基于机载相控阵天线的卫星通信链路预算示例：（一）

前面我们在卫星通信链路预算完整合集（step by step完成卫星通信链路预算）中详细介绍了大波束、转发式卫星通信系统中，卫星通信链路预算的基本概念、链路预算的关键参数、链路预算的流程、以及G/T、EIRP的计算方法，还给出了地面天线仰角、频率和噪声温度的关系对应表格。

根据上面文章的内容，我们就可以一步步的完成卫星通信链路预算的全部过程了。

今天，我们利用一个具体的示例来详细说明一下卫星通信链路预算的具体步骤，同时在计算的时候，根据相控阵天线增益和离轴角关系的基本特点，对卫星通信链路预算的过程进行适应性的调整，完成基于相控阵天线的链路预算。

卫星通信系统组成

本次卫星通信链路预算的示例是1个无人机卫星通信系统。系统组成我们在无人机Ku相控阵卫星通信系统技术说明中有详细介绍。

 

无人机卫星通信系统由机载卫星通信终端、地面卫星通信站组成，其中机载卫星通信终端采用的相控阵天线，地面卫星通信站采用的是抛物面天线。

无人机通卫星通信系统完成反向链路（机载到地面）、前向链路（地面到机载）的双向数据传输。

首先我们计算：

• 机载相控阵卫星天线的参数：主要是G/T和EIRP

• 地面卫星通信站的参数：EIRP和G/T

机载相控阵天线参数

G/T

G/T 为相控阵接收天线的主要参数，在卫星接收天线G/T值怎么计算？附G/T计算excel表格链接和卫星接收天线G/T值计算的补充说明中详细介绍了G/T的计算方式。

相控阵天线的G/T中的 G 为无源天线增益，T 由天线噪声温度 Ta 和通道噪声温度 Tf 组成，而Tf 主要由接收通道上第一级 LNA 决定。

本次示例中采用的相控阵接收天线阵面，在水平放置情况下，仰角 90°，也就是离轴角（θ）=0°的情况下， G/T 为 7 .5dB/K。

如果在链路预算的时候，发现用一个相控阵接收天线阵面不能满足通信链路余量的要求，需要增加天线阵面的数量，那么可以根据下面的公式计算拼阵之后的G/T值。

假设单个相控阵天线阵面的G/T=7.5dB/K，那么N个阵面拼接之后，在理想情况下（假设合成网络无损耗，且各子阵接收的信号完全同相相干合成，噪声不相关），N 个相同的子阵面拼接后，总增益增加 10*log_{10}(N)dB，而系统噪声温度不变，因此G/T值也增加10*log_{10}(N) dB。

拼接的子阵数量	1	2	4	6	8
拼接之后G/T理论增加(dB)	0	3	6	7.8	9
拼接之后的G/T值(dB/K)	7.5	10.5	13.5	15.3	16.5

实际上，考虑到拼接过程中的损耗，实际增加值比理论值要小0.2dB~0.5dB。

EIRP

EIRP是相控阵发射天线的主要参数。在卫星通信链路预算之三：EIRP、G/T中我们介绍了抛物面天线发射EIRP的计算方式。

抛物面天线系统的组成结构是天线+功放BUC，其中天线增益是G，功放BUC的发射功率是P，功放和天线之间的波导损耗是Lf，那么天线的发射EIRP =G+P-Lf（dB表示）。如下图：

抛物面天线发射链路

而相控阵天线的结构跟抛物面天线完全不同。卫星通信之相控阵天线-极简版中我们介绍过相控阵天线的结构。

相控阵天线的内部结构

相控阵天线中，每个天线单元对应一个通道，每个通道中都有一个放大器LNA。相控阵天线的发射EIRP和每个天线单元的增益G、每个通道放大器的输出功率P和天线阵元个数N相关。

N个天线阵列、N个通道组成了一个天线阵面，该天线阵面在法线方向（离轴角为0°）的EIRP可以这样计算。 EIRP=(N∗P)⋅Garray

其中，G_{array} 是天线阵列在法线方向的总增益。对于理想、无损、同相激励的阵元组成的阵列，其最大方向上的阵列总增益G_{array}=N*G_{element}。

