天线增益和天线效率对卫星链路通信性能的影响

　　天线增益和天线效率对卫星链路通信性能的影响
 

　　卫星通信已经成为区域通信、国家军事通信、个人通信等的主要手段。由于现有的卫星通信资源短缺，使得部分通信服务水平相对较低，对卫星链路性能的要求较高。为了能够确保卫星通信的效率，减少信号传输的损耗，则需要提高卫星链路性能，降低天线效率与天线增益对卫星通信链路的影响。
 

　　1 天线增益概述
 

　　天线增益指的是：当输出功率相等时，实际天线和理想中的辐射单元，其在空间同一点位置处，所产生的信号功率密度比。天线增益定量描述了天线集中辐射输入功能的实际程度。基于物理学角度来解释增益，当距离上的某点所产生的信号，利用增益作为某定向发射天线，若增益G=13dB=20，则传输功率只需要5W，与无方向性理想电源相比较，增益输入功率所放大的倍数为天线辐射的效果。
 

　　2 卫星通信链路性能计算方法
 

　　2.1 天线增益与效率对卫星链路通信性能影响途径
 

　　卫星通信途径主要包括以下类型：
 

　　(1)上行链路，也就是发送地球站与卫星之间的电磁传播路径；
 

　　(2)下行链路，也就是卫星与接收地球站之间的电磁传播路径；
 

　　(3)星间链路，也就是卫星与卫星之间通信的电磁传播路径。
 

　　卫星通信链路性能的好坏，由模拟信号与数字信号传输质量表示。模拟信号传输质量，采用经过解调后的信噪比表示，即S/N，数字信号传输，采用的事比特误码率表示，即BER。天线增益和天线效率对卫星通信链路的影响较大，不论是BER还是S/N，其传输质量均与调节前的噪声温度有关，信号传输治疗与解调器与滤波器的性能有着直接的影响，S/N与BER均取决于C/T，即调节前的载波效率以及等效噪声温度参数之比，同时还受到调制方式的影响。
 

　　2.2 卫星通信链路性能影响计算方法
 

　　对于上行链路载噪比的计算过程中，地球站作为发射系统，而卫星作为接收系统。计算式中将地球站有效全向辐射的功率，设为EIRPE，传播损耗设为LU，接收天线增益设为GRS，馈线损耗则设为LFRS，将大气损耗设为Lα，则卫星通信转发器接收机的输入端，其载噪比公式为
 

　　U=EIRPE+GRS-LU-101g(kTSBS)。
 

　　对于下行载噪比的计算，卫星转发器作为发射系统，而地球站则作为接收系统，与上行链路的载噪比计算方法类似，将卫星转发器的有效全向的辐射功率，设为EIRPE，传播损耗设为LU，接收天线增益设为GRS，地球站接收机的输入端，其载噪比计算公式为：
 

　　D=EIRPS+GRS-LD-101g(kTEBE)。
 

　　对于误码率的计算，则采用相移键控调制方式，即PSK，常用的调制方式为2PSK或者4PSK。在实际应用中误码率计算，其主要是利用自定义模型加载计算的。卫星通信链路常采用无人机干扰方法，只需要利用较小的干扰功率，便能够取得良好的干扰效果。在使用的过程中，则需要对准频率，当干扰频率发生偏移，则信号干扰的效果将会迅速下降。同时还需要充分的考虑干扰功率，合理放置干扰机的位置与数量。对于卫星传输信道的誤码率分析，主要采取理想高斯信道下的误码率分析，以及瑞利衰减信道传输的误码率分析，以此验证卫星通信的质量。对于误码率的控制，除了控制发射功率外，还需要考虑卫星链路与通信信道的传输特征，将误码率控制在最低。
 

　　3 天线增益和天线效率对卫星通信链路性能的具体影响
 

　　3.1 天线增益对卫星通信链路性能的影响
 

　　天线增益是影响地球站系统性能的主要参数，为了确保卫星通信的效率，则必须要确保天线具备较高定向增益参数，进而能够将信号能量聚集，形成窄波束，以此来接收卫星天线信号，或者向卫星天线发送信号，同时为卫星通信提供足够的上行载波功率与下行载波功率。同时为了提高卫星通信的效果，则天线辐射方向图的旁瓣要很低，减少由于不同方向的信号源，所带来的干扰，除此之外还需要将干扰以及地面系统的干扰控制在最小程度。确保天线主反射器以及远场观察点的坐标系相同，其是将主反射器系统，利用δzm-α，在坐标系Z方向进行转化得出的。
 

　　3.2 天线效率对卫星通信链路性能的具体影响
 

　　3.2.1 天线噪声温度的影响计算
 

　　天线噪声温度对卫星链路通信的性能，有着较大的影响，因此为了提高卫星通信的性能，则需要控制天线噪声温度。天线噪声温度主要是来源于天线周围的环境，包括宇宙噪声、大气噪声、地面噪声等。在计算卫星链路通信性能时，则需要准确的计算天线噪声温度，在计算的过程中，则需要明确增益函数以及各干扰方向的亮温分布。需要注意的是若喇叭天线，其利用馈线与双工网络与低噪放大器实现的连接，则计算时要将电阻损耗所产生的噪声计算进去。
 

　　3.2.2 卫星接收系统噪声温度影响计算
 

　　卫星接收系统噪声温度也是影响卫星链路通信性能的主要因素。系统噪声温度来源于天线以及低噪声放大器。在计算的过程中，若将LNA输入端作为参考点，则需要将馈线噪声温度与天线噪声温度计入LNA输入端中，同时还需要将降雨所造成的噪声温度给折算计入，最后需要将低噪声放大器所造成的噪声温度加入进去。等效噪声温度的计算，需要加上LAN的噪声温度，即低噪声放大器所造成的噪声温度+天线噪声温度。