3.2 卫星通信频率选择

在卫星应用中，包括通信、电视广播、导航、遥测、遥感等，有一点是共性的，这就是利用电磁波将获取的信息进行传输。因此，无线电波工作频段选择是一个十分重要的问题。它的选择直接关系到卫星应用系统的容量、工作质量、可靠性、系统设备复杂性及成本等问题。卫星应用系统工作频段的选择，必须根据需要与可能相结合的原则，着重考虑以下因素：

（1）电磁波应能以尽可能小的传播损耗和外部附加噪声穿过电离层；

（2）具有较宽的可用频带，尽可能增大信息传输容量；

（3）合理地使用频谱资源，避免各种空间应用之间以及与地面系统之间产生相互干扰；

（4）与电子技术、与电子元器件的发展密切配合。

现以卫星广播系统为例，讨论工作频段的选择问题。在卫星广播系统中，对于从地球到卫星（上行）和卫星到地球（下行）的传输线路来说，广播系统射频信道每一部分（天线、接收机和发射机）都与工作频率有关。不仅如此，它还影响到对卫星能源功率和控制系统控制精度等要求。因此，频段问题必须在卫星广播系统线路设计中认真考虑。

通常，卫星广播频段是指下行线路频段。因为卫星广播上行线路（即从地面站发射设备至广播卫星的接收设备）类似于地面广播网中节目传输线路（将节目信号从播音室送到发射台），而这种线路不属于广播线路，而属于通信线路。因此，卫星广播系统上行线路频段不属于卫星广播业务频段而属于卫星固定通信业务频段。本节讨论的卫星广播频段选择是指下行线路广播频段选择。

对卫星广播系统来说，可用频率在频谱低端受限制是因为当需要覆盖一个小区域时，必须使用强方向性星载天线。对给定的波束宽度来说。频率越低，天线的体积和质量越大，从而给卫星设计带来困难也越大。频率具有下限的另一原因是信号必须穿过电离层，对无线电波频率来说，电离层必须是可穿透的。一般地说，低频电磁波会被电离层吸收而严重衰减，频率稍高但在临界频率以下的电磁波虽然衰减较小，但会被电离层反射，仍然不能使地面与电离层外的卫星建立联系。这就决定了可用频率的下限。

可用频率在频谱高端受限制的原因是当频率高于10GHz以上时易被低层大气吸收，例如云、雾的吸收。特别是雨致吸收使电波信号强度严重衰减。另一方面是工艺的限制，要研制出工作在很高频率又具有足够大功率的星载发射机是相当困难的。

影响卫星广播频段选择还有一个重要因素是卫星广播频率与其他各种通信业务频率共存而引起的频率分配和频率公用问题。在国际上适合于卫星广播的某些频段已很拥挤，这就使卫星广播频率选择受到较大限制。此外，从卫星广播技术特点和发展需要来看，它占的频段应当足够宽，这就更增加了卫星广播频段选择的困难。

1971年7月17日国际电信联盟（ITU）在日内瓦召开了关于空间通信的世界无线电行政会议。会上明确了卫星广播业务的定义和技术标准，并分配了广播卫星业务用频率。在这次会议上，分配给卫星广播使用并与地面业务公用的频段有700MHz、2.6GHz和12GHz，分配给卫星广播专用的频段有42GHz和85GHz。

以下从应用条件、传播和噪声、星体及星内设备、地面接收设备、系统费用来研究当时分配给卫星广播使用并与地面业务公用的700MHz（UHF频段）、2.6GHz（S频段）和12GHz（Ku频段）三个频段的卫星广播系统优缺点，并进行优选。

3.2.1 应用条件

1.可用频段宽度

所谓可用频段宽度是指分配的频段可使用频率范围。频段宽度越宽，可分配的频道数或转发器数越多，系统的容量也可越大。一般地说，分配的频段频率越高，可用频段越宽。由当时分配情况知，UHF频段和S频段供卫星广播用频段宽度较窄，前者为170MHz（620～790MHz），后者为190MHz（2500～2690MHz）。Ku频段可供卫星广播用宽度较宽为500MHz或800MHz。

