为什么会有0.1m0.2m的卫星通信天线？难道不用考虑邻星干扰吗V2？

为什么会有0.1m~0.2m的卫星通信天线？难道不用考虑邻星干扰吗？

在卫星通信领域，天线口径的选择直接关系到系统性能和邻星干扰问题。常规认知中，较小口径的天线由于波束较宽，容易导致信号泄漏到相邻卫星，引发干扰。

然而，市场上却出现了Ka频段下0.1m~0.2m的小口径天线，这是否意味着忽视了邻星干扰的风险？

本文将深入探讨这一现象背后的技术原理，分析扩频通信如何有效降低功率谱密度，从而缓解邻星干扰问题，为小口径天线的应用提供理论依据。

一、天线3dB波束宽度和天线等效口径的关系

对于抛物面天线，其 **3dB波束宽度（θ）**的近似计算公式为：

${\theta }_{3dB}\approx 70\times \lambda /D$

其中：

• θ 是3dB波束宽度，单位为度（°）。
• λ 是工作波长，单位为米（m）。
• D 是天线口径（直径），单位为米（m）。

首先，我们需要确定Ka频段的波长（λ）。

• Ka频段范围通常定义为上行26.5-40 GHz，下行17.7-20.2 GHz。我们取一个常用的下行中心频率，例如20 GHz，来进行计算。
• 光速 c≈3×10^8 m/s。
• 波长 λ=c/f=0.015 米。

同理，上行中心频率取值是30GHz，那么波长λ=0.01m。

分别计算0.1m和0.3m天线的波束宽度

1. 对于0.1米口径天线

下行波束宽度：

${\theta }_{3dB,down,0.1m}\approx 70\times 0.015/0.1=10.5°$

上行波束宽度：

${\theta }_{3dB,up,0.1m}\approx 70\times 0.01/0.1=7.0°$

2. 对于0.3米口径天线

下行波束宽度：

${\theta }_{3dB,0.3m}\approx 70\times 0.015/0.3=3.5°$

上行波束宽度：

${\theta }_{3dB,up,0.3m}\approx 70\times 0.01/0.3=2.33°$

结论与对比

0.1米天线的波束宽度（10.5°）是0.3米天线（3.5°）的整整3倍。这直观地展示了为什么大口径天线对避免邻星干扰至关重要。

0.1m口径的天线，波束宽度达到了10.5°，这么宽的波束角度，导致发射信号发散得很开，很容易就覆盖到旁边的卫星上，从而导致邻星干扰。

二、扩频通信带来的功率谱密度降低

我们在GPS/北斗接收机本身能够抗多少功率的干扰？中详细介绍过扩频通信的基本原理，并指出除了GPS信号，北斗信号都是扩频调制的信号。经过扩频调制之后，

• 原本GPS L1 C/A的数据率是50bps，经过码长1023的扩频码调制之后，数据率变成了1.023Mbps。占用的射频带宽也从±50Hz，变成了±1MHz，带来的扩频增益是43dB。

• 同样的，经过扩频之后，原先窄带的100Hz内的功率分散到了2MHz带宽内，功率谱密度降低了43dB。原本在频谱仪上能够看到的信号，经过扩频频谱扩展之后，功率谱密度降低，信号完全淹没在了背景噪声中，对于GNSS天线和接收机来说，GNSS信号和背景噪声已经无法区分地混在了一起。

三、窄带业务数据+扩频可以有效降低功率谱密度

同理，如果在卫星通信中也采用扩频通信技术呢？

假设

• 卫星通信终端发送的业务数据的数据率Rc=200Kbps;
• 调制方式QPSK，1/2编码，则符号速率Rs=200Ksps；
• 在不考虑滚降系数的情况下，占用的射频带宽是200KHz，
• 发射功率是8W，则8W的功率分散在200KHz的带宽内；
• 如果对编码调制之后的符号数据进行扩频调制，假设我们选择的扩频码码长是100，那么经过扩频之后的数据率是20Mcps，在不考虑滚降系数的情况下，占用的射频带宽是20MHz。
• 发射功率是8W，则同样8W的功率分散在20MHz的带宽内，功率谱密度降低。

从邻星干扰的角度看，在地面站发射端，由于扩频，泄漏信号的功率谱密度就已经降低了20 dB（100倍）

也就是说：

从邻星干扰的角度看，虽然由于地面天线波束太宽，能量不够集中，很容易泄露都邻星上，但是泄露到邻星的信号功率谱密度变低了（在上面的例子中，功率谱密度降低了100倍，即20dB）。这个干扰信号的功率谱密度已经跟背景噪声的功率谱密度相当，干扰信号更像一个宽带的背景噪声，对信道的破坏性会大大减小。

