Ku頻段“動中通”天線口徑最小限值分析

+ 賈玉仙　中國衛通集團有限公司

Ku頻段“動中通”天線口徑最小限值分析

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2013年工信部發布《衛星固定業務通信網內設置使用移動平臺地球站管理暫行辦法》以來，Ku頻段動中通拋物面天線最小天線口徑0.8米（非拋物面天線等效口徑0.6米）的限制條件在業內引起強烈反響和廣泛爭議。本文從鄰星干擾和鏈路計算兩個角度對該限制的必要性和合理性進行了分析。

動中通天線口徑限制條件鄰星干擾鏈路計算

1　引言

2013年工信部發布了《衛星固定業務通信網內設置使用移動平臺地球站管理暫行辦法》（以下簡稱“辦法”），其中，規定了包括 “動中通”在內的“車載、可搬移式或便攜式移動平臺地球站所使用的拋物面天線口徑不得小于0.8米（非拋物面天線的電性能等效口徑不得小于0.6米）”。“辦法”實施以來，行業內對該最小天線口徑限制條件有很多爭議。一些“動中通”生產廠商認為，該限制條件限制了“動中通”的使用和發展，通過目前已經成熟的擴頻技術，完全可以解決動中通在使用過程中的鄰星干擾問題和功率超標問題。一些用戶也反映，最小天線口徑的規定，使得動中通無法小型化，進而使得動中通的靈活性受到限制。

然而，“動中通”以往的實際使用情況表明，當采用如0.3米或0.45米等甚小口徑的動中通時，為了節省衛星租用帶寬，用戶基本都未采用擴頻技術，結果造成實際的鄰星干擾和功率嚴重超標，對衛星轉發器的運行管理及其他相關網絡造成嚴重的影響。“辦法”出臺后，由于小天線“動中通”的逐漸減少，這些不規范現象已逐漸得到改善。實際情況說明，對“動中通”最小口徑進行限制是必要的、有效的。

本文從鄰星干擾和鏈路計算兩個角度，對0.8米拋物面天線口徑限制條件的技術合理性進行分析，并在此基礎上對0.6米低輪廓天線的口徑限制條件進行簡要地分析。

2.拋物線天線0.8米最小口徑的限值分析

1）鄰星干擾分析

對于任何一個地球站而言，為了避免其旁瓣信號發射到相鄰衛星以造成對鄰星的上行干擾，或通過該天線的接收旁瓣接收到來自相鄰衛星的信號造成對自身信號的干擾，首先應該保證其上行和下行指向相鄰衛星方向的信號落在天線方面圖的遠旁瓣上，而不宜落在主瓣和第一旁瓣上，否則由于天線方向圖增益衰落在主瓣和第一旁瓣區域不夠大（第一旁瓣指標通常要求比主軸增益低14dB以上，而14dB的衰落不足以隔離干擾）而容易形成有害的鄰星干擾。這樣，分析不同天線尺寸的天線方向圖特性就成了分析鄰星干擾程度的主要依據。

