KU卫星系统

KU卫星系统（共6篇）

KU卫星系统 篇1

摘要：Ku波段是目前我国卫星广播的专用波段, 可避免与地面通信间的干扰, 其频率范围较宽, 能容纳的广播电视频道多。1995年我国开始利用Ku波段卫星转发器传送中央广播电视以来, 全国各地陆续利用Ku波段向全世界传送。因此在充分利用Ku波段资源的同时, 更好的接收Ku波段信号, 才能真正实现扩大我国广播电视的人口覆盖率。

关键词：卫星接收系统组成,接收特点,抗雨衰办法

1 卫星电视接收系统组成

卫星广播电视接收系统是由卫星接收天线馈源高频头和卫星接收机组成, 如图:

卫星接收天线作用是有效接收卫星辐射到地面的电磁波, 并将它传送到高频头。Ku波段接收天线分为一体成型天线和网状组合型天线。工程上常用一些参量来表现天线用作发射或接收的特性, 如方向图增益;半功率角、等效噪声、温度等。

馈源是在抛物面天线的焦点处 (接收天线的辐射中心) 设置一个汇聚卫星信号的喇叭, 意思是馈送能量的源要求将汇聚到焦点的能量全部收集起来。馈源本身就是一个小型天线, 卫星接收使用的馈源大多是喇叭天线, 喇叭天线与波导密不可分。实际上喇叭天线就是波系的开口面逐渐扩大而形成的前馈式卫星接收天线, 基本上用大强角波纹馈源。

高频头是将馈源送来的卫星信号进行变频 (1GH2) 和信号放大, 然后传送至卫星接收机。 (高频头的噪声系数越低越好) 高频头由输入法兰盘、矩形波导、耦合装置、低噪声放大器、本振、混频、中放和电源稳压几部分组成, 如图:

卫星接收机的作用是将高频头传送来的卫星信号 (1GH2) 进行变频及解调处理, 还原出卫星电视图像信号

卫星接收机输入功率的计算公式为Pi=EIRP (d Bm) -Lo+Gr+GLVB-Lcab Ic-LS;式中EIRP为Ku波段转发器等有效全向辐射功率, Lo为Ku波段自由空间的损耗, Gr为接收天线的增益;GLVB为高频头的增益;Lcab Ic为电缆的损耗;LS为功分期的损耗。以上增益和损耗的单位均为d B, 其中Ku波段Lo=205.8d B。

2 Ku波段的接收特点

Ku波段是指, 频率在12~18GHz的电波。国际电信联盟将11.7~12.2GHz的频率范围优先划分给卫星电视广播专用。从频率上看Ku波段的频率为C波段的3倍, 波长是C波段4GHz波长1/3。与C波段相比Ku波段的优点有:

1) 接收天线的口径较小, 便于安装, 天线成本相对较低。2) Ku波段的地面场强较高, 这是由于Ku波段通信卫星下行波束比C波段的窄, 因此使到达地面的信号功率通量密度较大, 能量集中, 方便接收。3) 空用频带较宽, C波段的频率是3.7~4.2GHz带宽是500MHz, 而Ku波段的带宽达800MHz可利用性高。4) 由于Ku波段频率高, 因此各种地面电波对它的干扰小。当然, Ku波段卫星广播也有不足之处, 如雨衰对它的影响较大。当电波穿过地球大气层中降雨的区域时, 雨滴对电波会产生吸收和散射造成衰减。雨滴越大, 衰减越大。当雨衰过大时, 会造成卫星传输信号的中断。值得一提的是, 接收系统的G/T值越高, 抗雨衰能力越强。

3 如何提高Ku波段信号传输的抗雨衰能力

雨衰的主要原因是由于电波穿过降雨区时, 雨滴对电波产生吸收和散射。Ku波段频率高, 波长短。实测结果表明, 雨滴的半径角为0.025~0.3CM之间, 正在Ku波段的波长范围内。因此, Ku波段的雨衰较为严重。对于地球站来说, 其上行信号主要靠提高上行EIRP值来补偿雨衰造成的衰耗。为此, Ku波段的上行站都配有上行功率控制器, 对雨衰进行自动补偿, 使卫星转发器在降雨情况下接收到的上行信号尽量保持稳定。对于接收站来说, 在天线口径及LNB增益一定的条件下, 要尽量去克服雨衰的影响。可采用如下办法:

