• 要使整个系统的价格最低，还需要考虑包括空间段和地面段设备 开发和批量制造的价格。设计最佳化过程中会进行某些折衷。 • 卫星通信发展早期，来自卫星的可用等效全向辐射功率较小，因 而地球站设备很复杂，而且昂贵。地球站采用30m直径的大天线， 价格自然会很昂贵 (约上百万美元)。 • 目前的趋向是以复杂的空间段为代价，以使地球站设备尽可能简 单，特别是在面向广大用户群的应用中(如卫星直接广播、卫星 移动和商业应用等)。在这些应用中，小地球站的价格和可用度 对整个系统的经济生命会起关的设计与很多因素有关，主要有：
• 服务类型：固定卫星业务、广播卫星业务或移动卫星 业务； • 通信业务类型：电话、数据和电视等； • 终端站对基带信号质量的要求； • 业务要求：信道数，业务类型(连续的或突发的)； • 价格和可靠性。
• 设计过程可以用两个主要步骤来区分。
• 第一步是基于整个系统的要求，由此形成地球站的基 本参量，如地球站的品质因数（G/T）值、发射功率、 多址联接方案等； • 第二步是地球站设计师和工程师以最佳的性能价格比， 使设备配置设法达到上述性能指标。
G / T C / N 0 EIRPS ( L p Lm ) k
6.2地球站设备的组成原理
• 一般的通信地球站都是由天线、发射设备、 接收设备、信道终端设备、通信控制器和 电源六大部分组成。
图6-1 通信地球站组成示意图
基带信号 基带处理 及调制器 馈线 双工器 天线
上变频器
• 下面是一个卫星链路方程，我们从中可以理解设计应用 中的某些折衷： • 式中，C/N0为载波功率对噪声功率谱密度，EIRPs为卫 星的有效全向辐射功率，Lp为传播损耗，Lm为链路余 量，k为玻尔兹曼常数。一个有用的最佳化准则是使地 球站灵敏度(量化为 G/T值)最小，即地球站价格最低。 因而，为获得要求的基带信号质量，需要使等式右边的 参量之和最小。
天线安装
通常使用的天线安装装置有多种类型，在中型和大型地球站最 常使用的两种装置是： • (1)方位角--仰角装置； • (2)x-y轴装置。
• 方位角--仰角装置如图6-8 (a)所示，由一根主垂直轴 和一根水平轴组成。围绕这根主垂直轴旋转控制方位 角；水平轴装在这根主垂直轴上，提供仰角控制。
• 方位角--仰角装置如图6-8 (a)所示，由一根主垂直轴和一根水 平轴组成。围绕这根主垂直轴旋转控制方位角；水平轴装在这 根主垂直轴上，提供仰角控制。 • x-y轴装置如图6-8 (b)所示，由一根水平方向的主轴(x轴)和垂 直装在x轴上面的另一根轴(y轴)所组成。围绕这两根轴运动， 就可提供需要的方位控制。
• • • • (1)卫星搜索 (2)自动跟踪 (3)手工跟踪 (4)程序跟踪
• 通常用于卫星跟踪的，主要有三种自动跟踪系统，即 步进跟踪系统、单脉冲跟踪技术和智能跟踪
射频(RF)分系统
• 发送设备 • 接收设备
固定和广播卫星业务地球站 • 1．大型地球站原理框图
广播卫星业务(BSS)地球站和卫星电视接收
• 影响G/T值大小的因素：天线口径大小、天 线的增益、天线的仰角、天线、馈线和低 噪声放大变频器的噪声温度以及气候条件 等
描述地球站性通能的基本参数
• EIRP---有效全向辐射功率是指高功放的输出功率与 天线增益的乘积 。 • 如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天 线增益，则地球站的有效全向辐射功率可以用下式 表示： EIRP＝PTGT • 有效全向辐射功率表示地球站或卫星的发射能力的 强弱。
• G/T值---接收天线增益对噪声温度比值，又称地球站的品 质因数 。 • G/T值表示一个地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意 味着这个地球站的接收能力越强。 • G是天线的增益 2 D GA 2
D G A 10 log (dB)
(1) 喇叭抛物面天线
• 喇叭抛物面天线又称主焦点馈源天线。它由一个抛物面 反射器和馈源组成，信号是由位于抛物面焦点的主馈源 馈送的。
(2)卡塞格伦天线系统
• 由一个喇叭主反射器和一个双曲面副反射器共享同一焦 F1所组成，主馈源位于副反射器的第二个焦点F2上。
主馈源发 出的电磁 波被副反 射器反射 后到达主 反射器
第6章 卫星地球站
本章要点:
• • • • • • 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 概述 地球站设备的组成原理 地球站射频基本性能 天线、馈源和跟踪系统 射频(RF)分系统 固定和广播卫星业务地球站
