怎样计算天线直径发射功率卫星租用带宽

怎样计算天线直径、发射功率、卫星租用带宽？

在卫星通信系统中，使用C波段或者Ku波段。假设，已选定某颗卫星，卫星参数已知，主站和远端站的位置和数量已经确定，卫星通信系统用于数据传输，并数据速率已确定。怎样计算VSAT天线直径和VSAT站的发射功率？

例：卫星通信系统主站位于A点，远端站位于B、C、D点，选定X卫星，球覆波束能覆盖A、B、C、D点，EIRP=35dB，卫星通信系统用于建立内部网（如某大型企业的内部网），最大数据速率为1M，试估算A、B、C、D点的地球站天线直径、发射功率、卫星租用带宽。

1、接收功率的计算

根据电波传播理论，通信链路中电波的自由空间衰减为：

L＝(4πd/λ)2 (1)

其中λ为工作波长，在卫星通信中，d为卫星到接收站的距离：

d＝35786×103×｛1＋0.42×［1－cos(φs－φe)cosθ］｝1/2或

d＝42146×103×［1.023－0.302cos(φs－φe)cosθ］1/2

式中φs为卫星星下点的经度，φe为地球站经度，θ为地球站纬度。

如果源点的发射功率为Pt，接收方向上发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，下行链路的自由空间衰减为Ld，则接收到的功率为：

Pr＝Pt×Gt×Gr/Ld用对数表示，则

［Pr］＝［Pt］+[Gt]＋［Gr］－［Ld］(2)

在卫星通信中，Pt×Gt定义为等效全向辐射功率EIRP，该值由卫星公司提供，通常以等高线图或表格的形式提供给用户。并将大气闪烁损耗、天线指向误差和馈源极化调整误差对接收的影响归结为ΔLd（Ku波段上行或下行链路瞬间雨衰量可超过10dB，而C波段最大雨衰量一般不超过1dB），则公式(2)变为：

［Pr］＝［EIRP］＋［Gr］－［Ld］－[ΔLd] (3)

Gr=10lg［(πD/λ)2 η］确定，其中D为接收天线的直径（米），η为接收天线的效率，通常在50%～70%之间（偏馈天线为65%，前馈天线为55%）。

2、当采用SCPC方式使用一个转发器时（SCPC为单路单载波系统，即一路载波只含有一套节目，要传送多套节目就需要多个载波，其优点是可在不同的地点上星，适合上行站不在同一地点而需共用一个转发器的情况。MCPC多路单载波系统，即一路载波包含多套节目，优点是没有多载波谐波干扰，频带和功率利用率较高，适用于多路信号在同一地点上星），转发器的发射功率将在几个载波之间分配，如果这几个载波都是等幅的，则对每1路载波而言，其EIRP要考虑带宽因子：

［S］＝10lg(B/Br)其中B为整个转发器的带宽，Br则为某个已调载波占的带宽。如果1个星载转发器的带宽被n个载波均分，则带宽因子成为［S］＝10lgn。

此外，在多载波使用时，总功率是多个载波的功率之和，所以每个载波需要有一定数值的功率回退。功率回退的目的是减小互调产物对转发器甚至是对其它转发器的干扰。功率回退的值［OPBO］由卫星公司提供。

综合上述几个因素，某1路载波的EIRP为：

［EIRP］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］

接收天线接收到载波的功率为：

［Pr］＝［EIRP］－［S］－［OPBO］＋［Gr］－［Ld］－［ΔLd］(4)

3、接收站的噪声温度和下行链路的载温比

如果接收天线的噪声温度为Ta，高频头的噪声温度为TLNB，则接收站的系统噪声温度大致（忽略了馈线的噪声温度）为：

T＝Ta＋TLNB测定了噪声温度（现在有很多高频头给出的是噪声系数F单位是db，那么噪声系数和噪声温度TLNB的换算公式是: TLNB=(10F/10-1)T0 ,T0是常温下的绝对温度2900K），就可以得到下行链路的载温比C/T：

［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［Ld］－［ΔLd］(5)

通常将［Gr/T］称为地球站的品质因数，它是用来描述卫星接收信号能力的一个重要指标。当多个载波使用1个转发器时，某1路载波的载温比为：

［C/T］＝［Gr/T］＋［EIRP］－［S］－［OPBO］－［Ld］－［ΔLd］(6)

4、数字方式转发时的门限［Eb/N0］

当以数字方式转发时，以［Eb/N0］来表示，[Eb/No]是单位比特的平均信号能量（即传送一个比特的信息所需要的载波功率）与噪声的单边功率谱密度（每赫兹带宽的噪声功率）之比。［Eb/N0］与［C/T］的关系：