1) 精确调整天线的仰角, 方位角及极化角, 使接收系统的G/T值最大。值得注意的是, 在相同天气状况下, 卫星的仰角越大信号的雨衰情况越严重。2) 采用高增益低噪声的LNB。3) 选用低门限的接收机, 这样会大大扩展接收系统的余量。4) 天线口径越大增益越高, 系统抗衰耗的余量越大。另外, 北方降雪季节还要及时清楚天线上的积雪, 将天线尽量装在防雨雪处。或者在天线上做雨蓬, 这一措施对防止雨衰非常重要。在实际维护中我们发现天线面上的积水接收的图像会出现马赛克, 在天线面上的水珠越多, 雨衰就越严重, 将天线面上的水擦干接收信号就立即恢复。其原因是, 信号碰到雨水后不能全部反射到馈源上造成信号大量丢失。给天线做个雨篷, 虽然下雨本身对信号的穿透会造成损耗, 但天线面上没有水就能使接收到的信号全部折射到LNB上。加上优质的器材, 抗雨衰能力也就相对提高了。

4 Ku波段数字卫星接收机需要稳定的电源电压供电, 使用UPS不间断电源供电是最好的选择

电厂送来的电压因随沿线用户的增减即负载的变动等原因会使电压既不稳定, 经UPS内部电池充电——逆变——稳压后电压趋于稳定。而UPS不间断电源又可分为:后备式、在线式两种。在线式UPS对卫星接收机而言比较实用, 因它对负载的供电均是由UPS电源的逆变器提供的, 转换时间为零。且对负载实现, 无干扰、稳压、稳频供电。这样才能保证Ku波段数字声卫星接收机, 在电源不稳及断电几个小时情况下正常传输给发射台广播或电视节目信号。

5 结语

中国地域辽阔, 海岛、山区和少数民族地区占国土面积的70%。有线电视网的发展不平衡, 许多边远山区还存在着看不到电视的难题。如今, 国家广电总局实施的“村村通”工程利用Ku波段卫星转发器向全国传送丰富多彩的电视节目, 只需使用小型天线就能收听收看到中央及地方的多套广播电视节目, 极大丰富了边远地区人民的生活。

KU卫星系统 篇2

关键词：KU,卫星,信号,质量

卫星通信在当前社会中有着广泛的应用, 并且在民航体系中的地位更是牢不可摧。这种以人造通信卫星作为信息中继站, 为地球上的无线电通信站之间实现微波通信的工作方式, 具有频率高、电平大, 并且对于远距离通信有着良好的支持表现。对于民航工作环境而言, KU卫星环境本身保持全网同步状态, 各个地面站通过加入该网络体系来实现通信传输任务。就目前的状况看, 该系统使用亚洲四号地球同步轨道通信卫星, 采用先频分再时分 (MF-TDMA) 的复用方式展开工作, 并且一直表现良好。

1 KU卫星系统中的工作现状分析

我国的民航KU波段微信通信网络始建于2005年, 并且于2007年7月正式投入运行使用, 其能够在整个通信网络中实现任意两个地球站之间的单跳通信支持服务, 并且能够有效支持话音、数据广播、基高频以及雷达等多种业务形式。从总体上看, KU波段卫星系统的工作质量以及可靠度相对较低, 但是考虑到其对于民航系统的重要价值, 多年来一直在不断地完善过程中。

就目前的状况看, 为了能够有效实现KU卫星通信网络载波优化的任务, 当前相关部门和技术人员一直都在针对KU卫星通信系统进行着不断的调整。通常的优化网络的方法包括多个方面:首先, 如果总体带宽保持一定, 则会降低载波的突发速率来实现载波之间保护间隔的增加。这种方法本质上是减少了载波时间占用的带宽范围, 其能够在对既有的网内载波频率实现有效保持和维持的基础上, 实现网络载波的优化, 对于降低干扰有着很强的价值, 并且对应的相关设备中心频率都不需要作出修正。还可以考虑将贷款系统从当前的1.2调整到1.39, 这样如果突发速率保持不变, 则当前的54MHz转发器能够最多容纳21个等带宽载波。这种方式对于当前我国民航KU波段微信系统中, 全网用户三个分组覆盖不同转发器频段的实际工作状况保持一致, 因此其可行性较高。

