终于弄懂卫星通信频率为什么那么高了!

EDA365 2019-03-15 17:42

犹记当年,高中老师说过这个知识点:


FM调频广播的频率是88~108MHz,覆盖范围从几百公里到几千公里 



★ 无线通信蜂窝网络的频率是400MHz ~ 3GHz  覆盖范围从几公里到几十公里



★ WIFI 网络的的通信频率是2.4~2.5GHz 和5.2~5.8GHz 覆盖范围从几米到几百米



★ 卫星的通信频率 5GHz~40GHz  通信距离为3.6万千米



从上面几张图可以知道,电磁波频率越低,在空气中自由传播的距离就越远。


那为什么卫星离地面那么远,却不采用低频通信?


为什么通信频率高达5GHz~40GHz 却可以传输这么远的距离(3.6万千米)?



要解释这个疑问,我们需要理解5个方面的知识。



1


地球大气电离层


电离层(Ionosphere)是地球大气的一个电离区域。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域,其中存在相当多的自由电子和离子,能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射,产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。



长波(B)、中波(C),直接被电离层吸收,只能通过地面波传播;


短波(D) 可以被电离层反射,只能在电离层以下的大气内部传播;


微波(A) 不被电离层所影响,可以直接穿透电离层。



所以,卫星通信必须采用微波频段以上频率的信号,才能实现星地通信。



2


电磁波的自由空间衰减


电磁波在穿透任何介质时都会有损耗,所以电磁波在大气中传播的时候一样会有损耗的存在。



 电磁波在大气自由空间中的传输损耗和电磁波的频率及传输距离成正比,公式如下



看到这里,我猜你心中一定在想: 


看吧,确实是频率越高,空间损耗越大,我的理解没有错误,但是卫星为什么还要采用5GHz以上的频率通信呢?



别着急,让我们继续看下去,第3个知识点将为你解答疑惑。




3


无线通信接收功率链路计算


我们都知道,一个完整无线通信系统,包括有,发射机,发射天线,传播介质,接收天线,接收机。那么,接收机最终能够收到多少有用信号就取决于它之前的四个单元



下面列出无线通信接收功率的链路计算公式:



看到这里,各位看官估计心里已经有答案了,是的,只要将天线增益做高,是有可能弥补自由空间损耗的。


但是,如何实现呢?




4


高增益天线


关于天线的知识,这里不做过多的解释,我们把目光集中在如何实现天线的高增益上。


我们都知道,广播电视需要做一对多通信,天线通常都建在高山或者高楼上,目的是为了覆盖更多的用户。


所以这种天线都是全向天线,它们向四面八方发射电磁波,电磁波分散的越广,能量消耗越快。



那么,如果将这些四散的电磁波集中起来,向一个方向发射呢?



是的,如果能够让天线只向一个方向发射,那么天线增益将获得极大的提升。这就是定向高增益天线的由来。



介绍一种经典的定向高增益天线,卡塞格伦天线,也叫抛物面天线:



直接给出它的经验计算公式:



由此公式可以得出结论:


同等尺寸的抛物面天线,当工作频率增加一倍时,天线增益将提升6Db!



有兴趣的看官可以自己算算,是不是这个道理?


讲到这里,我们来做一个简单的计算:




先给出条件


天地通信距离:

地球同步轨道=35786 Km,

取整 d = 36000km

通信频率:

3GHz 和 30GHz

发射接收天线的尺寸: 

都定为直径10m 的抛物面天线


发射功率:

100W=50dBm


然后开始计算


01

首先计算自由空间衰减


· 由于是GHz 频率

· 所以代入公式

   L=92.4+20lg(F)+20lg(d)
· 设卫星和地面的距离d=36000km;
· 分别计算出3GHz的空间衰减:

   L3=92.4 +9.5+91.1=193

· 30GHz的空间衰减:

   L30=92.4+29.5+91.1=213


02

计算发射和接收天线的增益


· 抛物面天线的计算公式为单位为dBi.

· 分别计算出:

· 3GHz波长为 0.1m

· 则天线增益为:

    Gt3 

 = Gr3

 = 10 lg [4.5 x (10/0.1) 2]

 = 46.5

· 30GHz波长为0.01m

· 则天线增益为

    Gt30

 = Gr30

 = 10 lg [4.5 x (10/0.01) 2]

 = 66.54 


03

计算实际的链路功率


· 接收机实际接收到功率:

   代入公式 Pr=Pt+Gt-L+Gr, 

· 发射功率

   Pt = 100W=50dBm
· 则可以分别计算出

· 3GHz 接收机接收到信号功率:

    Pr3

 = 50dBm + 46.5 - 193 + 46.5

 = -50dBm
· 30GHz 接收机接收到的信号功率

    Pr30

 = 50dBm + 66.5 - 213 + 66.5

 = -30dBm



结果很清楚:


在不考虑天气因素(比如下雨,比如阴天云层厚)的情况下,越高频率的无线链路效率越高!



5


高频率,大带宽,高速率


卫星在太空中需要靠电池工作,而电池能量是有限的。所以,缩短通信时间是节约电池能量的好办法。


在需要传输的信息量恒定的条件下,想要缩短通信时间,则必须提高传输速率。


那么怎么提高传输速率呢?

 

香农老爷爷给我们指了一条明路:提高通信带宽就可以提高信息传输速率。



大带宽携带更多信息


在地球上,5G以下的无线电频段已经被各种通信设备所占领,没办法空出一块完整的大带宽给到卫星通信,而5G以上还有相对完整的频谱资源,所以,卫星通信选择5G以上也是为了方便数据的传输。





总结


好啦!啰嗦了上面辣么多,不晓得你们看懂没有……



总之,由此,我们可以得出,卫星之所以采用5GHz以上的工作频率,有下面几个原因:


可以顺利穿过电离层,不会被反射或吸收


 高频传输在高增益天线的支持下,并不会带来太大的功率损耗。


 高频意味着大带宽,根据香农公式,带宽越宽,信息传输速率越高,对节约电能,提高卫星使用寿命有帮助。


 5G以上还有相对完整的频谱资源,不容易被干扰。



出品丨EDA365

原创作者丨汪洋大海

排版编辑丨阿迟

插画绘制丨弯弯




——END——



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