主頁(yè)（http://www.130131.com）：終于弄懂衛(wèi)星通信頻率為什么那么高了！

猶記當(dāng)年，高中老師說(shuō)過(guò)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

★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

★ 無(wú)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

★ 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

★ 衛(wèi)星的通信頻率 5GHz~40GHz 通信距離為3.6萬(wàn)千米

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(yuǎn)。

那為什么衛(wèi)星離地面那么遠(yuǎn)，卻不采用低頻通信？

為什么通信頻率高達(dá)5GHz~40GHz 卻可以傳輸這么遠(yuǎn)的距離（3.6萬(wàn)千米）？

要解釋這個(gè)疑問(wèn)，我們需要理解5個(gè)方面的知識(shí)。

1

地球大氣電離層

電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域。電離層從離地面約50公里開(kāi)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(wú)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。

長(zhǎng)波（B）、中波（C），直接被電離層吸收，只能通過(guò)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(hào)，才能實(shí)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(shí)都會(huì)有損耗，所以電磁波在大氣中傳播的時(shí)候一樣會(huì)有損耗的存在。

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

看到這里，我猜你心中一定在想:

看吧，確實(shí)是頻率越高，空間損耗越大，我的理解沒(méi)有錯(cuò)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(gè)知識(shí)點(diǎn)將為你解答疑惑。

3

無(wú)線通信接收功率鏈路計(jì)算

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

下面列出無(wú)線通信接收功率的鏈路計(jì)算公式：

看到這里，各位看官估計(jì)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(bǔ)自由空間損耗的。

但是，如何實(shí)現(xiàn)呢？

4

高增益天線

關(guān)于天線的知識(shí)，這里不做過(guò)多的解釋，我們把目光集中在如何實(shí)現(xiàn)天線的高增益上。

我們都知道，廣播電視需要做一對(duì)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(lái)，向一個(gè)方向發(fā)射呢？

是的，如果能夠讓天線只向一個(gè)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(lái)。

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：

直接給出它的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

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(shí)，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(gè)道理？

講到這里，我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)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(kāi)始計(jì)算

01

首先計(jì)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(jì)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(jì)算發(fā)射和接收天線的增益

· 拋物面天線的計(jì)算公式為單位為dBi.

· 分別計(jì)算出：

· 3GHz波長(zhǎng)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(zhǎng)為0.01m

· 則天線增益為：

Gt30

= Gr30

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

= 66.54

03

計(jì)算實(shí)際的鏈路功率

· 接收機(jī)實(shí)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(jì)算出

· 3GHz 接收機(jī)接收到的信號(hào)功率：

Pr3

= 50dBm + 46.5 - 193 + 46.5

= -50dBm· 30GHz 接收機(jī)接收到的信號(hào)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(wú)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(shí)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(shí)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(wú)線電頻段已經(jīng)被各種通信設(shè)備所占領(lǐng)，沒(méi)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(duì)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。

總結(jié)

好啦！啰嗦了上面辣么多，不曉得你們看懂沒(méi)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(gè)原因：

◆可以順利穿過(guò)電離層，不會(huì)被反射或吸收

◆ 高頻傳輸在高增益天線的支持下，并不會(huì)帶來(lái)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(duì)節(jié)約電能，提高衛(wèi)星使用壽命有幫助。

◆ 5G以上還有相對(duì)完整的頻譜資源，不容易被干擾。

出品丨EDA365

原創(chuàng)作者丨汪洋大海