2 KU卫星信号质量影响因素分析

卫星通信系统, 相对而言是一个庞大的体系, 每一个环节在工作的过程中都有可能会受到某些外界因素的影响, 而来源于不同方面的影响, 必然会对整个卫星通信体系的工作状态以及其输送信号的质量产生影响。想要切实提升整体KU波段卫星体系的工作质量, 使其更好地服务于我国民航工作系统, 就必须进一步切实和深入地了解每一个工作环节中可能存在的影响因素。

从总体上看, 能够对KU卫星通信系统形成影响的因素, 大体可以分为两个主要方面。

2.1 自然因素

由于在卫星通信系统中, 卫星是重要的信号中继设备, 因此卫星的工作状态应当首先考虑在内。由于卫星工作在太空中, 因此能够对其工作状态以及信号质量施加影响的因素也主要来源于太空, 重点有星蚀和日凌两个方面。由于卫星在太空中主要依赖太阳能进行工作, 因此如果卫星和太阳中间存在阻隔, 就会造成卫星因为电能不足而导致工作状态不佳, 信号质量下降。通常月球的运行对于卫星的影响相对较小, 通常可以不予考虑而由卫星自有蓄电池予以支持, 但是地球所带来的影响, 出现在每年的春分和秋分前后, 此时的星蚀最长可以达到72分钟, 这个时间段超过了卫星自由储能设备能够支持的电量供给, 因此会给卫星的工作带来一定挑战。通常的做法是在这个时间段内关闭卫星上的部分设备, 仅保留必须的工作活动开启, 尽最大可能保留电能, 维持卫星的工作。因此这期间的信号状态是必须得到充分关注并且考虑进通信体系中来。而对于日凌, 同样也发生在春分和秋分季节中, 这是指这个季节中会有一个角度, 卫星刚好位于太阳和地球之间的连线上, 此时卫星地面站天线在对准卫星的同时也对准太阳, 使太阳产生的强大的电磁波直接投射在地面站天线上, 从而对地面站形成一个巨大的噪声源, 进一步导致无法有效接收相应的卫星信号。通常而言, 接收频率越高, 天线口径越大, 则日凌持续时间越短。因此在发生日凌的时间段内, 应当注意对相应的信号频率进行调整, 合理选择和使用, 将日凌的危害降低到最小。

对于卫星通信系统而言, 除了卫星本身会面临的影响因素以外, 地面站同样会因为暴雨、暴雪、浓雾等恶劣天气, 影响到通信信号的质量。常见的影响包括雨衰和雪衰。这种自然环境的影响, 本质上是因为空气中本身的复杂成分, 造成信号的传输过程中损耗以及噪声两个方面的急剧增加, 尤其是当天线仰角较小时, 此种影响更加显著。在民航的KU波段卫星通信系统中, 这种因为恶劣天气而造成的信号损耗问题时有发生, 相对常规的做法是需要在针对KU波段的相应参数留有较大余量, 并且对卫星KU波段转发器天线的波束图进行优化设计, 也可以对卫星接收系统进行合理的设计以减少降雨降雪等天气因素所产生的影响。

2.2 系统内部因素

对于KU卫星系统而言, 其内部所给信号质量带来影响的, 主要为地面站相关设备。包括Modem板、ODU、中频电缆等因素在内的诸多地面设备, 都需要在日常的工作中展开深入的分析和维护, 确保能够切实有效地发现隐藏于整个系统中的潜伏故障并且加以排除。对于Modem板的监控, 能够有效发现其上线状态是否正常, 常规则通过中频自环判断Modem板的故障与否;对于ODU而言, 常见的故障则是因为其电源部分故障而导致ODU系统无法正常展开工作, 并且也存在因为其自带风扇故障而导致其温度过高而自行保护性关闭。在实际工作中依据ODU的告警状态即可展开有效判断。

3结论

对于KU卫星系统而言, 在实际工作中除了对上述两个主要的方面展开分析, 还应当加强对于实际人员工作过程、系统设备调试状态以及通信网络细节等方面的考证, 切实发现不足之处并且展开改进, 唯有如此才能切实推动KU系统的自身成长, 成为民航工作环境中的有力支持。

参考文献

[1]奚向涛, 范建明.卫星接收信号的干扰和抗干扰[J].有线电视技术, 2007 (2) .