其中G_{element}是单个阵列的天线增益。

如果在链路预算的时候，发现用一个相控阵发射天线阵面不能满足通信链路余量的要求，需要增加天线阵面的数量，那么可以根据下面的公式计算拼阵之后的EIRP值。

当M个相控阵天线阵面拼接之后，理想情况下，拼接之后的天线的EIRP的增加值=20*log_{10}(M)

拼接的子阵数量	1	2	4	6	8
拼接之后EIRP理论增加(dB)	0	6	12	15.56	18.06
拼接之后的EIRP(dBW)	42	48	54	57.56	60.06

考虑到拼接过程中的损耗，实际增加值比理论值要小0.2dB~0.5dB。

离轴角下降的影响

在卫星通信之相控阵天线-极简版介绍过相控阵天线的增益随着离轴角的增大而降低，当离轴角等于60°的时候，天线增益降低大约4dB。因此在进行链路计算时，需要根据卫星位置，相控阵天线的位置，计算出相控阵天线针对卫星的指向角度（方位角、离轴角和极化角），然后根据离轴角估算G/T和EIRP的降低值。

在工程示例中，每个相控阵天线出厂之前都会在暗室中测试方向图，通过方向图的实测数据可以拟合出相控阵天线增益随着离轴角变化的曲线G(θ)。

一般情况下，我们把相控阵天线增益和离轴角之间的关系用二次曲线来拟合。下图是某Ku相控阵天线的增益随着离轴角变化的曲线图。图中横坐标是离轴角(°），纵坐标是天线增益(dB)

Ku相控阵天线增益和离轴角的关系曲线

从图中我们可以计算出：

离轴角θ(°)	0	15	30	45	60
天线增益下降值(dB)	0	0.5	1.5	2.5	4.5

卫星通信链路预算中，当我们计算出天线指向卫星的离轴角θ之后，根据拟合的曲线计算出该角度下的天线增益$G(θ)$，由此得到离轴角引起的增益下降值为：

G_{var}=G(θ)-G(0°)

然后计算得到相控阵天线实际的G/T和EIRP分别是： EIRPreal=EIRP(0°)−Gvar

G/Treal=G/T(0°)−Gvar

注：上述计算假设在扫描过程中，接收系统的噪声温度T和发射系统的等效射频功率保持不变，仅天线增益发生变化。这是一个在工程上普遍采用的简化模型。

机载终端G/T和EIRP计算实例

假定在某卫星通信预算示例中，机载相控阵天线采用2个发射天线，2个接收天线面，其中单个发射面的法向EIRP=42dBW，单个接收面的法向G/T=7.5dB/K，根据上面的计算公式，机载相控阵天线的

• 法向EIRP=42+6=48dBW

• 法向G/T=7.5+3=10.5dB/K。

下一步就是计算出相控阵天线的指向角，根据指向角中的离轴角拟合出增益降低值G_{var}，最后用法向的EIRP减去G_{var}，法向的G/T减去G_{var}，得到实际的EIRP和G/T，并在后续卫通链路预算中使用。

地面站参数

地面站采用2.4m车载静中通天线，功放BUC的发射功率是25W。按照天线增益的计算公式和EIRP的计算公式，可以计算出地面站的G/T和EIRP分别是：

• 天线增益G： 发射增益=48.5dBi@14.25GHz，接收增益=47.1dBi@12.5GHz;

• EIRP=48.5+10*log10（25）=62.48dBW

• G/T=27.4dB/K

总结

本章介绍了:

• 无人机卫星通信系统的组成，它由机载相控阵天线终端和地面抛物面天线站构成，可实现双向数据传输。

• 机载相控阵天线的关键参数G/T和EIRP的计算方法，包括单个阵面及多个阵面拼接后的计算

• 考虑了离轴角对天线增益、G/T和EIRP的影响，并给出了计算实例。

• 地面站的天线增益、EIRP和G/T等参数。

这些参数将作为后续卫星通信链路预算的基础。

以后的章节中，我们将：

• 选择某个卫星，获得卫星的坐标，SFD、EIRP、输入回退，输出回退，带宽等参数

• 根据卫星位置、机载天线的位置，计算相控阵天线的指向角；

• 根据离轴角计算相控阵天线增益的降低值，并计算出天线实际的G/T和EIRP；

• 上行链路预算、下行链路预算、总链路预算。