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衛(wèi)星通訊使用高頻率簡要解析

作者： 深方科技 時間：2019-09-23 來源：caowo.com.cn
摘要：衛(wèi)星通訊一般情況下都是使用高頻，究竟是什么原因呢，我們今天就帶大家簡單了解一下。 FM調(diào)頻廣播的頻率是88~108MHz，覆蓋范圍從幾百公里到幾千公里。...

      衛(wèi)星通訊一般情況下都是使用高頻，究竟是什么原因呢，我們今天就帶大家簡單了解一下。

      FM調(diào)頻廣播的頻率是88~108MHz，覆蓋范圍從幾百公里到幾千公里。

01-FM通訊.jpeg

      無線通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻率是400MHz ~ 3GHz 覆蓋范圍從幾公里到幾十公里。

02-蜂窩通訊.jpeg

      WiFi 網(wǎng)絡(luò)的的通信頻率是2.4~2.5GHz 和5.2~5.8GHz 覆蓋范圍從幾米到幾百米。

03-WIFI通訊.jpeg

      衛(wèi)星的通信頻率 5GHz~40GHz 通信距離為3.6萬千米。

04-衛(wèi)星通訊.jpeg

      從上面幾張圖可以知道，電磁波頻率越低，在空氣中自由傳播的距離就越遠。那為什么衛(wèi)星離地面那么遠，卻不采用低頻通信？為什么通信頻率高達5GHz~40GHz 卻可以傳輸這么遠的距離（3.6萬千米）？

      要解釋這個疑問，我們需要理解5個方面的知識。

1、地球大氣電離層

      電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個電離區(qū)域。電離層從離地面約50公里開始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當(dāng)多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收。

05-電離層.jpeg

長波（B）、中波（C），直接被電離層吸收，只能通過地面波傳播；

短波（D） 可以被電離層反射，只能在電離層以下的大氣內(nèi)部傳播；

微波（A） 不被電離層所影響，可以直接穿透電離層。

所以，衛(wèi)星通信必須采用微波頻段以上頻率的信號，才能實現(xiàn)星地通信。

2、電磁波的自由空間衰減

      電磁波在穿透任何介質(zhì)時都會有損耗，所以電磁波在大氣中傳播的時候一樣會有損耗的存在。

06-電磁波.jpeg

      電磁波在大氣自由空間中的傳輸損耗和電磁波的頻率及傳輸距離成正比，公式如下：

07-電磁波計算工式.jpeg

      看到這里，我猜你心中一定在想:看吧，確實是頻率越高，空間損耗越大，我的理解沒有錯誤，但是衛(wèi)星為什么還要采用5GHz以上的頻率通信呢？別著急，讓我們繼續(xù)看下去，第3個知識點將為你解答疑惑。

3、無線通信接收功率鏈路計算

      我們都知道，一個完整無線通信系統(tǒng)，包括有，發(fā)射機，發(fā)射天線，傳播介質(zhì)，接收天線，接收機。那么，接收機最終能夠收到多少有用信號就取決于它之前的四個單元。

09-無線通訊鏈路.jpeg

      下面列出無線通信接收功率的鏈路計算公式：

10-無線通訊接收功率計算工式.jpeg

      看到這里，各位看官估計心里已經(jīng)有答案了，是的，只要將天線增益做高，是有可能彌補自由空間損耗的。但是，如何實現(xiàn)呢？

4、高增益天線

      關(guān)于天線的知識，這里不做過多的解釋，我們把目光集中在如何實現(xiàn)天線的高增益上。我們都知道，廣播電視需要做一對多通信，天線通常都建在高山或者高樓上，目的是為了覆蓋更多的用戶。所以這種天線都是全向天線，它們向四面八方發(fā)射電磁波，電磁波分散的越廣，能量消耗越快。