[2]张红旗.基于贪婪算法的卫星地面站资源调度方法[J].无线电工程, 2010 (12) .

民航Ku波段卫星地面站的检测 篇3

关键词：Ku波段卫星地面站,中频自环,单载波发射

(一) 引言

随着空管一体化改革的进行以及三大管制中心的建成投产, 空管系统对雷达、VHF等各种数据传输的安全性及可靠性有了更高的要求。而民航C、Ku波段卫星网是空管系统数据传输网络两地一空传输环节中必不可缺的重要设备。

民航C波段卫星网自1995年投入使用至今已15个年头, 设备已到老化期, 因此Ku波段卫星网的使用已到了迫在眉睫的关头。而民航C波段卫星网的使用也为民航培养了一大批维护人员。

(二) Ku卫星地面站系统框图

根据图1民航Ku波段卫星网地面站的对星工作与民航C波段卫星网地面站相同, 只是将卫星信标改为12253MHz (垂直极化) , 如将KST-2000A的中心接收频率设为12253 MHz, 则70 MHz IF即为信标中频, 据此即可检测接收支路天线至中频设备的正常与否。

(三) 中频自环

根据C波段卫星调试方法对天线测试完成后可以利用中频自环的方法检测Ku波段卫星网地面站MODEM板的工作状态。首先使用一根短的BNC IF电缆将衰减器 (约19dB, 使得接收端收到的电平为-40dBm+/-3dB) 串联后将VSAT+2机箱后面的TXIF端与RXIF端连接起来, 形成中频自环。然后在NV上, 进入“安装参数”菜单, 将站号改为1号站, 并确认“修改频率”菜单中的载波0频率不为0, “存储参数”, 之后对站点进行复位, 重启后, 在NV菜单的下部会看到“是否变为主参考站”, 按“Y”后, MODEM板会自动进入主参考站捕获程序, 如果硬件及参数设置正确, 大约一分钟后, 确认VSAT+2自检正常 (从MODEM的前面板及NV的“终端状态”菜单中) , VSAT+2将显示已上网。则可验证MODEM板正常, 反之则MODEM板故障。拆除中频自环, 恢复中频电缆的连接, 对站点进行复位, 重启, 使Ku波段卫星网地面站恢复正常状态。

(四) 发射单载波

同时利用VSAT Plus II发射单载波的方法检测发射支路的设备状态。

首先将VSAT Plus II终端后端的TX、RX电缆连接好。然后设备加电, 通过测试口连线一端连接在MODEM板上, 另一端连在电脑上。运行超级终端程序, 选择串口, 并设置连接速率为还原默认值 (即9600, n, 8, 1, 无流控) 。进入操作程序, 将看到“**”的提示符。

1. MENU进入登陆菜单。选择第3项LOGIN FOR INSTALLATION。

2. 选择主菜单中的第3项ENABLE/DISABLE SELF RESET, 关闭自动复位。

3. 安装参数中的第3小项EDIT CARRIER FREQUENCIES是载波频率。

4. 修改参数后, 一定要选择安装参数中的第4小项SAVE PAREMETERS保存参数。

5. 在安装参数下的TEST小项下选择2 Enable CW是单载波。

回车后会提示在第几号载波上发, 选择选好的载波后回车, 这是会显示出该载波的频率, 如果确定在该频率上发CW, 回车确认, 这样就可发单载波。

6. 复位MODEM, 如果卫星公司要求把载波关掉, 请不要将Modem复位, 而是从后方把中频发射电缆摘掉。

在主菜单下的第5选项SATELLITE LINK PARAMETERS中的Edit Nominal Tx Level可以修改载波功率, 修改完后要选择Save Parameters保存参数。修改功率也可通过增减衰减器来调节发射功率。