為了簡化鄰星干擾的分析，可以先假定相鄰的兩個衛星的覆蓋大部分重疊，信號強度相當，在此前提下，天線方向圖特性則可大致反應干擾隔離特性。

對于Ku頻段，上行頻率（14GHz）高于下行頻率（12GHz），上行天線方向圖的主瓣較下行要窄，所以從分析鄰星干擾的角度而言，下行為較差情況，選擇分析下行即可。

（m)主軸增益(dB)天線尺寸偏軸增益G(　) 0.5° 1° 1.5° 2° 2.5° 2.8° 3° 3.5° 4° 0.3 30.0 29.9 29.6 29.1 28.4 27.6 26.9 26.5 25.2 23.8 0.45 33.5 33.3 32.7 31.6 30.0 28.0 26.6 25.6 22.8 21.1 0.6 36.0 35.6 34.5 32.5 29.8 26.3 23.8 23.0 23.0 16.9 0.75 38.0 37.4 35.5 32.5 28.2 24.4 24.4 24.4 15.4 13.9 0.8 38.5 37.8 35.8 32.3 27.4 24.8 24.8 17.1 15.4 13.9 0.9 39.6 38.7 36.0 31.6 25.6 25.6 17.8 17.1 15.4 13.9 1 40.5 39.4 36.1 30.7 26.3 19.1 17.8 17.1 15.4 13.9 1.2 42.1 40.5 35.8 28.0 21.5 19.1 17.8 17.1 15.4 13.9 1.8 45.6 42.1 31.5 24.6 21.5 19.1 17.8 17.1 15.4 13.9

1.1 天線方向圖分析（下行）

由于動中通天線口徑一般比較小，波瓣寬度寬，很容易使得鄰星信號進入主瓣中，所以計算偏軸增益時需要同時計算主瓣內的偏軸增益、第一旁瓣增益、遠旁瓣增益。

計算主瓣內的偏軸增益和第一旁瓣增益通常采用無線電規則附錄8所列的如下公式：

當時：

計算遠旁瓣增益，可采用ITU建議S.465、S.580、或其他更切合實際的公式。本文采用中國通信標準化協會正在編寫的“Ku頻段移動中使用的車載衛星通信地球站通用技術要求”（送審稿）所規定的如下公式：

綜合使用上述兩組公式，取標準Ku頻段下行頻率段（12.25-12.75GHz）中心點12.5GHz，得出以下天線方向圖計算結果。

上表中，陰影中的數據表示遠旁瓣的增益值，鄰星方向在該范圍為宜。取0.3米、0.8米、1.8米為例，0～10度范圍的天線方向圖示意如下。

以上表和圖可以解讀為，對于0.3米天線，0-5.5度為主瓣區，5.5-8度為第一旁瓣區，8度以上為遠旁瓣區；對于0.8米天線，0-2度為主瓣區，2-3度為第一旁瓣區，3度以上為遠旁瓣區；對于1.8米天線，1-1.5度為第一旁瓣區，1.5度以上為遠旁瓣區。其他天線尺寸的分析雷同。

下表列出了我國目前可用于傳輸動中通業務的Ku頻段衛星及其鄰星覆蓋重疊情況。

表二：國內衛星Ku頻段衛星及其鄰星對照表

注：地面天線指向本星和鄰星方向的偏軸角與地球站地理位置有關，平均值約為：（軌道間隔-主用衛星軌道精度-鄰星軌道精度）×1.1

從上表可以看出，目前國內衛星具有同頻同覆蓋鄰星的為第三組、第四組、第五組，軌道間隔分別為2.8度、3.5度、4度，地面天線平均偏軸角為2.97度、3.74度、4.3度。對照這些角度值以及不同尺寸下的天線方向圖，可以看出，0.8米及以上天線在3度進入遠旁瓣區，基本可以滿足這些衛星的鄰星工作在遠旁瓣區。0.8米天線在3度處的增益衰落為38.5-17.1=21.4dB,滿足鄰星的信號隔離要求。而對于0.75米及以下天線，2.8度軌道間隔（2.97度偏軸角）的鄰星信號將會落入第一旁瓣甚至主瓣范圍內，將會對主用信號造成較大的影響。