2.受其他通信业务约束性

受其他通信业务约束性是指与其他通信业务公用频段后受限制程度。三者相比，频率较低的UHF频段和S频段约束较大。

对620～790MHz频段，这一段只可用于调频制的卫星电视广播，使用时须事先同有关国家协商达成协议。且规定，在他国领土上，卫星广播地面功率通量密度的极限值是：

式中δ是以地平面为基准的电波入射角（接收仰角）。

对2.50～2.69GHz频段，它只可用于国内或区域性的集体接收式卫星电视广播系统，并须事先与有关国家达成协议。为了保护地上通信业务，卫星广播在4kHz频带内的地面功率通量密度限制值是：

对11.7～12.2GHz频段或11.7～12.5GHz频段，卫星广播使用此频段具有优先权。电联规定此频段内现有的和将来建设的地上固定通信，移动通信和地上广播业务，不得对按照赋有职权的卫星广播规划大会的决定而工作的卫星广播造成干扰。同时，为了使公用此频段的其他各种通信业务不受干扰，也对广播卫星星上发射机向地面辐射的功率通量密度提出了限制值。

为使第Ⅰ区和第Ⅲ区地上通信业务免受第Ⅱ区广播卫星星上发射机的干扰，要求在所有到达角情况下，卫星发射天线为圆极化时其功率通量密度应不大于-125dBW/m ² /4kHz；当卫星发射天线使用线极化时，其功率通量密度应不大于-128dBW/m ² /4kHz。

此外，还规定对于第Ⅲ区和位于东经30°以西的第Ⅰ区西部，第Ⅱ区卫星辐射过去的功率通量密度限制值如下：

3.防止相邻地区同频段卫星广播业务受干扰约束性

除了上述为防止对地面通信业务干扰而对功率通量密度有一定限制外，还为了防止相邻地区同频段卫星广播系统间干扰，对覆盖区边界功率通量密度也有限制值。其限制值是：在最不利月份的99%时间内

4.电波溢出性

电波溢出性是指电波超出预定覆盖程度。理想的卫星天线波束是赋形波束，并与覆盖区很好重合，覆盖区外波束电平很小，可以忽略不计。但实际的天线方向性图由于存在旁瓣及覆盖区外主瓣电平不可能迅速下降，故在覆盖区外仍有较强照射。这就有可能对邻区造成干扰。对相同的波束宽度，通常工作频率越高的天线，波束成形性及旁瓣抑制性越好。因此，频率越高的频段用于卫星广播时，电波溢出越小。

3.2.2 电波传播和噪声

1.大气吸收损耗

无线电波往返大气层时，会受到大气层传播中吸收损耗，这包括电离层中自由电子和离子的吸收，对流层中氧分子、水蒸气分子和云、雾、雨、雪等的吸收与散射。这些损耗的大小除了与波束的仰角、气候的好坏有关外，还与电波的频率有很大的关系。图3-2为大气吸收损耗与电波频率的关系曲线。

由图3-2可知，当电波的频率低于0.1GHz时，电离层中的自由电子或离子的吸收在信号的大气损耗中起主要的作用，频率越低这种损耗越严重。当频率高于0.3GHz时，其影响小到可以忽略。在15～35GHz频段，水蒸气分子的吸收在大气损耗中占主要地位，并在22.2GHz处发生谐振吸收而出现第一个损耗峰（但在高仰角条件下不超过1dB）。而在15GHz以下和35～80GHz频段则主要是氧分子的吸收，并在60GHz附近发生谐振吸收而出现一个较大的损耗峰。云、雾、雪等各种坏天气对电波传播也有影响，但这种影响与频率基本上呈线性关系，即频率越高，损耗越大。

由此可见，频率在1GHz以下时，可以忽略气体吸收的影响，频率在1～10GHz之间需考虑气体吸收的影响，在频段高于10GHz时，降雨是电波传播过程中最主要的大气衰减因素，必须考虑。此外，由于在22GHz和60GHz处有损耗峰存在，这些频率不宜用于星—地链路，但可用于星际链路。同时由图3-2可以看出，从总体上看，吸收损耗随频率的增大而加大，但在30GHz处有一最低的谷点，它的附近正是Ka频段的“无线电窗口”。