(五) 结语

通过对70M中频, 中频自环, 发射通路的测试即可对民航Ku波段卫星网地面站设备进行初步的快速检测, 对设备的故障点进行定位。

参考文献

雨衰对Ku波段卫星的影响及消除 篇4

关键词：Ku波段卫星地面站,雨衰,功率控制,载波功率,等效噪声温度

随着Ku波段卫星的使用，雨衰对卫星传输的影响已成为卫星系统设计与使用过程中的重要影响因素。这种衰减呈现非选择性和缓慢的时变特性，是导致信号恶劣，影响系统可用性的主要因素。因此，雨衰问题也就成为系统设计过程中必须考虑的重要问题。

（一）雨衰的产生

当电波穿过降雨的区域时，降雨层不仅能吸收电波能量，而且对电波产生散射，并对电波存在去极化效应。这种吸收和散射共同形成降雨层对电磁波的衰减和干扰可以统称为雨衰。

（二）雨衰的影响

雨衰的大小与雨滴直径和波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用。

λ为电波波长，v为光速3*108M/S, f为电波频率。

当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用。无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减;当电磁波的波长远大于雨滴直径时，衰减很小，因此C波段[(4～6) GHZ]信号受雨衰的影响也可以忽略。

对于10GHZ以上的电磁波，随着电波波长的减小，雨衰的影响越大，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多。Ku波段频率较高[(12～18) GHZ]，波长与雨滴的大小可比拟，受雨衰的影响比较严重。在Ku波段中，中雨(雨量为4㎜/h)以上的降雨引起的衰耗相当严重。若电波穿过雨区路径长度为10km时，对于KU波段上行线路，衰耗为2的左右，下行线路的衰耗为1dB左右;在暴雨(雨量为100mm/h)情况下，每公里的损耗强度较大，但雨区高度一般小于2km，暴雨引起的衰耗将超过1dB以上。随着降雨强度的加大，在KU波段降雨衰减系数也急剧增加，其降雨衰减量与降雨强度几乎成正比。图一为晴天时接收亚卫四的Ku频段卫星信标中频频谱图。

图二为中雨时接收亚卫四的Ku频段卫星信标中频频谱图。通过比较可知，中雨对卫星信号造成的衰减为1dB。

而对于C波段来说，因电波波长与雨滴大小差异较大，雨衰的影响就不是很明显，中雨区上行线路的衰耗为1dB左右，下行衰耗仅为0.4dB左右，即使是暴雨上行线路总衰耗值也仅为1dB左右。

（三）卫星通信载波的链路计算

卫星通信载波的链路计算方法为，先分别计算上行和下行链路的载波功率与等效噪声温度比C/T或者载波与噪声功率比C/N、以及载波与干扰功率比C/I，再求出考虑干扰因素的系统载噪比C/ (N+I) 和载波的系统余量。

上下行C/T

上行和下行C/T的计算公式分别为

式中的EIRPE和EIRPS分别为载波的上行和下行EIRP, LossU和LossD分别为总的上行和下行传输衰耗，G/TSat和G/TE/S分别为卫星转发器和地球站的接收系统品质因数。上式中的数据均为对数形式。

C/N与C/T的关系

C/N与C/T的关系式为

式中的k为波兹曼常数，BWN为载波噪声带宽。式中的数据均为对数形式。

C/I与C/IM

卫星通信载波需要考虑的干扰因素主要有，上行和下行反极化干扰C/IXP_U和C/IXP_D、以及上行和下行邻星干扰C/IAS_U和C/IAS_D。此外，还需考虑转发器在多载波工作条件下的交调干扰C/IM。

（四）雨衰的消除方法

1. 链路的备余量，C频段卫星通信链路通常留3dB余量，KU频段卫星通信链路通常留6dB余量。

在降雨较少的地区，完全可通过链路余量来满足系统可用度要求;在高降雨地区，完全靠这种方法不现实，因链路余量较大，将会占用过多的卫星资源，在晴空时造成资源浪费，下大雨时，可能又不够用。

2. 功率控制。

对于KU波段的卫星通信系统，建议在地球站设置上行链路自适应功率控制(AUPC)，或者进一步采用以网络管理为基础的全自动功率控制(APC)或动态功率控制(DPC)系统，自动平衡信号链路的增益，有效地对抗降雨衰耗的影响。

