50 - 80 km
平流层Stratosphere
16 - 50 km
对流层Troposphere
7- 16 km
25
2.3 无线传播特性 续1
卫星通信系统关心的传播特性
传播衰减
物理原因
主要影响
衰减和天空噪声的增加 大气气体，云，雨 10 GHz以上频率
信号去极化 折射、大气多径
雨，冰晶 大气气体
损耗
31
2.3 无线传播特性 续7
自由空间传输损耗
➢ 如距离d 的单位为km，频率f 的单位为GHz，则 自由空间传输损耗可表示为：
Lf (dB)= 92.44+20lgd+20lgf ➢ 自由空间传输损耗随着距离的增加，频率的增高
而增大
32
2.3 无线传播特性 续8
自由空间传输损耗
FSTL (dB)
➢ 例如，对于直径为3米，工作于6GHz的抛物面反 射天线(λ=5米)，其远场区域大致在距离天线360 米左右
17
2.2 极化 续1
横电磁波的矢量图描述
➢ 磁场 H ➢ 电场 E ➢ 传播矢量 k ➢ E-H-k 构成一个
右手坐标系
18
2.2 极化 续2
横电磁波的特性
➢ 电场和磁场随时间改变 ➢ 磁场与电场是同相变化的，磁场的幅度与电场的
天线方向图
(a)极坐标表示；(b)笛卡尔坐标表示
14
2.1 天线 续12
半功率波束宽度（半功率角）
➢ 通常采用半功率波束宽度来表征天线方向图的宽度
➢ 半功率波束宽度定义为天线增益下降到最大值的一半时所 对应的角度大小，通常也称为半功率角
➢ 半功率角θ3dB 的经验计算公式为
3dB
70
D
70
上行自由空间传输损 耗 下行频率
下行自由空间传输损 耗
LEO卫星 2763 km 1.6 GHz 165.3 dB
1.5 GHz 164.8 dB
GEO卫星 40000 km
6 GHz 200.05 dB
4 GHz 196.53 dB
34
2.3 无线传播特性 续10
例3.1 某反射面天线的直径为3米，天线效率为 0.55，工作频率为6GHz。计算其天线增益。
2
10 lg a
Df
/ c
2 12
2.1 天线 续10
天线方向图
➢ 天线方向图描述了天线在不同方向上的增益变化 ➢ 对圆孔径天线和反射面天线，方向图具有对轴线
的旋转对称性(rotational symmetry)，因此可以 用任何包含轴线的切面内的辐射变化来表征
13
2.1 天线 续11
C和Ku波段的双极化系统（依赖于 系统设计）
低仰角的通信和跟踪
信号闪烁 反射多径，阻塞 传播延时，延时抖动
对流层和电离层的 折射率波动
地区表面以及地面 物体
对流层和电离层
对流层影响10 GHz以上频段和低仰 角；电离层影响10 GHz以下频段 移动卫星通信服务
精确定时和定位系统，TDMA系统
系统间干扰
36
2.3 无线传播特性 续12
传输衰减
➢ 卫星和地球站之间的传送信号穿越地球的 大气层，包括电离层，因而导致了某些衰 减，包括 ✓ 大气损耗 ✓ 电离层效应 ✓ 雨衰 ✓ 其它传输衰减
37
2.3 无线传播特性 续13
大气损耗
➢ 大气吸收
大气层气体对信号的能量吸收
➢ 大气闪烁
无线电波在大气中的聚焦和散焦导致的衰减
220
210
200
190
180
170
160
150
L band(1.5GHz)
C band(4GHz)
140
Ku band(12GHz)
Ka band(20GHz)
130
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Link Length (km)
4
x 10
33
2.3 无线传播特性 续9自Leabharlann 空间传输损耗链路长度 上行频率
椭圆极化
21
2.2 极化 续5
椭圆极化
22
2.2 极化 续6
圆极化
➢ (a) 圆极化 ➢ (b) 右旋圆极化 (RHCP)： 按顺时针方向旋转 ➢ (c) 左旋圆极化 (LHCP)： 按逆时针方向旋转 ➢ 右旋和左旋圆极化是正交的圆极化 ➢ IEEE沿传播方向观察，即“后方”， 与光学视角恰好相反
闪烁带来的衰减
41
2.3 无线传播特性 续17
电离层效应
➢ 电离层位于地球大气的较高区域，是被太阳辐射 电离化了的区域
➢ 电离层中的自由电子是非均匀分布的，不过却形 成层状
➢ 电子云(也称为移动电离层扰动)可能在电离层中 游动并对传输信号产生不规则波动
