Ku頻段“動(dòng)中通”天線口徑最小限值分析

+ 賈玉仙　中國衛(wèi)通集團(tuán)有限公司

Ku頻段“動(dòng)中通”天線口徑最小限值分析

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2013年工信部發(fā)布《衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)內(nèi)設(shè)置使用移動(dòng)平臺地球站管理暫行辦法》以來，Ku頻段動(dòng)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(yè)內(nèi)引起強(qiáng)烈反響和廣泛爭議。本文從鄰星干擾和鏈路計(jì)算兩個(gè)角度對該限制的必要性和合理性進(jìn)行了分析。

動(dòng)中通天線口徑限制條件鄰星干擾鏈路計(jì)算

1　引言

2013年工信部發(fā)布了《衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)通信網(wǎng)內(nèi)設(shè)置使用移動(dòng)平臺地球站管理暫行辦法》（以下簡稱“辦法”），其中，規(guī)定了包括 “動(dòng)中通”在內(nèi)的“車載、可搬移式或便攜式移動(dòng)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(shí)施以來，行業(yè)內(nèi)對該最小天線口徑限制條件有很多爭議。一些“動(dòng)中通”生產(chǎn)廠商認(rèn)為，該限制條件限制了“動(dòng)中通”的使用和發(fā)展，通過目前已經(jīng)成熟的擴(kuò)頻技術(shù)，完全可以解決動(dòng)中通在使用過程中的鄰星干擾問題和功率超標(biāo)問題。一些用戶也反映，最小天線口徑的規(guī)定，使得動(dòng)中通無法小型化，進(jìn)而使得動(dòng)中通的靈活性受到限制。

然而，“動(dòng)中通”以往的實(shí)際使用情況表明，當(dāng)采用如0.3米或0.45米等甚小口徑的動(dòng)中通時(shí)，為了節(jié)省衛(wèi)星租用帶寬，用戶基本都未采用擴(kuò)頻技術(shù)，結(jié)果造成實(shí)際的鄰星干擾和功率嚴(yán)重超標(biāo)，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的運(yùn)行管理及其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重的影響?！稗k法”出臺后，由于小天線“動(dòng)中通”的逐漸減少，這些不規(guī)范現(xiàn)象已逐漸得到改善。實(shí)際情況說明，對“動(dòng)中通”最小口徑進(jìn)行限制是必要的、有效的。

本文從鄰星干擾和鏈路計(jì)算兩個(gè)角度，對0.8米拋物面天線口徑限制條件的技術(shù)合理性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對0.6米低輪廓天線的口徑限制條件進(jìn)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(gè)地球站而言，為了避免其旁瓣信號發(fā)射到相鄰衛(wèi)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(wèi)星的信號造成對自身信號的干擾，首先應(yīng)該保證其上行和下行指向相鄰衛(wèi)星方向的信號落在天線方面圖的遠(yuǎn)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(qū)域不夠大（第一旁瓣指標(biāo)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(jù)。

為了簡化鄰星干擾的分析，可以先假定相鄰的兩個(gè)衛(wèi)星的覆蓋大部分重疊，信號強(qiáng)度相當(dāng)，在此前提下，天線方向圖特性則可大致反應(yīng)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(dòng)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(jìn)入主瓣中，所以計(jì)算偏軸增益時(shí)需要同時(shí)計(jì)算主瓣內(nèi)的偏軸增益、第一旁瓣增益、遠(yuǎn)旁瓣增益。

計(jì)算主瓣內(nèi)的偏軸增益和第一旁瓣增益通常采用無線電規(guī)則附錄8所列的如下公式：

當(dāng)時(shí)：

計(jì)算遠(yuǎn)旁瓣增益，可采用ITU建議S.465、S.580、或其他更切合實(shí)際的公式。本文采用中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)正在編寫的“Ku頻段移動(dòng)中使用的車載衛(wèi)星通信地球站通用技術(shù)要求”（送審稿）所規(guī)定的如下公式：

綜合使用上述兩組公式，取標(biāo)準(zhǔn)Ku頻段下行頻率段（12.25-12.75GHz）中心點(diǎn)12.5GHz，得出以下天線方向圖計(jì)算結(jié)果。

上表中，陰影中的數(shù)據(jù)表示遠(yuǎn)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(qū)，5.5-8度為第一旁瓣區(qū)，8度以上為遠(yuǎn)旁瓣區(qū)；對于0.8米天線，0-2度為主瓣區(qū)，2-3度為第一旁瓣區(qū)，3度以上為遠(yuǎn)旁瓣區(qū)；對于1.8米天線，1-1.5度為第一旁瓣區(qū)，1.5度以上為遠(yuǎn)旁瓣區(qū)。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(dòng)中通業(yè)務(wù)的Ku頻段衛(wèi)星及其鄰星覆蓋重疊情況。