3. 采用编码及降速技术。

在雨衰较大时，可以采用前向纠错编码技术(FEC)来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高，如编码率为1/2的卷积码，当采用维特比译码时，其编码增益可达5DB。当然减小编码率也必须有个限度，一方面当编码率减小到一定程度时，若再进一步减小编码率，多获得的编码增益将改善很小;另一方面减小编码率会导致系统容量的减小。此外，还可以通过自适应速率降低技术(ARP)来克服雨衰的影响，通过减小衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与速率减少成正比，例如速率减小至1/4时，增益为5DB。使用纠错编码和降速率技术，可以补偿不同程度的雨衰;但随着深度的增加，有效可用容量减小。

4. 空间分集技术。

在多雨或卫星仰角很低的地区，由于KU波段的特点，降雨衰减非常大，采用空间分集技术(也称站分集技术)是一种很有效的办法。其原理是基于降雨的空间分布不均匀性，在相隔一定距离的两个地点设置地球站，通过两个地球站进行信号的分集接收，类似于地面蜂窝移动通信的空间分集技术，也可以单独切换到雨衰较小的地球站进行单链路通信。主要从分集改善因子和分集增益两个指标来衡量分集改善的质量，其分集改善的效果随两站间距离的增大而增大。但超过一定距离后，其改善程度就非常小。在空间分集带来增益好处的同时，也是需要付出代价的。网络投资成本大幅上涨，而且需要非常复杂的网络控制技术。需要指出的是空间分集技术不仅仅局限于两个站址，可以采用多个站址同时分集接收，当然其代价就更高了。

5. 极化方式的选择和天线的选择。

不同雨滴形状对信号的衰减也不大相同。随着雨滴的体积的增大，雨滴在水平方向的直径也逐渐增大。此时，雨滴对水平极化波的衰减比对垂直极化波的衰减大，这也意味着在10GHZ以上频率，垂直极化波比水平极化波的抗雨衰性能要好。接收天线的增益与接收天线的口径有着直接的关系，因此适当加大接收天线的口径，可以较明显地提高天线增益。口径越大，其增益越高。当然，其成本也会明显增加。

6. 采用低噪声高增益的优质高频头（LNA）。

现用于接收KU频段卫星信号的LNA，一般噪声系数为0.8DB，噪声系数在0.6DB便是十分低的噪声，如使用噪声系数为0.7DB的，其增益可达到60DB。如果受某些因素的制约，而不想或无法去增大接收天线的口径，可首先考虑使用低噪声高增益的优质LNB，而且这要比增大天线口径的成本低。

7. 采用双频组合通信。

由于低频波段雨衰影响较小，当系统检测到雨衰超过一定门限时。自动切换卫星通信电波至低频段确保通信信号的稳定。

（五）结论

总上所述，采用编码及降速技术、空间分集技术使用成本较高，从使用效果与成本上，为了降低雨衰对信号传输的影响，我们经常使用增大天线口径，提高天线收发增益，同时使用功率控制即AUPC、APC、DPC的方法降低雨衰对我们工作的影响。获得稳定、可靠的传输链路。

参考文献

KU卫星系统 篇5

1 Ku波段卫星广播特征

首先, Ku波段的卫星单转发器功率相对较大, 一般情况下应用赋形波束进行覆盖, 且卫星EIRP比较大, 同时Ku波段的接收天线工作效率要比C波段的接收天线高, 对此接收Ku波段的卫星节目相关天线口径要比C波段的小, 进而在一定程度上有效减小接收成本, 便于实现个体接收。其次, C波段的卫星广播遭受地面微波等许多干扰源的同频的干扰十分严重, 但是Ku波段受到地面许多要素造成的干扰相对较小, 在很大程度上减小了接收环境有关需求。最后, Ku波段的卫星广播受到降雨的影响比较大, 且上下行信号的降雨衰耗要以C波段大许多, 同时暴雨状况下的Ku波段上行或是下行链路之间的雨衰量已经超出了20d B, 但是C波段的最大雨衰量通常不会超出1d B。