6.1 概述
• 地球站是指在地球表面（包括陆地、水上和大气 层中）的通信站。 • 地球站的功能是以最佳的性能价格比和可靠的方 式，从卫星网络中接收信息或发送信息到卫星网 络，同时保持要求的信号质量。 • 根据不同的业务要求，地球站既可以同时具有发 送和接收能力，也可以只有发送或只有接收能力。 • 还可以进一步根据服务类型来分类，通常对固定 卫星业务(FSS)、广播卫星业务(BSS)和移动卫星 业务(MSS)，设计准则是不同的。
表6-1
业务
地球站的分类
近似G/T值(dB/K) 40 30 25 20 12 注解 发送/接收 单收
地球站类 型 大 中 小 很小 很小
FSS:固定业务地球站
MSS：移动业务地球站
大 中 小
大 小
-4 -12 -24
15 8
要求跟踪 要求跟踪 没有跟踪
社区接收 个体接收
BSS：直播用户地球站
描述地球站性通能的基本参数
(3)极轴天线
• 极轴天线围绕一 根与地球极轴平 行的单轴旋转， 可以扫瞄整个静 止轨道弧，这种 天线特别适用于 经常要更换指向 的应用中，如指 向新的直播卫星。
2．非轴对称结构(偏馈天线)
• 轴对称结构由于馈源和副反射器的组装，部分孔径被阻塞 使性能受到影响，结果是降低了天线效率，增大了副瓣电 平。非轴对称结构可以将馈源结构偏离开轴向装配，如图 6-7所示，从而不会阻塞主波束，结果使效率和副瓣电平的 性能都获得改善。
• λ为工作波长，D为天线的直径，η为天线的效率。从上式 可以看出，天线的增益与天线口面直径 D的平方成正比、 与波长成反比，与效率成正比。
描述地球站性通能的基本参数
• T是系统的等效噪声温度
T TA Te
• 噪声温度的单位常用°K来表示 • 上式中，TA为天线的噪声温度，它反映了天线受环 境的影响和天线损耗。 • 天线的噪声温度随仰角的不同而变化，仰角越低， 噪声温度越大。例如当仰角为5°时，TA大约为 45°K，而仰角为30°时，TA为20°K左右。 • Te为高频头的噪声度，通常有25°K、30°K、 35°K到50°K、60°K等不同档次。
2．喇叭馈源
• 通常用一个小喇叭天线作为微波频率的主馈源。 • 喇叭天线由一个口子张开的波导组成，在发送端口它向外伸展， 使得波导阻抗与自由空间的阻抗匹配，以保证发射功率的有效 转移。 • 孔径的形状可以是矩形或圆形。 • 圆形孔径喇叭称为圆锥形喇叭，在地球站中被广泛用作主馈源。
跟踪系统
• 在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功 率点波束宽度很大部分时，为了避免天线指向损耗过 大，必须要采用跟踪系统. • 对地球站天线跟踪系统的要求是，能部分或全部执行 下列功能：
天线结构分类
基于它们的几何形状，地球站可以使用具有 轴对称和非轴对称的天线结构。 1．轴对称结构天线
• 在轴对称结构中，天线轴相对反射器是对称的，这导致机 械结构和天线构造相对比较简单。一直到最近，轴对称天 线一直被广泛应用。按照馈源的装置不同，可能有多种结 构，最广泛采用的三种结构是： • (1) 喇叭抛物面天线 • (2)卡塞格伦天线系统 • (3)极轴天线
射 频 合 路 器
功率放 大器
馈线 （发射设备） （天线、馈线设备） 低噪声 放大器 下变 频器
基带信号 调制器及 基带处理
下变频器
（信道终端）
射 频 合 路 器 （接收设备）
天线驱动装置
跟踪装置 跟踪伺服设备
1．天线系统
• 天线系统包括天线、馈源及伺服跟踪设备。 • 对地球站天线有三个基本要求，一是有高的定向增益， 二是天线的噪声温度一定要低，三是天线始终对准卫星。 • 地球站的天线是收、发共用的，因此必须有双工器对收 --发进行隔离。大型地球站为了使天线始终对准卫星， 调整天线的指向问题分为定向和跟踪两个方面。定向与 跟踪相结合，能够较快地实现初始捕获和保持精度的跟 踪。 • 由于卫星通信大都工作于微波频段，所以地球站天线通 常是抛物面天线，目前主要用卡塞格伦天线。
卫星数据接收设备的安装与调试
•卫星数据接收设备的安装与调试
馈源系统
1．主馈源系统功能
• 目前用于地球站的主馈源系统，要完成多项功能。这些功能与 地球站的类型有关，其功能有： • 照射整个主反射器； • 将发送和接收信号频带隔离开； • 在双极化系统中分离和组合信号极化； • 为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号。