强度和平整度。

3.9 涂刷封闭底漆

基层找平后, 使用专用底漆对基层进行封闭处理 (金属基层不需涂刷底漆, 但混凝土和水泥砂浆基层必须涂刷封闭底漆) , 封闭底漆粘度一般较低, 以保证其渗透性, 在干燥的混凝土表面, 机械喷涂或人工涂刷均可, 涂刷时应均匀、无漏点, 第一道干燥后涂刷第二道, 涂刷方向相互垂直, 封闭底漆在间隔6 h~8 h干燥后、48 h内进行聚脲喷涂施工。封闭底漆可以填充并封闭基层找平层表面的缝隙。

底漆可用以环氧树脂、固化剂、稀释剂、助剂等组成的环氧树脂底涂 (搅拌好的底漆在1 h内用完) , 也可使用由改性异氰酸酯预聚体、稀释剂、助剂组成的脂肪族聚氨酯底涂施工 (搅拌好的底漆在0.5 h内用完) 。

3.1 0 喷涂前准备

1) 喷涂施工前, 对施工现场周围所涉及到的非喷涂施工区域如栏杆、栏板、凸出施工面的构件进行防护处理, 用专用防护材料进行防护, 对工作面所预留的预埋件要进行封套处理, 施工时以免对墙体或其他部位造成飞溅污染, 影响其他工序的作业。2) 设置施工时喷涂设备参数:工作压力为13.8 MPa;主加热器和管道加热器温度为65℃;外部气源压力0.7 MPa~0.8 MPa。3) 涂前先将管道加热器打开, 待管道加热器温度达到所设定的温度后, 进行其他主机参数的设定, 然后进行喷涂施工。A料要防止潮气与水气参与反应, 所以要保存于干燥环境中;B料桶用电动搅拌器搅拌半小时以上后再进行喷涂施工, 施工过程中, 应保持连续搅拌, 防止搅拌不均匀, 出现沉淀。4) 聚脲喷涂前, 底材上的杂物要清理干净。在正式喷涂前, 要喷涂测试, A料与B料按1∶1的体积混合;试枪时, 喷涂在硬纸板上, 检查物料喷出的效果和固化情况是否正常, 测试正常后即可进行正式喷涂施工。

3.1 1 聚脲喷涂施工

喷涂施工要分区域完成, 喷枪垂直于喷涂面, 要求喷涂均匀, 按照先细部后整体的顺序连续施工, 喷枪每移动一行, 喷射的范围应覆盖上一行的50%, 同时下一道和上一道的喷涂方向要垂直, 保证涂层厚度均匀。在喷涂过程中及时清理底材上未处理干净的粉尘以及喷涂过程中落到底材上的杂物, 保证喷涂施工质量。

台阶的阳角、阴角、金属预埋件根部、变形缝、落水口等部位首先要喷涂1 mm聚脲防水加强层, 附加层宽度不宜小于100 mm, 然后再按照设计厚度进行大面积喷涂。

聚脲喷涂一般分3遍施工:喷涂第一道和第二道聚脲防水层后, 进行检查, 如有缺陷及时进行修补处理。对于针孔和大的缺陷, 使用厂家配套快速固化的堵缝材料进行修补;对于表面因杂质而造成的凸起, 可用裁纸刀割除并用快速固化粘合堵缝材料修补。修补完毕后, 将基层清理干净, 然后进行第三道聚脲的喷涂。

3.1 2 涂刷脂肪族聚氨酯面漆

聚脲防水层施工完毕后, 施工人员首先要对防水层进行彻底的清理, 使防水层表面洁净、干燥无杂物。然后进行脂肪族聚氨酯保护面漆 (脂肪族聚氨酯面漆为改性脂肪族异氰酸酯的多聚物、改性羟基丙烯酸树脂、填料等特种助剂组成双组分溶剂型涂料) 的施工。采用喷涂、滚涂均可进行施工, 要求均匀涂刷在聚脲表面, 至少涂刷2遍, 每遍干膜厚度不小于50μm。面漆可保护聚脲防水饰面层受紫外线的照射不出现老化、保证聚脲防水层颜色保持长久不变色, 从而提高聚脲防水饰面层的使用寿命。

