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卫星通信电波传播特点分析
作者:未知 如您是作者,请告知我们
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  【摘要】指出了卫星通信的工作频段选择,分析了卫星通信电波的传播损耗以及传输噪声。 
  【关键词】卫星 电波传播 特点 
  在卫星通信系统中,不同地球站间的信息传输是通过空间的卫星转发器实现的,所传输的射频电磁波频率较高。在电磁波传播的无线信道中,电磁波要受到自由空间损耗、大气发射折射、各种自然现象如雨、雪、雾等影响,并受到地面物体的反射、折射和阻挡,这些都会对电磁波的传播带来一定的影响,这些影响在实际中必须加以考虑。 
  一、卫星通信的工作频段 
  卫星通信中,工作频段的选择是一个十分重要的问题。它直接影响系统的通信容量、质量、可靠性、设备的复杂程度和成本的高低,并且还影响到与其它通信系统的协调。一般而言,卫星通信工作频段的选择必须根据需要与可能相结合的原则,重点考虑下列因素。 
  (1)电波能够穿过电离层,传播损耗和外部附加噪声应尽可能小。 
  (2)应具有较宽的可用频带,尽可能增大通信容量。 
  (3)合理使用无线电频谱,防止各种宇宙通信业务之间以及与其它地面通信业务之间产生相互干扰。 
  (4)考虑电子技术与器件的进展情况以及现有通信技术设备的利用与相互配合。 
  综合上述因素,卫星通信的工作频率选择微波波段是最合适的。 
  二、卫星通信电波的传播损耗 
  卫星通信链路的传输损耗包括自由空间传播损耗、对流层传播损耗、电离层传播损耗等,下面依次来分析。 
  1、自由空间的传播损耗 
  在整个电磁波传输过程中,即使不发生反射、折射、吸收和散射等现象,也会发生能量向空间扩散而损耗的现象,这被称为自由空间损耗。电波被天线辐射后,便向周围空间传播,由电磁波传播原理可知,每个辐射出去的平面上的点都可以当做新的信源,继续向四周辐射。 
  实际表明,电波在自由空间以球面形式传播,电磁场能量扩散,接收机只能接收到其中的一小部分,大部分能量在传播过程中损耗了。传播距离越远,到达接收地点的能量越小。 
  2、对流层传播损耗 
  对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层,对流层集中了整个大气质量的3/4,当地面受太阳照射时,地表温度上升,地面放出的热量使低温大气受热膨胀,进而造成了大气密度不均匀,于是产生了大气的对流运动,对电波传输产生了一定的损耗。 
  (1)大气折射 
  大气折射率n是指电磁波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度v之比。n随高度的增加而减小,v随高度的增加而增加,从而使电波传播的轨迹向下弯曲,因而,由于大气的折射作用,实际的电波传播不是按照直线进行,而是按曲线传播的。大气折射使电磁波射线路径发生弯曲,从而使收信点的接收功率发生变化。 
  (2)大气吸收损耗 
  任何物质的分子都是由带电粒子组成的,这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。当通过这些物质的微波频率接近它们的谐振频率时,这些物质对微波就产生共振吸收。大气中的氧分子具有磁偶极子,水蒸气分子具有电偶极子,它们都能从电磁波中吸收能量,从而产生吸收损耗。 
  (3)雨雾引起的损耗 
  雨雾等自然现象都是对流层中特殊的大气环境造成的,并且是随机产生的,它使发端到收端之间的电磁波被散射、折射、吸收。其中,降雨损耗尤为明显。当工作频率大于30GHz时,即使是小雨,造成的损耗也不能忽视。在10GHz以下时,必须考虑中雨以上的影响。为了保证可靠通信,在进行链路设计时,通常先以晴天为基础进行计算,然后留有一定的余量,以保证降雨、下雪等的情况仍然满足通信质量要求。 
  3、电离层传播损耗 
