天線增益和天線效率對衛星鏈路通信性能的影響

摘 要針對衛星鏈路通信性能問題，從影響衛星通信的主要因素入手進行分析，主要論述了天線增益與天線效率給衛星鏈路通信性能造成的影響。天線增益與天線效率影響著衛星鏈路通信的質量與效率，因此加強其影響研究，有著現實的意義。

【關鍵詞】天線增益 天線效率 衛星鏈路 通信性能

衛星通信已經成為區域通信、國家軍事通信、個人通信等的主要手段。由于現有的衛星通信資源短缺，使得部分通信服務水平相對較低，對衛星鏈路性能的要求較高。為了能夠確保衛星通信的效率，減少信號傳輸的損耗，則需要提高衛星鏈路性能，降低天線效率與天線增益對衛星通信鏈路的影響。

1 天線增益概述

天線增益指的是：當輸出功率相等時，實際天線和理想中的輻射單元，其在空間同一點位置處，所產生的信號功率密度比。天線增益定量描述了天線集中輻射輸入功能的實際程度?；谖锢韺W角度來解釋增益，當距離上的某點所產生的信號，利用增益作為某定向發射天線，若增益G=13dB=20，則傳輸功率只需要5W，與無方向性理想電源相比較，增益輸入功率所放大的倍數為天線輻射的效果。

2 衛星通信鏈路性能計算方法

2.1 天線增益與效率對衛星鏈路通信性能影響途徑

衛星通信途徑主要包括以下類型：

（1）上行鏈路，也就是發送地球站與衛星之間的電磁傳播路徑；

（2）下行鏈路，也就是衛星與接收地球站之間的電磁傳播路徑；

（3）星間鏈路，也就是衛星與衛星之間通信的電磁傳播路徑。

衛星通信鏈路性能的好壞，由模擬信號與數字信號傳輸質量表示。模擬信號傳輸質量，采用經過解調后的信噪比表示，即S/N，數字信號傳輸，采用的事比特誤碼率表示，即BER。天線增益和天線效率對衛星通信鏈路的影響較大，不論是BER還是S/N，其傳輸質量均與調節前的噪聲溫度有關，信號傳輸治療與解調器與濾波器的性能有著直接的影響，S/N與BER均取決于C/T，即調節前的載波效率以及等效噪聲溫度參數之比，同時還受到調制方式的影響。

2.2 衛星通信鏈路性能影響計算方法

對于上行鏈路載噪比的計算過程中，地球站作為發射系統，而衛星作為接收系統。計算式中將地球站有效全向輻射的功率，設為EIRPE，傳播損耗設為LU，接收天線增益設為GRS，饋線損耗則設為LFRS，將大氣損耗設為Lα，則衛星通信轉發器接收機的輸入端，其載噪比公式為

U=EIRPE+GRS-LU-101g（kTSBS）。

對于下行載噪比的計算，衛星轉發器作為發射系統，而地球站則作為接收系統，與上行鏈路的載噪比計算方法類似，將衛星轉發器的有效全向的輻射功率，設為EIRPE，傳播損耗設為LU，接收天線增益設為GRS，地球站接收機的輸入端，其載噪比計算公式為：

D=EIRPS+GRS-LD-101g（kTEBE）。

對于誤碼率的計算，則采用相移鍵控調制方式，即PSK，常用的調制方式為2PSK或者4PSK。在實際應用中誤碼率計算，其主要是利用自定義模型加載計算的。衛星通信鏈路常采用無人機干擾方法，只需要利用較小的干擾功率，便能夠取得良好的干擾效果。在使用的過程中，則需要對準頻率，當干擾頻率發生偏移，則信號干擾的效果將會迅速下降。同時還需要充分的考慮干擾功率，合理放置干擾機的位置與數量。對于衛星傳輸信道的誤碼率分析，主要采取理想高斯信道下的誤碼率分析，以及瑞利衰減信道傳輸的誤碼率分析，以此驗證衛星通信的質量。對于誤碼率的控制，除了控制發射功率外，還需要考慮衛星鏈路與通信信道的傳輸特征，將誤碼率控制在最低。

3 天線增益和天線效率對衛星通信鏈路性能的具體影響

3.1 天線增益對衛星通信鏈路性能的影響

天線增益是影響地球站系統性能的主要參數，為了確保衛星通信的效率，則必須要確保天線具備較高定向增益參數，進而能夠將信號能量聚集，形成窄波束，以此來接收衛星天線信號，或者向衛星天線發送信號，同時為衛星通信提供足夠的上行載波功率與下行載波功率。同時為了提高衛星通信的效果，則天線輻射方向圖的旁瓣要很低，減少由于不同方向的信號源，所帶來的干擾，除此之外還需要將干擾以及地面系統的干擾控制在最小程度。確保天線主反射器以及遠場觀察點的坐標系相同，其是將主反射器系統，利用δzm-α，在坐標系Z方向進行轉化得出的。

3.2 天線效率對衛星通信鏈路性能的具體影響

3.2.1 天線噪聲溫度的影響計算

天線噪聲溫度對衛星鏈路通信的性能，有著較大的影響，因此為了提高衛星通信的性能，則需要控制天線噪聲溫度。天線噪聲溫度主要是來源于天線周圍的環境，包括宇宙噪聲、大氣噪聲、地面噪聲等。在計算衛星鏈路通信性能時，則需要準確的計算天線噪聲溫度，在計算的過程中，則需要明確增益函數以及各干擾方向的亮溫分布。需要注意的是若喇叭天線，其利用饋線與雙工網絡與低噪放大器實現的連接，則計算時要將電阻損耗所產生的噪聲計算進去。

3.2.2 衛星接收系統噪聲溫度影響計算

衛星接收系統噪聲溫度也是影響衛星鏈路通信性能的主要因素。系統噪聲溫度來源于天線以及低噪聲放大器。在計算的過程中，若將LNA輸入端作為參考點，則需要將饋線噪聲溫度與天線噪聲溫度計入LNA輸入端中，同時還需要將降雨所造成的噪聲溫度給折算計入，最后需要將低噪聲放大器所造成的噪聲溫度加入進去。等效噪聲溫度的計算，需要加上LAN的噪聲溫度，即低噪聲放大器所造成的噪聲溫度+天線噪聲溫度。

4 結束語

天線增益以及天線效率對衛星鏈路通信的質量與性能，有著極大的影響，其主要影響上行鏈路與下行鏈路，給衛星通信質量造成影響，對此為了確保衛星通信性能，則需要天線具備較高定向增益參數，同時合理計算噪聲溫度，降低對衛星鏈路通信性能的影響。

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作者簡介

林智（1990-），男，海南省?？谑腥?。大學本科學歷?，F為民航三亞空管站助理工程師。研究方向為電子通信。

作者單位

中國民用航空三亞空中交通管理站 海南省三亞市 572000