表二：國內(nèi)衛(wèi)星Ku頻段衛(wèi)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(guān)，平均值約為：（軌道間隔-主用衛(wèi)星軌道精度-鄰星軌道精度）×1.1

從上表可以看出，目前國內(nèi)衛(wèi)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(jìn)入遠(yuǎn)旁瓣區(qū)，基本可以滿足這些衛(wèi)星的鄰星工作在遠(yuǎn)旁瓣區(qū)。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(huì)落入第一旁瓣甚至主瓣范圍內(nèi)，將會(huì)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(shí)際的Ku頻段鄰星覆蓋重疊情況，0.8米最小動(dòng)中通天線口徑的限制是務(wù)實(shí)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(dòng)中通的鄰星干擾問題，除了研究動(dòng)中通受到的下行干擾外，還應(yīng)該研究在上行發(fā)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(jì)算得出動(dòng)中通實(shí)際工作中的常規(guī)發(fā)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(jì)算。中星10號和中星6A的鏈路計(jì)算結(jié)果表明，0.8米動(dòng)中通發(fā)射大站接收時(shí)，發(fā)射功率譜密度在-50 dB（W/Hz）及以下。在鄰星位于遠(yuǎn)旁瓣的條件下，遠(yuǎn)旁瓣天線增益則為29-25 log。發(fā)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(guī)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(fā)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(dòng)中通也是有可能的。

2）鏈路計(jì)算分析

在過去動(dòng)中通的實(shí)際應(yīng)用中，對于很小口徑的動(dòng)中通，如0.3米、0.45米，主站發(fā)射/動(dòng)中通接收的信號需要很強(qiáng)的衛(wèi)星功率，因此存在嚴(yán)重的衛(wèi)星占用功率超標(biāo)，超出標(biāo)準(zhǔn)達(dá)7dB之多。盡管在技術(shù)上，動(dòng)中通設(shè)備的功率超標(biāo)問題可以通過采用擴(kuò)頻技術(shù)解決，如采用較低的調(diào)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(kuò)頻技術(shù)均以占用更多的衛(wèi)星帶寬為代價(jià)，為了節(jié)省衛(wèi)星租賃費(fèi)用，動(dòng)中通使用者仍然采用傳統(tǒng)的VSAT載波傳輸體制，典型如QPSK， TURBO 3/4。而且，在一些廣播性質(zhì)的載波配置中，經(jīng)常由于少數(shù)幾個(gè)小型動(dòng)中通的接收需要，使得主站發(fā)出的大帶寬廣播載波總體提高發(fā)射功率，造成嚴(yán)重的衛(wèi)星功帶不平衡的同時(shí)，使得主站功放發(fā)射功率大大增加，造成資源的浪費(fèi)。主站的過高功率發(fā)射還同時(shí)造成對反極化轉(zhuǎn)發(fā)器上業(yè)務(wù)的干擾。

在這種情況下，從鏈路計(jì)算的角度，當(dāng)仍然使用傳統(tǒng)的載波傳輸體制、且保證衛(wèi)星功帶基本平衡時(shí)，采用多大口徑天線能夠正常接收信號，將是設(shè)定動(dòng)中通最小口徑限制的另一個(gè)依據(jù)。

附件1為基于中星10號的鏈路計(jì)算結(jié)果，附件2 為基于中星-6A的鏈路計(jì)算結(jié)果。

對于主站發(fā)射小站接收的載波鏈路，通常會(huì)通過選擇轉(zhuǎn)發(fā)器特定增益檔將轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和通量密度（SFD）設(shè)置到合理狀態(tài)，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(tǒng)鏈路C/N中將起到主要作用。在這種條件下，對整個(gè)系統(tǒng)的鏈路可以簡化為對下行鏈路進(jìn)行主要計(jì)算，而上行鏈路、鄰星干擾、反極化干擾、互調(diào)等各種干擾對系統(tǒng)的影響作為綜合干擾進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，如此簡化鏈路計(jì)算主要是為了使計(jì)算過程與結(jié)果相對簡化、直觀。附件1和附件2中的“綜合干擾C/N”項(xiàng)則代表該綜合干擾。

附件1和附件2選取了目前中國衛(wèi)通所屬衛(wèi)星中主要用于傳輸動(dòng)中通業(yè)務(wù)的兩個(gè)衛(wèi)星“中星10號（110.5E）”和“中星-6A（125E）”。分別選取了我國境內(nèi)五個(gè)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(wèi)星功帶平衡。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)采用0.8米的動(dòng)中通接收時(shí)，基于中星-10號，系統(tǒng)余量為2.25～4.67dB, 基于中星-6A，系統(tǒng)余量為3.11～5.46dB。 對于動(dòng)中通一般業(yè)務(wù)而言，這樣的系統(tǒng)余量是合理的且必要的。