［Eb/N0］＝［C/T］－［RI］－［K］(8)

这里需要注意的是，RI为信道编码之前的信息净荷速率，也就是调制解调器输入信号的速率，而非经过信道编码后的数码流的速率。

［Eb/N0］与［C/N］之间有如下关系：

［C/N］＝(Eb／N0) ×（Rb/B）其中Rb/B是频谱效率，

B=(1+α)×RS α是滚降系数，在卫星系统中取0.35；RS是符号率

Rb=RS×log2(M) Rb是总码率

所以有Rb/B= log2(M)/1.35

一般来说卫星信号的调制方式都是QPSK，所以Rb/B=1.48 有：

［C/N］＝（Eb／N0）＋10lg1.48=（Eb／N0）+1.7 （9）

5、雨衰对卫星信号接收的影响

在进行卫星接收时，我们经常会遇到雨衰的问题，对于C波段来说，由于其波长较大，所以雨衰较小在1db以下，但对于波长较短的KU波段来说，由于雨滴对电波的吸收和散射造成对电波的衰减较为严重，所以在KU波段雨衰可高达10db以上。对于地面接收站来说，避免雨衰的方法是采用大口径的接收天线加以解决。

另外，雨滴对电磁波还有去极化的作用，由于穿过雨滴的入射电波的极化面取向不同将造成雨滴对电波的衰减和相移不同，从而对电磁波形成微分衰减和微分相移，这对于正交极化复用的双极化传输系统造成极化隔离度下降，正交极化信号相互干扰加大。

EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)

有效全向辐射功率

EIRP也称为等效全向辐射功率，它的定义是地球站或卫星的天线发送出的功率（P）和该天线增益（G）的乘积，即：

EIRP=P*G

如果用dB计算，则为

EIRP(dBW) = P(dBW) + G(dBW)

EIRP表示了发送功率和天线增益的联合效果。

EIRP是卫星通信和无线网络中的一种重要参数。有效全向辐射功率EIRP为卫星转发器在指定方向上的辐射功率。它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为dBW。EIRP的计算公式为EIRP = P –Loss + 式中的P为放大器的输出功率，Loss为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，为卫星天线的发送增益。

卫星转发器的主要性能参数

通信卫星的转发器主要参数为G/T、SFD与EIRP。相关参数在用户载波的链路计算和卫星通信的系统设计中起着关键作用。

G/T 、SFD与EIRP

G/T 被称为figure of merit，即接收系统的品质因素。G/T为接收天线增益G与接收系统噪声温度T之比值，单位为dB/k ，其计算公式为，

G/T = GR –TS

式中，GR为卫星天线的接收增益，TS为卫星接收系统的噪声温度。

饱和通量密度SFD的定义为，当转发器被推到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度。SFD反映卫星转发器对上行功率的需求量，单位为dBW/m2，它的一种常用计算公式为，

SFD = constant + attn –G/T

式中的constant为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100与-90之间。constant越小，转发器的增益就越高。上式中的attn为转发器的衰减控制量。通过地面遥控方式，可以改变星上转发器的attn值，调整SFD的灵敏度。用户在作链路计算时，应向卫星公司了解相关转发器衰减档的当前设置值，并且据此对手册中查到的SFD数据作修正。

EIRP反映卫星转发器在指定方向上的辐射功率，它为天线增益与功放输出功率之对数和，单位为dBW，其计算公式为，

EIRP = P –Loss + GT

上式中，P为功率放大器的输出功率，Loss为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，GT 为卫星天线的发送增益。

天线增益决定转发器参数

G/T和SFD反映卫星接收系统在其服务区内的性能，这两个参数与卫星接收天线的增益线性相关。EIRP反映转发器的下行功率，它与卫星发送天线的增益线性相关。

卫星天线增益随天线指向与工作频率而变。天线服务区中不同地点的转发器参数各不相同。用户可以从卫星公司所提供的城市参数表、或者G/T与EIRP等值线分布图中查询各地的转发器参数。不同转发器在同一地点的参数略有不同。

系统噪声温度

需要注意的是，不同公司所选的系统噪声温度TS可能略有出入，而这将影响G/T的取值。系统噪声温度主要由天线噪声温度和接收系统前置级放大器的噪声温度所构成。折算到天线馈源端的系统噪声温度的计算公式为，

TS = Ta + (LF–1) T1 + LF * Te (dBk)

式中，Ta和Te分别为天线和低噪声放大器的噪声温度，LF为天线和放大器之间的馈线损耗，T1 为馈线的环境温度。由于卫星天线指向温度较高的地球表面，Ta远高于Te。不过，星上的馈线损耗较大，上式中折算到天线馈源端的后两项噪声因子也不容小觑。