由此可以看出，從鄰星干擾的角度來看，針對我國實際的Ku頻段鄰星覆蓋重疊情況，0.8米最小動中通天線口徑的限制是務實的、合理的。

表三：Ku頻段EIRP譜密度要求

1.2 偏軸EIRP譜密度分析（上行）

研究動中通的鄰星干擾問題，除了研究動中通受到的下行干擾外，還應該研究在上行發射方向是否滿足“辦法”中所列的如上偏軸EIRP譜密度條件。

具體研究方法，可以先通過鏈路計算得出動中通實際工作中的常規發射功率譜密度范圍，與天線方向圖相加后則得出偏軸EIRP譜密度。

仍然以0.8米做初始計算。中星10號和中星6A的鏈路計算結果表明，0.8米動中通發射大站接收時，發射功率譜密度在-50 dB（W/Hz）及以下。在鄰星位于遠旁瓣的條件下，遠旁瓣天線增益則為29-25 log。發射功率譜密度與偏軸增益相加后，得出偏軸EIRP譜密度為-21-25 logdB（W/Hz）即25-25logdB（W/40kHz），小于規定中33-25log的要求，說明從偏軸EIRP的角度來看，0.8米是可以滿足發射要求的。而且由于有一定余量（8dB），使用小于0.8米天線的動中通也是有可能的。

2）鏈路計算分析

在過去動中通的實際應用中，對于很小口徑的動中通，如0.3米、0.45米，主站發射/動中通接收的信號需要很強的衛星功率，因此存在嚴重的衛星占用功率超標，超出標準達7dB之多。盡管在技術上，動中通設備的功率超標問題可以通過采用擴頻技術解決，如采用較低的調制體制BPSK，或較低的FEC速率，如TURBO 1/2等，但是由于采用這類擴頻技術均以占用更多的衛星帶寬為代價，為了節省衛星租賃費用，動中通使用者仍然采用傳統的VSAT載波傳輸體制，典型如QPSK， TURBO 3/4。而且，在一些廣播性質的載波配置中，經常由于少數幾個小型動中通的接收需要，使得主站發出的大帶寬廣播載波總體提高發射功率，造成嚴重的衛星功帶不平衡的同時，使得主站功放發射功率大大增加，造成資源的浪費。主站的過高功率發射還同時造成對反極化轉發器上業務的干擾。

在這種情況下，從鏈路計算的角度，當仍然使用傳統的載波傳輸體制、且保證衛星功帶基本平衡時，采用多大口徑天線能夠正常接收信號，將是設定動中通最小口徑限制的另一個依據。

附件1為基于中星10號的鏈路計算結果，附件2 為基于中星-6A的鏈路計算結果。

對于主站發射小站接收的載波鏈路，通常會通過選擇轉發器特定增益檔將轉發器的飽和通量密度（SFD）設置到合理狀態，使得上行鏈路C/N比下行鏈路C/N足夠大（5dB以上），確保上行C/N對下行C/N不造成太多影響，這樣，下行C/N在系統鏈路C/N中將起到主要作用。在這種條件下，對整個系統的鏈路可以簡化為對下行鏈路進行主要計算，而上行鏈路、鄰星干擾、反極化干擾、互調等各種干擾對系統的影響作為綜合干擾進行統一計算，如此簡化鏈路計算主要是為了使計算過程與結果相對簡化、直觀。附件1和附件2中的“綜合干擾C/N”項則代表該綜合干擾。

附件1和附件2選取了目前中國衛通所屬衛星中主要用于傳輸動中通業務的兩個衛星“中星10號（110.5E）”和“中星-6A（125E）”。分別選取了我國境內五個方向的典型城市：北京、廣州、成都、烏魯木齊、拉薩，載波傳輸體制為QPSK、3/4FEC TUOBO，0.8米接收天線，下行可用度99.9%，衛星功帶平衡。

計算結果表明，當采用0.8米的動中通接收時，基于中星-10號，系統余量為2.25～4.67dB, 基于中星-6A，系統余量為3.11～5.46dB。 對于動中通一般業務而言，這樣的系統余量是合理的且必要的。

從該計算結果可以推斷出，當采用比0.8米更小的天線口徑動中通，且主站發射功率與衛星功率都保持不變時，接收信號的余量將相應下降甚至無法正常解調。這也是在實際應用中，小天線動中通通常為了確保其緊急業務的正常接收，主站發射功率不得不增加從而導致衛星功率超標的原因。