  电离层的影响主要是电离层闪烁衰落,衰落值同地磁纬度有密切关系,在地磁纬度30°附近是一闪烁增强带,地磁纬度20°以下,春夏发生闪烁严重且频繁。电波穿过电离层的衰减量,随入射角而变化,垂直入射时,衰减量最小。 
  另外,电波还受地球磁场的影响,线极化电磁波的极化平面会发生旋转效应,因此,要根据不同情况,对极化面的变化进行补偿。 
  4、多普勒频移 
  当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时,接收端收到的发射端载频发生频移,即多普勒效应引起的附加频移,称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相关解调的数字通信危害较大,地球站接收机必须采用锁相技术才能稳定地接收卫星发来的信息。 
  对于移动卫星通信而言,它可能利用静止轨道卫星,也可以是非静止轨道卫星,对于前者,产生多普勒频移主要是因为用户终端的运动,后者主要取决于卫星相对于地面目标的快速运动。 
  5、多径衰落和阴影遮蔽效应 
  电波在移动环境中传播时,会遇到各种物体,经反射、散射、绕射,到达接收天线时,己成为通过各种路径到达的合成波,即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同,因此合成信号起伏很大,称为多径衰落。 
  电波途经建筑物、树林等时受到阻挡被衰减,这种阴影遮蔽对陆地移动卫星通信系统的电波传播影响很大。 
  以上分析了卫星通信电波在传输过程中可能产生的各种传播损耗,实际中,电波还受到传输噪声的影响。 
  三、卫星通信电波的传输噪声 
  当电波经过传输达到接收机时,会引入一部分噪声,这些噪声对接收机影响较大,实际中要充分考虑。接收机输入端的噪声分别由内部(接收机)和外部(天线引入)噪声源引入,外部噪声源可以分为两类:地面噪声和太空噪声。地面噪声影响最大,来源于大气、降雨、地面、工业活动等,太空噪声来源于宇宙、太阳系等。 
  1、太阳系噪声 
  它指的是太阳系中太阳、各行星以及月亮辐射的电磁干扰被天线接收而形成的噪声,其中太阳是最大的热辐射源。只要天线不对准太阳,在静寂期太阳噪声对天线噪声影响不大;其他行星和月亮,没有高增益天线直接指向时,对天线噪声影响也不大。实际上,当太阳和卫星汇合在一起,即太阳接近地球站指向卫星的延伸线时,地球站就会受到干扰,甚至造成中断。 
  2、宇宙噪声 
  外空间星体的热气体及分布在星际空间的物质所形成的噪声,在银河系中心的指向上达到最大值(通常称为指向热空),在天空其它某些部分的指向上是很低的(称为冷空)。宇宙噪声是频率的函数,在1GHz以下时,它是天线噪声的主要成分。 
  3、大气噪声与降雨噪声 
  电离层、对流层不但吸收电波的能量,也产生电磁辐射而形成噪声,其中主要是氧气和水蒸汽构成的大气噪声,大气噪声是频率和仰角的函数。大气噪声在10GHz以上显著增加,仰角越低时,由于电波穿越大气层的路径长度增加,大气噪声作用加大。 
  降雨以及云、雾在产生电波吸收衰减的同时,也产生噪声,称为降雨噪声。对天线噪声的作用与雨量、频率、天线仰角有关。即使在4GHz的频率下,仰角低的时候,大雨对天线噪声影响也很大,因此我们在设计系统的时候要充分考虑这些因素。 
  4、内部噪声 
  内部噪声来源于接收机,由于接收机中含有大量的电子元件,而这些电子元件中由于温度的影响,其中自由电子会做无规则的运动,这些运动实际上影响了电路的工作,这就是热噪声,因为在理论上,如果温度降低到绝对零度,那么这种内部噪声会为零,但实际上我们达不到绝对零度,所以内部噪声不可根除,只可抑制。 
  四、小结 
  由于卫星通信的工作频率选择在微波波段,其电波传播特点与其它波段有很大的不同,因而我们在实际应用中应充分考虑其电波传播的特点,从而灵活考虑卫星地球站的电波接收,有效地设计卫星通信系统。 
  参考文献 
  [1]《微波与卫星通信技术》,井庆丰,国防工业出版社,2011年9月。 
  [2]《现代卫星通信系统》,王秉钧,王少勇,电子工业出版社,2004年1月。

 

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