2.降雨损耗

降雨引起的电波传播损耗，简称雨衰。雨衰是由于雨滴和雾对微波能量的吸收和散射产生的，并随着频率的增大而加大。通常在Ku频段及其以上的频段，雨衰的影响不容忽视。对于更高的频段，雨滴对电波的散射产生的传播损耗更为严重。雨衰不能精确地预告，但在进行链路设计时可做出估计。

雨衰的大小与雨量和电波穿过雨区的有效传输距离有关。同时，对于特定的雨区，电波在雨区内传播路径上不同地点受到的降雨衰减的影响是不同的。为了便于计算，工程上用特定仰角时总的雨衰值来表示。图3-3所示为以仰角为参变量的雨衰（雨量为大雨，10mm/h，）随频率变化的情况。此衰减随仰角变化频率特性获得的条件是降雨率为10mm/h（雨量为大雨）和降雨出现时间概率为99.5%。

3.大气折射、闪烁、法拉第旋转、去极化效应

大气折射、闪烁、电离层闪烁和电离层产生的法拉第旋转对电波传播都有不同程度的影响，会造成衰减和起伏。

（1）大气折射：在大气层中，离地球表面越高，大气密度越低，对电波的折射率也随之减小，使电磁波在大气层中的传播路径出现向上凸出的弯曲。由于大气层的不稳定因素，如温度的变化、云层和雾等导致大气密度分布的不连续变化和起伏，使传播路径产生了随机的、时变的弯曲，从而引起接收信号的起伏。由于对流层折射率随高度升高而减小，折射率情况随初始仰角而异，这将引起天线波束扩散，从而产生所谓的散焦损耗。斜路径散焦损耗在1～100GHz频段内与频率无关。

（2）电离层闪烁：电离层内存在电子密度结构的不均匀性和随机的时变性而引起闪烁，其强度大致与频率的平方成反比。因此，电离层闪烁会对较低频段（1GHz以下）的电波产生明显的散射和折射，从而引起信号的衰落。这种衰落与工作频率、地理位置、地磁活动、太阳活动程度以及当地季节、时间等因素有关。表3-4是国际无线电咨询委员会（CCIR）于1982年提供的普通中纬度地区电离层闪烁的一些数据。从表中可见，频率为1GHz时，闪烁造成的衰落甚小，但对于较低工作频率200MHz，电离层闪烁使信号衰落有0.1%的时间大于6dB，不可忽视。

（3）对流层闪烁：对流层中由于折射率的不规则起伏引起信号强度的起伏现象，通常称为对流层闪烁。这类闪烁的衰落率持续时间约几十秒。2～10GHz大气（对流层）闪烁的起因可认为是大气折射率的不规则性使无线电射线聚焦与散焦，且这种聚焦与散焦不依赖于频率。测量表明，在标准大气条件下，信号强度的分布服从高斯分布。图3-4是在上述频段下根据测量及计算给出的大气闪烁的标准偏差曲线。可看出，30m天线工作在仰角5°时，信号强度的起伏幅度达0.6dB。

（4）法拉第旋转：线极化波通过电离层时由于电磁场的存在和等离子体媒质的各向异性，会使其极化面相对于入射波方向产生缓慢的旋转，称为法拉第旋转。旋转角度的大小与电波频率、地球磁场强度、等离子体的电子密度、传播路径长度等有关。其中法拉第旋转角与频率的平方成反比，频率越低，旋转角越大。对于较低的频率（低于1GHz），为了克服法拉第旋转效应，必须采用圆极化波传播或者采用极化跟踪技术；频率高于几GHz时，旋转角变得很小，就可以采用线极化波；频率大于10GHz时，完全可以忽略法拉第旋转效应。表3-5列出了几个频点与法拉第旋转角的观测数据。