從該計(jì)算結(jié)果可以推斷出，當(dāng)采用比0.8米更小的天線口徑動(dòng)中通，且主站發(fā)射功率與衛(wèi)星功率都保持不變時(shí)，接收信號的余量將相應(yīng)下降甚至無法正常解調(diào)。這也是在實(shí)際應(yīng)用中，小天線動(dòng)中通通常為了確保其緊急業(yè)務(wù)的正常接收，主站發(fā)射功率不得不增加從而導(dǎo)致衛(wèi)星功率超標(biāo)的原因。

上述鏈路計(jì)算結(jié)果表明，采用0.8米動(dòng)中通，將基本可以保證用戶堅(jiān)持使用常規(guī)載波傳輸體制時(shí)鏈路的功帶平衡，這也是衛(wèi)星帶寬有效利用和功率有效利用的平衡點(diǎn)和折中點(diǎn)。

上述鏈路計(jì)算基于中國衛(wèi)通的兩個(gè)衛(wèi)星。對比國內(nèi)其他衛(wèi)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(jì)算結(jié)果在國內(nèi)應(yīng)該具有代表性。

從實(shí)際應(yīng)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(dòng)中通由于使用效果差亦逐步停用，功率超標(biāo)問題也切實(shí)得到明顯改善。從轉(zhuǎn)發(fā)器運(yùn)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(shù)的平板陣列天線等，其“電性能等效”首先應(yīng)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(jì)算來看，具有等效口徑0.6米的非拋物面天線動(dòng)中通在接收業(yè)務(wù)時(shí)，將需要比0.8米拋物面天線高2.5dB的衛(wèi)星功率（此為主軸增益差），這樣將造成少量的衛(wèi)星功率超標(biāo)，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(dá)到的效果是，在天線方位方向的方向圖較好并滿足電聯(lián)要求，而在俯仰方向的方向圖較差，遠(yuǎn)超出電聯(lián)要求。這樣，當(dāng)動(dòng)中通的位置經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度接近時(shí)，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(dāng)其位置經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度相差較多時(shí)，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(jié)果比方位方向圖差。相應(yīng)地，將容易形成鄰星干擾。對于這種天線的實(shí)際使用中，除了需要規(guī)定其所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)、發(fā)射的功率等特性外，還需要規(guī)定所使用的區(qū)域，保證指向衛(wèi)星時(shí)偏離正南或正北不會(huì)太多。

由此看以看出，盡管“辦法”中允許0.6米低輪廓?jiǎng)又型ㄊ褂?，但在衛(wèi)星運(yùn)營商實(shí)際衛(wèi)星運(yùn)行管理中，還需要結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際情況制定更加具體的使用條件。

4.結(jié)語

本文首先從鄰星干擾和鏈路計(jì)算的角度詳細(xì)分析了Ku頻段動(dòng)中通 0.8米拋物面天線限制條件的技術(shù)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(dòng)中通的規(guī)定，將基本可以避免實(shí)際運(yùn)行中受到鄰星干擾，并可基本保證鏈路穩(wěn)定運(yùn)行和轉(zhuǎn)發(fā)器的規(guī)范管理，因此可以說，從鄰星干擾和規(guī)范運(yùn)行的角度，“辦法”中0.8米的天線口徑下限規(guī)定是合理的必要的，而且從

在0.8米拋物面天線分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文對0.6米非拋物面天線進(jìn)行了簡要分析。結(jié)果表明，盡管0.6米低輪廓天線允許使用，但系統(tǒng)余量較低，使用區(qū)域受到限制。

0.8米和0.6米的規(guī)定只是一個(gè)通用性要求。衛(wèi)星運(yùn)營商在實(shí)際業(yè)務(wù)管理中，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本衛(wèi)星實(shí)際特性、鄰星覆蓋情況等制定更加具體的天線尺寸、發(fā)射功率、應(yīng)用區(qū)域等應(yīng)用條件，使得動(dòng)中通的使用更加安全規(guī)范。

誠然，動(dòng)中通天線口徑的限制對其靈活性和機(jī)動(dòng)性必將造成一定影響，在一定程度上對應(yīng)急通信的靈活性需求也造成一定影響，對目前已經(jīng)形成的小口徑動(dòng)中通研制技術(shù)的推廣也受到了限制。然而，任何一項(xiàng)新技術(shù)新業(yè)務(wù)的推廣應(yīng)用，都應(yīng)首先保證其合理性和規(guī)范性，遵守行業(yè)有關(guān)規(guī)則，如此才能夠健康長久發(fā)展。甚小口徑的動(dòng)中通限制使用，是維護(hù)衛(wèi)星通信秩序的有效措施，對維護(hù)我國整體無線電秩序是積極的、重要的。