2 雨衰机理和影响

若是电波穿过降雨区, 这时雨滴就会对电波形成吸收与散射, 从而导致衰减。而雨衰的大小和雨滴半径以及波长的比值存在着密切联系, 同时雨滴的半径和降雨率存在一定关系。大量实测结果证明雨滴半径在0.025cm至0.3cm间, 处于Ku波段中的内波波长通常为2.5cm上下, 因此雨衰产生的电波影响就是吸收衰减, 一般表现为热损耗。而雨衰的大小和雨滴物理模型以及工作波长等相关要素有着明显关系。同时雨滴模型在各个区域是通的, 因此雨衰的数值估算是一项非常复杂的工作。和C波段进行比较而言, Ku波段中的雨衰问题对卫星电视广播造成的影响十分严重。降雨形成的雨衰会在降雨率不断增大下而变大, 依据实测与估算, 处在Ku波段中的短时间之内的降雨衰减可以达到20d B, 较大的衰减量会造成广播线路发生暂时中断。对此, 在Ku波段的广播卫星设计过程中, 一定要深入考虑雨衰造成的影响, 针对转发器中的天线波束图完成优化设计, 并且应用相对比较大的孔径接收条线, 能够有效处理雨衰现象。除此之外, 一定要认真处理雨衰对数字形式的卫星广播造成的线路影响。在模拟方式的卫星线路方面而言, 在雨衰相对比较小的状况下, 广播线路并不容易出现中断, 但是对于数字形式的卫星线路而言, 若是增加几个d B衰减就可能出现比较大的误码率, 进而造成卫星线路出现中断, 此种问题别称之为“峭壁效应”, 主要发生在数字信号的传输过程。为了能够确保应用率, 一定要综合分析雨衰问题。

3 雨衰的预测手段

CCIR在卫星广播和通信工程项目计算问题中制定了相应建议书, 其中CCIR中半经验公式对于雨衰问题的处理是一项可行的方法。许多雨衰的计算方式都试图创建一种地面的降雨率Rp和衰减率γ相应关系, 应用有关散射模型之后, 衰减率主要表示为:

公式中的ɑ与b表示为待定系数, 其中一般是由雨滴模型和电波极化方式以及接收区域位置等相关要素决定, 许多学者研究出系数ɑ与b的多种计算方式。如:

公式中的ɑнbн和ɑvbv分别表示水平极化与垂直极化相应系数, 其和频率有着密切关系, 而θ是接收天线的仰角, τ表示接收点相应电波的极化角。

对于Ku波段而言, 广播卫星相应工作频率的范围在11.7至12.8GHz, 依据上述公式有效计算出相关系数。同时其和天线仰角与电波的极化模式有着密切关系。对此, 在全国的范围之内各个接收地点和系数ɑ与b存在比较明显的差异, 在进行雨衰计算时一定要综合考虑。并且从图1中能够看出水平极化波的出现的衰减量比较大, 而圆极化波的衰减处在两种线的极化波间。

4 Ku波段广播卫星的数字广播发展趋势

现阶段, Ku波段广播卫星的数字广播卫星发展十分迅速, 其具备的发展那潜力比较大, 而且运用的领域也在不断扩大, 未来的Ku波段卫星广播的数字广播发展方向一定要更为全方面。首先, 应用功率和容量相对比较大的Ku波段卫星资源和地面有线网有效融合开拓多媒体市场, 创建综合信息服务的平台, 实施新闻采集和数据广播等多项业务。其次, 逐渐向用户提供相关视频点播和互联网接入以及远距离教学等许多种服务。

5 结束语

依据CCIR的建议方式与接收天线仰角以及电波相应极化角数值, 能够获取Ku波段相应雨衰曲线。目前, 国内影响相对较为严重的区域是浙江的舟山群岛。依据雨衰曲线能够实现卫星天线波束图的优化设计, 同时对卫星的接收系统完成科学、合理的设计, 从而在一定程度上有效减小降雨造成的影响。

参考文献

[1]G.Brussaard etc.Atmospheric Modelling&Millimetre Wave Propatation (Final Report) Eindhoven Uni-versity of Technology, Netherlands, 2010.

[2]李黄.利用Ku波段卫星通信雨衰探测大气降水的初步研究[J].遥感学报, 2013.

[3]车晴.Ku波段卫星广播中雨衰现象的研究[J].电波科学学报, 2012.