按照上行载噪比计算实例中的例子中的计算方式，进行如下计算：

• Ka频段，上行发射频率取30GHz；
• 中星26卫星，东经125°。
• 地面站天线口径0.1m，天线效率65%；
• 功放BUC是8W
• 除了空间距离导致的损耗之外的大气损耗=1dB；
• 扩频前的数据率200Kbps，QPSK调制，编码方式是1/2
• 扩频码长100，扩频之前的射频带宽是200KHz，扩频之后的射频带宽是20MHz。

计算扩频前后，到达卫星天线的功率谱密度

1. 系统参数

参数	值
上行频率	30 GHz
目标卫星	中星26 (东经125°)
地面站天线口径	0.1 m
天线效率	65%
功放BUC功率	8 W
附加损耗（大气等）	1 dB
原始数据率	200 Kbps
调制与编码	QPSK, 1/2速率
扩频码长	100
扩频前射频带宽	200 kHz
扩频后射频带宽	20 MHz

2. 关键参数计算

2.1 天线增益

• 波长
  $$\lambda =\frac{c}{f}=\frac{3\times 10^8}{30\times 10^9}=0.01m$$

• 天线增益
  $$G_T=\eta {\left(\frac{\pi D}{\lambda }\right)}^2=0.65\times {\left(\frac{\pi \times 0.1}{0.01}\right)}^2$$

• $$G_T=0.65\times (10\pi {)}^2\approx 0.65\times 986.96\approx 641.52)$$

• $$(G_T(\text{dB})=10{\log }_{10}(641.52)\approx 28.07\text{dB}$$

2.2 有效全向辐射功率 (EIRP)

• 发射功率
  $$(P_T=8\text{W}=10{\log }_{10}(8)\approx 9.03\text{dBW})$$

• $$\text{EIRP}=P_T(\text{dBW})+G_T(\text{dB})=9.03+28.07=37.10,\text{dBW}$$

2.3 空间路径损耗

• $$L_p={\left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)}^2={\left(\frac{4\pi \times 3.6\times 10^7}{0.01}\right)}^2\approx (4.523\times 10^{10}{)}^2\approx 2.045\times 10^{21}$$

• $$L_p(\text{dB})=10{\log }_{10}(2.045\times 10^{21})\approx 213.11\text{dB}$$

• $$总损耗L_{\text{total}}=L_p+L_{\text{other}}=213.11+1=214.11\text{dB}$$

3.功率谱密度计算

3.1 带宽计算

• 扩频前带宽: $200\text{kHz}=53.01\text{dBHz}$
• 扩频后带宽: $20\text{MHz}=73.01\text{dBHz}$

3.2 功率谱密度计算结果

场景	带宽	带宽 (dBHz)	PSD计算公式	PSD结果
扩频前	200 kHz	53.01 dBHz	$ 37.10 - 214.11 - 53.01 $	-230.02 dBW/Hz
扩频后	20 MHz	73.01 dBHz	$ 37.10 - 214.11 - 73.01 $	-250.02 dBW/Hz

3.3 PSD降低量分析

实际PSD降低量:
$${\text{PSD}}_{\text{after}}-{\text{PSD}}_{\text{before}}=-250.02-(-230.02)=-20.00\text{dB}$$

4. 对邻星干扰的影响分析

4.1 天线波束特性

• 上行波束宽度
  $$({\theta }_{3dB}\approx 70\times \frac{0.01}{0.1}=7.0^{\circ })$$
• 0.1m天线的宽波束确实容易将能量泄漏到相邻卫星

4.2 扩频技术的改善效果

• 扩频后，泄漏到邻星的干扰信号功率谱密度降低了20 dB
• 干扰信号在邻星接收机中接近背景噪声水平
• 显著减轻了因小口径天线波束宽带来的邻星干扰问题

5. 结论

1. 功率谱密度PSD降低效果：在此配置下，扩频技术使得到达卫星（及邻星）的功率谱密度从**-230.02 dBW/Hz降至-250.02 dBW/Hz**，降低了20 dB。

2. 邻星干扰缓解：20 dB的PSD降低意味着干扰功率减小为原来的1/100，这使得即使使用0.1m小口径天线，其对邻星的干扰也大大减轻。

3. **扩频通信技术：**有效解决了上行邻星干扰问题，为使用低成本小口径天线提供了理论依据。

4. 但是小口径天线增益低，

   • 小口径天线增益低，需要极高的发射功率来补偿，需要做好链路预算，保证业务数据的正常传输；
   • 一般来说，采用扩频技术的卫星通信系统多用于低数据率业务（通常在1Mbps以下，大部分在500Kbps以下）。这是因为低数据率业务本身对载噪比的要求较低，使得系统能够承受因扩频带来的处理增益需求，从而将节省下来的链路预算用于弥补小口径天线增益的不足。

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本文深入探讨了卫星通信中使用0.1m~0.2m小口径天线的可行性，重点分析了邻星干扰问题及其解决方案。通过计算天线波束宽度和扩频通信技术对功率谱密度的影响，文章证实了扩频调制能够显著降低干扰信号的水平，使其接近背景噪声，从而缓解邻星干扰。

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