上述鏈路計算結果表明，采用0.8米動中通，將基本可以保證用戶堅持使用常規載波傳輸體制時鏈路的功帶平衡，這也是衛星帶寬有效利用和功率有效利用的平衡點和折中點。

上述鏈路計算基于中國衛通的兩個衛星。對比國內其他衛星，Ku頻段中國波束的覆蓋性能相差都不大，因此，對中星10號和中星6A的計算結果在國內應該具有代表性。

從實際應用的效果看，“辦法”出臺后，隨著用戶對“辦法”的逐漸遵守，甚小口徑動中通由于使用效果差亦逐步停用，功率超標問題也切實得到明顯改善。從轉發器運營的角度而言，制定0.8米的限制條件亦是必要的且行之有效的。

3.非拋物面天線0.6米最小口徑的限值分析

“非拋物面天線”泛指目前已研制成型的其他各種低輪廓天線形式，如采用相控陣技術的平板陣列天線等，其“電性能等效”首先應該是指其主軸增益值與拋物面天線相等。因此可以得出，從鏈路計算來看，具有等效口徑0.6米的非拋物面天線動中通在接收業務時，將需要比0.8米拋物面天線高2.5dB的衛星功率（此為主軸增益差），這樣將造成少量的衛星功率超標，或者較小的鏈路余量。

在其天線方向圖性能方面，天線廠商為了提高天線主軸增益，并抑制偏軸增益，通常達到的效果是，在天線方位方向的方向圖較好并滿足電聯要求，而在俯仰方向的方向圖較差，遠超出電聯要求。這樣，當動中通的位置經度與衛星經度接近時，天線方位方向即為同步軌道方向，隔離對鄰星的干擾效果與拋物面天線近似。而當其位置經度與衛星經度相差較多時，天線的方位方向偏離同步軌道，在同步軌道方向的天線方向圖特性為方位方向圖與俯仰方向圖的綜合，其結果比方位方向圖差。相應地，將容易形成鄰星干擾。對于這種天線的實際使用中，除了需要規定其所傳輸的業務、發射的功率等特性外，還需要規定所使用的區域，保證指向衛星時偏離正南或正北不會太多。

由此看以看出，盡管“辦法”中允許0.6米低輪廓動中通使用，但在衛星運營商實際衛星運行管理中，還需要結合衛星實際情況制定更加具體的使用條件。

4.結語

本文首先從鄰星干擾和鏈路計算的角度詳細分析了Ku頻段動中通 0.8米拋物面天線限制條件的技術合理性。從上述分析可以看出，通過對Ku 0.8米拋物面天線動中通的規定，將基本可以避免實際運行中受到鄰星干擾，并可基本保證鏈路穩定運行和轉發器的規范管理，因此可以說，從鄰星干擾和規范運行的角度，“辦法”中0.8米的天線口徑下限規定是合理的必要的，而且從

在0.8米拋物面天線分析結果的基礎上，本文對0.6米非拋物面天線進行了簡要分析。結果表明，盡管0.6米低輪廓天線允許使用，但系統余量較低，使用區域受到限制。

0.8米和0.6米的規定只是一個通用性要求。衛星運營商在實際業務管理中，還應在此基礎上，結合本衛星實際特性、鄰星覆蓋情況等制定更加具體的天線尺寸、發射功率、應用區域等應用條件，使得動中通的使用更加安全規范。

誠然，動中通天線口徑的限制對其靈活性和機動性必將造成一定影響，在一定程度上對應急通信的靈活性需求也造成一定影響，對目前已經形成的小口徑動中通研制技術的推廣也受到了限制。然而，任何一項新技術新業務的推廣應用，都應首先保證其合理性和規范性，遵守行業有關規則，如此才能夠健康長久發展。甚小口徑的動中通限制使用，是維護衛星通信秩序的有效措施，對維護我國整體無線電秩序是積極的、重要的。