      那么，如果將這些四散的電磁波集中起來，向一個方向發(fā)射呢？

是的，如果能夠讓天線只向一個方向發(fā)射，那么天線增益將獲得極大的提升。這就是定向高增益天線的由來。

      介紹一種經(jīng)典的定向高增益天線，卡塞格倫天線，也叫拋物面天線：

拋物面天線.jpg

      直接給出它的經(jīng)驗計算公式：

11-拋物面天線計算工式.jpeg

由此公式可以得出結(jié)論：

同等尺寸的拋物面天線，當(dāng)工作頻率增加一倍時，天線增益將提升6dB！


有興趣的看官可以自己算算，是不是這個道理？

講到這里，我們來做一個簡單的計算：


先給出條件

天地通信距離：

地球同步軌道=35786km，

取整 D=36000km通信頻率：

3GHz 和 30GHz發(fā)射接收天線的尺寸：

都定為直徑10m 的拋物面天線

發(fā)射功率：

100W=50dBm

然后開始計算

01、首先計算自由空間衰減

· 由于是GHz 頻率

· 所以代入公式

L=92.4+20lg（F）+20lg（D）· 設(shè)衛(wèi)星和地面的距離D=36000km;· 分別計算出3GHz的空間衰減：

L3=92.4 +9.5+91.1=193

· 30GHz的空間衰減：

L30=92.4+29.5+91.1=213

02、計算發(fā)射和接收天線的增益

· 拋物面天線的計算公式為單位為dBi.

· 分別計算出：

· 3GHz波長為 0.1m

· 則天線增益為：

Gt3

= Gr3

= 10 lg [4.5 x (10/0.1)2]

= 46.5

· 30GHz波長為0.01m

· 則天線增益為：

Gt30

= Gr30

= 10 lg [4.5 x (10/0.01)2]

= 66.54

03、計算實際的鏈路功率

· 接收機實際接收到功率：

代入公式 Pr=Pt+Gt-L+Gr，

· 發(fā)射功率

Pt=100W=50dBm· 則可以分別計算出

· 3GHz 接收機接收到的信號功率：

Pr3

= 50dBm + 46.5 - 193 + 46.5

= -50dBm· 30GHz 接收機接收到的信號功率：

Pr30

= 50dBm + 66.5 - 213 + 66.5

= -30dBm


結(jié)果很清楚：

在不考慮天氣因素（比如下雨，比如陰天云層厚）的情況下，越高頻率的無線鏈路效率越高！


5、高頻率，大帶寬，高速率

      衛(wèi)星在太空中需要靠電池工作，而電池能量是有限的。所以，縮短通信時間是節(jié)約電池能量的好辦法。在需要傳輸?shù)男畔⒘亢愣ǖ臈l件下，想要縮短通信時間，則必須提高傳輸速率。那么怎么提高傳輸速率呢？香農(nóng)老爺爺給我們指了一條明路：提高通信帶寬就可以提高信息傳輸速率。

      大帶寬攜帶更多信息

      在地球上，5G以下的無線電頻段已經(jīng)被各種通信設(shè)備所占領(lǐng)，沒辦法空出一塊完整的大帶寬給到衛(wèi)星通信，而5G以上還有相對完整的頻譜資源，所以，衛(wèi)星通信選擇5G以上也是為了方便數(shù)據(jù)的傳輸。

12-大帶寬傳輸更多數(shù)據(jù).jpeg

      總結(jié)：好啦！啰嗦了上面辣么多，不曉得你們看懂沒有……


      總之，由此，我們可以得出，衛(wèi)星之所以采用5GHz以上的工作頻率，有下面幾個原因：

      ◆  可以順利穿過電離層，不會被反射或吸收

      ◆  高頻傳輸在高增益天線的支持下，并不會帶來太大的功率損耗。

      ◆  高頻意味著大帶寬，根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越寬，信息傳輸速率越高，對節(jié)約電能，提高衛(wèi)星使用壽命有幫助。

      ◆  5G以上還有相對完整的頻譜資源，不容易被干擾。



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