（5）去极化效应：在卫星通信中，一般采用正交极化来提高系统容量。对于无线电传播而言，大气层类似一个各向异性的媒质，通过它传输后一种极化信号的能量会耦合到另一个正交极化分量上，从而造成两种极化分量之间的干扰，这就是所谓的交叉极化干扰。由于两个发射时原本相互正交的分量在经过传播路径后产生了交叉极化干扰，两者之间不再是严格的正交，因此，此过程也叫去极化效应。通常都用交叉极化鉴别度（XPD）来度量线极化波或圆极化波的极化纯度，其定义为

4.移动用户通信传播特性

由于卫星广播系统使用的是对地静止卫星，用户接收站通常又是固定的，并有较好接收条件，因此本小节分析结果可不考虑。

（1）衰落特性：对于卫星移动通信系统，由于移动用户所处的地面环境复杂，移动终端天线高度低，增益小（手持机天线增益通常为1～2dB），能接收来自地面环境反射而来的各个方向多径信号，因此，卫星移动通信信道从本质上来说是一个多径信道。由于卫星系统主要用于支持农村和郊区用户的通信，所以一般认为接收信号中有直射分量。数学分析的结果表明，包含直射分量的多径信号的包络（信号强度或功率）服从莱斯（Rice）分布，相位服从[0，2π]的均匀分布。有关分析结果得出在树木遮蔽条件下不同仰角时的接收信号电平衰落积累分布特性如图3-5所示。

曲图3-5可知，当仰角为40°时，对应于横坐标95%的衰落电平为9dB，它表明衰落的接收电平有95%时衰落不超过9dB。衰落电平是指接收电平低于无衰落信道（无多径效应、且信号直射分量不被遮蔽）接收电平的数值。由于链路呈衰落特性，因此对卫星移动通信传输电平预算时需留有一定的余量。

对于低轨道卫星系统来说，由于卫星相对于地面的快速运动，在通信过程中仰角是在不断变化的。因此，从系统设计的角度来讲，仅以移动用户所处的地面环境来确定衰落余量的平均值（不同仰角时的平均值）更合适。根据国外测试的大量数据评估得出的在不同环境下，接收信号有效性分别为90%、95%和99%时的平均衰落余量见表3-6。

（2）多普勒频移：在卫星移动通信系统中，卫星与地面移动终端之间存在相对运动，它们作为发射机或接收机的载体，接收信号相对于发送信号将产生多普勒频移。分析表明，多普勒频移可表示为

式中，V为卫星与用户的相对运动速度；f _c 为射频频率；c为光速；θ为卫星与用户之间的连线与速度V方向的夹角。

卫星移动通信系统可能利用的是静止轨道卫星，也可以是非静止轨道卫星。对于前者，产生多普勒频移是因为用户终端的运动，而后者主要取决于卫星相对地面目标的快速运动。表3-7所示为静止轨道、中轨道（高度约10000km）和低轨道（高度约1000km）卫星系统工作在C频段时的最大多普勒频移的典型值，以及在星间切换时多普勒频移的跳变值。

5.传播噪声

在任何通信系统中，出现在接收设备中的无线电信号，除了带有希望传送的信息外，还伴随着不希望存在的无规则瞬变干扰信号。这种干扰信号就是通常所说的无线电噪声。这种无线电噪声可分两部分：外部噪声和内部噪声，外部噪声又可分为自然噪声和人为噪声。自然噪声来源于地面、高空大气层及宇宙空间。它有地面噪声、大气噪声、天电噪声、太阳噪声、射电源噪声和银河系噪声等。人为噪声主要来源于各种电气设备干扰；如点火系统，高频电热、电弧，火花和电晕放电等各种因素产生的干扰。这类噪声一般称为工业干扰。人为噪声可包括另一类干扰信号，如邻近无线电通信、广播、导航设备的射频信号。当然还可包括敌方有意设置的无线电干扰机发出的干扰信号。这里只讨论对频段选择有影响的宇宙噪声，以及大气和降雨噪声。

（1）宇宙噪声：宇宙噪声是外空间星体里的热气体及分布在星际空间的物质所形成的噪声，它包括太阳噪声、射电源噪声和银河系噪声等。宇宙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），在天空其他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，如图3-6中虚线所示，A指向热空，B指向冷空。