KU卫星系统 篇6

1 天线单元的设计

设计的天线单元结构如图1所示,图1(a)为天线单元的侧视图,图1(b)为天线单元的俯视图。天线的主体由三层介质板组成。方形辐射贴片倒置于第一层介质板的下面,这样布置可使介质板起到天线罩的作用。第二层介质板上面是开缝接地板,刻有一对H型缝隙成轴对称结构。为了实现良好的交叉极化和隔离度特性,2个H型缝隙呈T字型放置。两层介质板之间由空气层隔开,引入空气层以降低微带天线Q值,从而达到增加带宽的目的。第三层介质板把实现双极化的两套馈电网络隔开,有利于网络布线和提高隔离度。馈线由两个相互正交的50Ω微带线组成,微带馈线均采用中心正馈的方式,以增强辐射贴片与馈线之间的耦合。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射,在离接地板四分之一波长处加了一块金属反射板,这也有利于提高天线的增益。辐射单元采用εr1=2.2,h1=1 mm的聚四氟乙烯板,馈电介质板采用εr2=εr3=3.38,h2=h3=0.305 mm的陶瓷碳氢混合物板。

根据口径耦合微带天线的传输线模型理论[5],初步确定天线的几何尺寸(包括贴片尺寸、缝隙尺寸、馈线开路枝节的长度)。天线单元的等效电路如图2所示。

式中n1为口径和贴片的耦合系数,n2为馈线和口径的耦合系数;Ypatch和Yap分别为贴片和口径的导纳。

a为天线单元长度,x0为缝隙的位置。

谐振频率主要由n12Ypatch+Ya p决定。通过调节开路终端微带馈线的长度和H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性,以形成双频谐振点和提高端口的频带宽度。完成初步设计后,得到满足电性能指标的结构参数,最后用电磁仿真软件对天线的结构参数进行优化,优化后天线单元各参数如表1所示。

2 天线阵列的设计

2×2元微带天线阵的馈电网络分布如图3所示。馈电网络采用并馈形式,由多个T形功分器连接,其中采用多节阻抗变换器进行阻抗匹配以便展宽频带。设计中充分考虑了馈电网络中不必要的辐射和损耗对天线增益带来的影响[6,7]。为了抑制交叉极化[8],馈电网络设计中应用了错位倒相技术。对于水平方向的相邻贴片,水平极化端口间采用等幅反相馈电,垂直极化端口间则采用等幅同相馈电;对于垂直方向的相邻贴片,水平极化端口间采用等幅同相馈电,而垂直极化端口间采用等幅反相馈电。这种馈电方式使得激励的主极化辐射同向叠加,交叉极化辐射反向抵消,同时也改善了2个极化端口的隔离度[9]。天线阵阵元间距为17 mm(约0.7λ1,中心频率为12.3 GHz;约0.8λ2,中心频率为14.2 GHz)。

3 天线阵仿真与实测结果

基于以上设计,用电磁仿真软件CST2008对该天线阵进行了电磁仿真和优化,仿真得到天线阵两端口的驻波比如图4所示,两端口的隔离度如图5所示。根据优化结果制作了四元天线阵实物模型如图6所示。

使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线阵两端口驻波比和隔离度进行了测试,测试结果分别如图4、图5所示。水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为18.3%;垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB。测试结果和仿真结果吻合较好,可见该天线阵具备良好的带宽和双频特性。

最后,对天线阵的方向图进行了测量。图7给出了天线阵在水平极化端口12.3 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。图8给出了天线阵在垂直极化端口14.2 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。在12.3 GHz频率处,实测天线阵最大增益为13.3 dB,主瓣方向为天线法线方向。主瓣宽度E面约为33.8°,H面约为35.4°,第一旁瓣电平为-13.6 dB。在14.2 GHz频率处,天线阵最大增益为11.9 dB,主瓣宽度E面约为31.2°,H面约为29.5°,第一旁瓣电平为-10.9 dB。实测天线方向图和仿真结果略有偏差,可能是因测试环境影响所致。实测结果表明:该天线阵电性能和辐射特性良好,并能满足工程应用要求。

综合运用口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构设计了一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化四元微带天线阵。设计的双频双极化天线阵水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为18.3%;垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR燮1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB,实测天线阵最大增益为13.3 dB,测试结果与仿真结果吻合较好。该天线阵电性能和辐射特性良好,可作为高增益宽带双频双极化微带天线阵组阵的子阵,满足其在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域的工程应用。

参考文献

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