42
2.3 无线传播特性 续18
雨衰
➢ 雨衰是降雨量的函数 ➢ 降雨使得传输无线电信号发生散射并吸收其能量，
10º的波束宽度
6
2.1 天线 续4
抛物面反射天线
7
2.1 天线 续5
双发射面天线
8
2.1 天线 续6
阵列天线
MBSAT
9
2.1 天线 续7
天线增益
➢ 所有的天线都具有一定的方向性，在某些方向上 辐射的能量会较强一些
➢ 天线增益定义为：在馈源功率相同的情况下，天 线在指定方向上单位立体角发射/接收的功率与全 向(isotropic)天线在单位立体角发射/接收的功率 之比
线形天线
➢ 线形天线主要工作在VHF和UHF频段，完 成与TT&C系统的通信
➢ 线形天线提供全向辐射
4
2.1 天线 续2
喇叭天线
➢ 光滑内壁圆锥形天线 ➢ 波纹内壁圆锥形天线 ➢ 角锥形天线
5
2.1 天线 续3
喇叭天线
➢ 圆锥形喇叭天线支持线性极化和圆极化 ➢ 角锥形喇叭天线主要用于线性极化 ➢ 喇叭天线难以获得超过23dB的增益和窄于
幅度成正比关系，因此在讨论中通常仅考虑电场 ➢ 电场矢量末端扫出的轨迹线的方向确定了电磁波
的极化方向
19
2.2 极化 续3
横电磁波的极化方式
➢ 椭圆极化：电场合成矢量末端的轨迹线为椭圆形 ➢ 圆极化： 电场合成矢量末端的轨迹线为圆形 ➢ 线性极化：电场合成矢量末端的轨迹线为直线
20
2.2 极化 续4
c Df
(degrees)
➢ 可见，半功率角θ3dB 随着天线直径的减小而增大，这意味着 小口径天线将无法实现很窄的辐射波束
15
2.1 天线 续13
指向损失
➢ 在接近轴线方向的角度θ(θ3dB/2)内，天线增益可 以按照下式进行估算
G(
)(dBi)
Gmax
(dBi)
12
3dB
2
进行估计，不过其衰减量小很多。 ➢ 例如，频率为10GHz时，含水量为0.25 g/m3
的云带来的衰减约为0.05dB/km，而含水量为 2.5 g/m3时的衰减约为0.2。
44
2.4 移动卫星信道特性
45
2.4 移动卫星信道特性 续1
收发信机之间的空间定义为传输信道 对移动卫星链路，有效性达到80–99%为通
23
2.2 极化 续7
线性极化
➢ 水平极化 (HP) ➢ 垂直极化 (VP) ➢ 水平和垂直极化是正交 的线性极化
Ey(ωt) VP/ HP
HP/VP
Ex(ωt)
24
2.3 无线传播特性
外逸层Exosphere
500 - 64,374 km
热层Thermosphere
80 - 500 km
中间层Mesosphere
➢ 接收功率可表示为 PR = (PTGT)·GR·(λ/(4πd)) 2
29
2.3 无线传播特性 续5
等效全向辐射功率(EIRP)
➢ 将PTGT称为等效全向辐射功率，通常以W为功率单 位 EIRP = PT ·GT (W) EIRP (dBW) = PT (dBW) +GT (dBi)
➢ EIRP描述了天线在轴线方向上的最大辐射功率
大气波导，散射和 目前主要影响C频段。降雨散射2在6 更
衍射
高频段更加显著
2.3 无线传播特性 续2
发射和接收功率
全向天线
GT=1
实际天线
GT
PT
PT
单位立体角的辐射功 单位立体角的辐射功率
率为PT/(4π)
为PTGT/(4π)
d
面积 A 立体角 = A/d2
➢ 面积A内接收的信号功率 = (PT /4πd2)·GT ·A
常的设计目标 有3种类型的移动卫星链路
➢ 陆地移动链路 ➢ 航空链路 ➢ 海事链路
46
2.4 移动卫星信道特性 续2
陆地移动链路
➢ 直射视距(LOS) 波到达接收机时没有通过周围环境 的反射
➢ 散射分量包括来自于周围环境的多径反射信号 ➢ 镜面反射波是来自于接收天线附近地面的反射信号 ➢ 当障碍物(如树木或建筑物)阻碍了到卫星的视线时，
27
2.3 无线传播特性 续3
发射和接收功率
GT PT
GR
d
PR
Aeff
➢ 定义Φ = (PT GT )/(4πd2)为功率通量密度(power flux density)
➢ 接收功率 PR = PT GT Aeff /(4πd2) =ΦAeff
28
2.3 无线传播特性 续4
发射和接收功率
➢ 根据天线基础理论，天线的增益和有效面积满足 GR = 4π Aeff /λ2 Aeff =GR /(4π/λ2)