宇宙噪声中，其中最主要的噪声干扰源来自太阳。在太阳处于静寂期时，只要接收机的天线不对准太阳，太阳噪声对系统的影响不大。但是，在每年春分和秋分前后的若干天，对一个大型天线地球站，太阳每天约有几分钟的时间处于地球站天线指向（卫星）的延伸方向，会造成严重干扰。而干扰发生的具体时间与地球站位置有关。

对于采用星间链路的低轨卫星星座通信系统。星座的运行可使太阳处于某些星间链路的延长线上，此时太阳在某卫星天线的前向视角内将形成干扰并可能阻塞该链路。空间网络某些（星间）链路的被阻塞，将影响空间网的路由策略。

（2）大气和降雨噪声：在电波穿过电离层、对流层时，水蒸气和氧分子的谐振会吸收电波能量而带来附加损耗，同时产生电磁辐射形成噪声，即大气噪声。大气噪声是频率和仰角的函数。图3-6是晴朗天气大气噪声与宇宙噪声对地球站天线噪声温度贡献的综合曲线。可以看出，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。从图中还可以看出，0.4～10GHz的频率范围是大气噪声较小的一个窗口。同时，在30GHz附近也呈谷底，这正是目前开始应用的Ka频段。

降雨噪声是雨、雾等吸收电波能量引起雨衰的同时所产生的电波辐射噪声，暴雨时特别严重。降雨噪声与雨衰一样，在较高频段上（如10GHz以上）影响较大。降雨噪声对天线噪声温度的作用与雨量、频率、天线仰角有关，如图3-7所示。

6.无线电之窗

由于航天器轨道一般都高于130km以上，因此，星地之间上下线路其电波传播将经过对流层，部分或整个电离层，甚至还经过更外层的空间。在上述传播途径中，除了由于电波的扩散而产生自由空间传输损耗外，还会受到对流层和电离层媒体引起的种种损耗、变异和折射。同时，在传播过程中，不可避免地还会掺入一些外界噪声和干扰。它们与信号混在一起进入接收设备而影响信号质量。从前面分析可知，电波传播过程中各种外界影响，一般都具有频率特性，因此有必要进一步研究最适用于空间通信的无线电频率范围是什么。研究这个问题可以从信号的衰减和噪声的干扰开始。大气对电波的吸收损耗与频率关系可从图3-2看到，1～5GHz的大气吸收损耗较小，在5～10GHz的大气吸收损耗开始增加，到25～60GHz时变得非常大。所以从要求大气吸收小角度来看，卫星通信最高频率最好选在10GHz以下。但是从外界噪声来看，当电波频率低于1GHz时，宇宙噪声等会快速增加（见图3-6），所以最低频率不能低于1GHz。因此，从减小大气吸收损耗和降低宇宙噪声干扰作用考虑，最理想的通信频段是1～10GHz。由于这个频段电波传播特性最好，可以看作在自由空间传播，所以人们称它为无线电“窗”。这也是世界上最早的商用通信卫星—国际通信卫星采用C频段4/6GHz频率的原因。

3.2.3 星体及星内设备

1.卫星定点精度

静止卫星的“对地静止”是相对的、有条件的，实际上有很多因素促使静止卫星相对于地球运动，偏离它所处的定点位置。这些促使它偏离原定位置的因素称为摄动因素。为了克服摄动引起的卫星对地球相对运动，需要控制系统对卫星进行经常的监视和控制。以保持卫星的位置漂移在规定的范围内。卫星保持轨道位置的能力用定点精度来表示。对定点精度的要求随不同的工作频率而不同。对相同天线口径的地面接收系统来说，卫星广播的载频越低接收天线的主瓣宽度就越宽；波瓣越宽，捕捉卫星的能力就越强，从而对卫星定点精度要求就越低。上述原理如图3-8所示。图中轨道弧段上AB段在接收天线主瓣宽度范围内，卫星在此段内左右漂移不影响地面设备接收信号。显然，波束越宽，AB段就越长；允许卫星在AB段内漂移范围也就越大，从而定点精度要求可越低。反之，对定点精度一定的卫星来说，用于广播的载频越低，波束越宽，天线也越易跟踪卫星。