4 材料控制

聚合物水泥基防水涂料、矿渣硅酸盐水泥 (强度等级≥32.5) 、普通硅酸盐白水泥 (强度等级≥32.5) ;中砂含泥量不大于3%;石子采用碎石或卵石, 最大粒径不应大于水泥混凝土厚度的2/3, 且不大于15 mm, 含泥量不大于2%。

喷涂聚脲弹性体防水涂料甲 (A料) 乙 (B料) 组分, 聚脲弹性体原材料应在15℃~40℃的环境中存放。在储存、运输过程中, 必须密封包装、严禁日光暴晒, 处于通风、干燥、远离火源、热源的环境中。

脂肪族聚氨酯面漆甲 (A料) 乙 (B料) 组分, 属于易燃品, 在运输过程中, 密封包装, 防止日光暴晒、雨淋、避免碰撞, 储存在通风阴凉干燥、远离火源的环境中。

5 高温高压无气喷涂机技术参数要求

运用高温高压无气喷涂机设备进行聚脲弹性防水涂料施工时, 设备参数要求:工作压力13.8 MPa;工作温度根据环境温度适当调整, A料加热器温度为60℃, B料加热器温度为65℃;外部气源:干燥洁净的压缩空气, 压力0.7 MPa~0.8 MPa。

6 施工注意事宜

相对湿度大于85%, 4级以上大风天气, 夏季强烈阳光直射时不可施工, 当基底温度低于5℃时, 不宜施工。

聚脲及脂肪族聚氨酯的颜色、质感均按业主要求在厂内配制完成, 施工现场严禁向原材桶内添加任何物质。

经过搅拌配制好的材料应尽快使用, 聚合物水泥基防水涂料及水泥腻子应在2 h内使用完毕, 脂肪族聚氨酯面漆应在1.5 h内使用完毕, 封闭底漆应在0.5 h内使用完毕。

水泥混凝土、水泥砂浆找平层养护期间, 若提前进入操作时, 必须铺垫覆盖保护层或采取其他可靠保护措施。

水泥砂浆找平层凝结硬化前, 应防止水冲、撞击、震动和挤压。

封闭底漆前, 对非作业区进行防护, 以免污染其他区域。涂刷完底漆的区域, 要及时派专人进行防护, 在底漆未干燥之前任何人不许进入该区域踩踏。

对已施工完毕的喷涂聚脲弹性防水饰面层, 要及时进行防护, 以免喷涂相邻的作业面时对其造成污染。喷涂施工相邻作业面之前, 喷涂工要提前通知防护工对已施工完毕的作业区域进行防护, 同时, 也应注意遮挡非作业面的其他区域, 不得污染其他部位。

喷涂施工完毕的聚脲防水饰面层不得受重物或尖锐物冲击, 不许在已完工的防水层上凿眼打洞, 破坏涂层。

喷涂施工完毕的聚脲防水饰面层, 在其本身还未达到干燥后的硬度指标时, 严禁人员在其表面踩踏, 或作为通道进行搬运物资等。最后一道面漆施工完毕, 需固化7 d后才能投入使用。如果环境温度低于10℃, 还应适当延长固化时间。

7 结语

复合防水、饰面一体化施工将防水与构造层、饰面层有机结合, 施工工序得到优化、节约了材料、减少了结构自重, 所用防水材料不含催化剂、绿色环保, 无毒、无味, 无挥发性有机物 (VOC) , 环保效果优越;原材料全部在工厂内制造, 现场只需简单的配制搅拌即可使用, 材料损耗低, 施工质量稳定可靠, 满足使用功能及耐久性要求, 具有广泛的推广应用前景。

参考文献

[1]GB/T 23446—2009, 喷涂聚脲防水涂料[S].

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