2.转发器输出功率

转发器输出功率大小是衡量广播卫星工作能力大小的一项重要指标。转发器输出功率主要决定于它的末级功率放大器功率，末级功率放大器输出功率量级与工作频率密切相关。对固体器件研制的放大器来说，工作频率为860MHz，输出功率为80W（多管并联）及工作频率为2.6GHz，输出功率为20W（多管并联）的功率放大器早在1974年发射的应用技术卫星-6（ATS-F）上应用。对电子管器件研制的放大器来说，工作频率为12GHz输出功率为200W的行波管功率放大器早在1976年发射的通信技术卫星（CTS）上应用。对Ku频段，在早期采用模拟制卫星广播，根据1977年国际电联模拟制电视卫星广播业务规划，为了满足个体接收要求，对小波束覆盖，转发器输出功率为数百瓦，自1993年美国发射了采用数字制广播的广播卫星DBS-1以来，对于美国全国的大波束覆盖，为了满足个体接收要求，其转发器输出功率仅为120W。

总的说来，工作频率越高，电子管器件与固体器件相比，越易获得大功率输出。对于全球现用大多数广播卫星用的百瓦级末级功率放大器都是采用行波管放大器。

3.天线尺寸和质量

对星上发射天线的一条重要指标是半功率点波束宽度（虽然现已普遍使用赋形波束覆盖服务区，但不影响讨论实质，这里为了便于讨论仍假设使用圆波束覆盖服务区）。它的大小依赖于卫星覆盖区要求。覆盖区越大，半功率点波束宽度也越大。

对相同的波束宽度，频率不同，所需的天线直径也不同。表3-8给出工作频率与天线直径关系。

表中数据是根据如下两公式计算的

并令两者相等得

式中，G是天线增益；K是与天线反射器受辐射源照射规律有关的系数，这里取K=1.25，D为天线直径；λ为波长；η为天线效率；φ ₀ 为天线半功率点波束宽度（单位为度）。此外有频率f=C/λ，其中光速C=30×10 ⁴ km/s。

对相同的波束宽度，频率越高，天线直径越小，体积也越小，质量也越轻。这有利于卫星星体设计。

3.2.4 地面接收设备

地面接收设备参数对频率的依赖关系主要表现在天线波束宽度和设备优值G/T。对一定口径的天线来说，频率越高，波束越窄，增益越高。波束窄，跟踪卫星难，这是不利之处；但是增益高，可增大G/T，这是有利之处。由公式3-10和公式3-8算得的不同频率情况下波束宽度和天线增益见表3-9。表中诸数据计算时，设η=0.5。

对接收设备噪声温度来说，它由两部分组成，即外部噪声和内部噪声。外部噪声是指天线噪声，内部噪声是指馈线和接收机噪声。总的说来，外部噪声在频率1～10GHz为最小，高于或低于此频率范围，噪声均变大。对接收机噪声来说，主要决定于第一级和第二级放大器的噪声值。一般说来，内部噪声温度随工作频率增加而增大。

3.2.5 系统费用

卫星广播系统费用主要包含两部分，一部分为卫星、上行站和发射费用（包含运载火箭和地面测控系统等），另一部分为分布服务区内成千上万的接收设备。表3-10给出了12GHz、2.6GHz和700MHz三个频段的集体接收方式卫星电视广播系统的费用比较。表中以12GHz单频道系统的星体和发射费用作为比较基准，取为1。各数据仅供参考。表中三种不同频段的共性是三频道广播系统平均一个频道的系统总费用低于单频道广播系统费用。由此可见，发射多频道广播卫星从经济上讲比发射单频道广播卫星合算。同样，在相同服务区内，接收设备越多，整个卫星广播系统越经济。

3.2.6 卫星广播三种频段优劣性比较

以上对卫星广播系统三种频段优劣性进行了初步探讨。作为小结，对上述三种频段优劣性比较见表3-11。由表3-11可以看到，三种频段卫星广播系统各有优缺点，但12GHz频段的突出优点是可用频段宽度最大，使用受限最小。这也正是此频段卫星广播系统在全球发展最快和最广的原因。