Ku频段“动中通”天线口径最小限值分析

+ 贾玉仙　中国卫通集团有限公司

Ku频段“动中通”天线口径最小限值分析

+ 贾玉仙中国卫通集团有限公司

2013年工信部发布《卫星固定业务通信网内设置使用移动平台地球站管理暂行办法》以来，Ku频段动中通抛物面天线最小天线口径0.8米（非抛物面天线等效口径0.6米）的限制条件在业内引起强烈反响和广泛争议。本文从邻星干扰和链路计算两个角度对该限制的必要性和合理性进行了分析。

动中通天线口径限制条件邻星干扰链路计算

1　引言

2013年工信部发布了《卫星固定业务通信网内设置使用移动平台地球站管理暂行办法》（以下简称“办法”），其中，规定了包括 “动中通”在内的“车载、可搬移式或便携式移动平台地球站所使用的抛物面天线口径不得小于0.8米（非抛物面天线的电性能等效口径不得小于0.6米）”。“办法”实施以来，行业内对该最小天线口径限制条件有很多争议。一些“动中通”生产厂商认为，该限制条件限制了“动中通”的使用和发展，通过目前已经成熟的扩频技术，完全可以解决动中通在使用过程中的邻星干扰问题和功率超标问题。一些用户也反映，最小天线口径的规定，使得动中通无法小型化，进而使得动中通的灵活性受到限制。

然而，“动中通”以往的实际使用情况表明，当采用如0.3米或0.45米等甚小口径的动中通时，为了节省卫星租用带宽，用户基本都未采用扩频技术，结果造成实际的邻星干扰和功率严重超标，对卫星转发器的运行管理及其他相关网络造成严重的影响。“办法”出台后，由于小天线“动中通”的逐渐减少，这些不规范现象已逐渐得到改善。实际情况说明，对“动中通”最小口径进行限制是必要的、有效的。

本文从邻星干扰和链路计算两个角度，对0.8米抛物面天线口径限制条件的技术合理性进行分析，并在此基础上对0.6米低轮廓天线的口径限制条件进行简要地分析。

2.抛物线天线0.8米最小口径的限值分析

1）邻星干扰分析

对于任何一个地球站而言，为了避免其旁瓣信号发射到相邻卫星以造成对邻星的上行干扰，或通过该天线的接收旁瓣接收到来自相邻卫星的信号造成对自身信号的干扰，首先应该保证其上行和下行指向相邻卫星方向的信号落在天线方面图的远旁瓣上，而不宜落在主瓣和第一旁瓣上，否则由于天线方向图增益衰落在主瓣和第一旁瓣区域不够大（第一旁瓣指标通常要求比主轴增益低14dB以上，而14dB的衰落不足以隔离干扰）而容易形成有害的邻星干扰。这样，分析不同天线尺寸的天线方向图特性就成了分析邻星干扰程度的主要依据。

为了简化邻星干扰的分析，可以先假定相邻的两个卫星的覆盖大部分重叠，信号强度相当，在此前提下，天线方向图特性则可大致反应干扰隔离特性。

对于Ku频段，上行频率（14GHz）高于下行频率（12GHz），上行天线方向图的主瓣较下行要窄，所以从分析邻星干扰的角度而言，下行为较差情况，选择分析下行即可。

（m)主轴增益(dB)天线尺寸偏轴增益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 天线方向图分析（下行）

由于动中通天线口径一般比较小，波瓣宽度宽，很容易使得邻星信号进入主瓣中，所以计算偏轴增益时需要同时计算主瓣内的偏轴增益、第一旁瓣增益、远旁瓣增益。

计算主瓣内的偏轴增益和第一旁瓣增益通常采用无线电规则附录8所列的如下公式：

当时：

计算远旁瓣增益，可采用ITU建议S.465、S.580、或其他更切合实际的公式。本文采用中国通信标准化协会正在编写的“Ku频段移动中使用的车载卫星通信地球站通用技术要求”（送审稿）所规定的如下公式：

综合使用上述两组公式，取标准Ku频段下行频率段（12.25-12.75GHz）中心点12.5GHz，得出以下天线方向图计算结果。

上表中，阴影中的数据表示远旁瓣的增益值，邻星方向在该范围为宜。取0.3米、0.8米、1.8米为例，0～10度范围的天线方向图示意如下。

以上表和图可以解读为，对于0.3米天线，0-5.5度为主瓣区，5.5-8度为第一旁瓣区，8度以上为远旁瓣区；对于0.8米天线，0-2度为主瓣区，2-3度为第一旁瓣区，3度以上为远旁瓣区；对于1.8米天线，1-1.5度为第一旁瓣区，1.5度以上为远旁瓣区。其他天线尺寸的分析雷同。

下表列出了我国目前可用于传输动中通业务的Ku频段卫星及其邻星覆盖重叠情况。

表二：国内卫星Ku频段卫星及其邻星对照表

注：地面天线指向本星和邻星方向的偏轴角与地球站地理位置有关，平均值约为：（轨道间隔-主用卫星轨道精度-邻星轨道精度）×1.1

从上表可以看出，目前国内卫星具有同频同覆盖邻星的为第三组、第四组、第五组，轨道间隔分别为2.8度、3.5度、4度，地面天线平均偏轴角为2.97度、3.74度、4.3度。对照这些角度值以及不同尺寸下的天线方向图，可以看出，0.8米及以上天线在3度进入远旁瓣区，基本可以满足这些卫星的邻星工作在远旁瓣区。0.8米天线在3度处的增益衰落为38.5-17.1=21.4dB,满足邻星的信号隔离要求。而对于0.75米及以下天线，2.8度轨道间隔（2.97度偏轴角）的邻星信号将会落入第一旁瓣甚至主瓣范围内，将会对主用信号造成较大的影响。

由此可以看出，从邻星干扰的角度来看，针对我国实际的Ku频段邻星覆盖重叠情况，0.8米最小动中通天线口径的限制是务实的、合理的。

表三：Ku频段EIRP谱密度要求

1.2 偏轴EIRP谱密度分析（上行）

研究动中通的邻星干扰问题，除了研究动中通受到的下行干扰外，还应该研究在上行发射方向是否满足“办法”中所列的如上偏轴EIRP谱密度条件。

具体研究方法，可以先通过链路计算得出动中通实际工作中的常规发射功率谱密度范围，与天线方向图相加后则得出偏轴EIRP谱密度。

仍然以0.8米做初始计算。中星10号和中星6A的链路计算结果表明，0.8米动中通发射大站接收时，发射功率谱密度在-50 dB（W/Hz）及以下。在邻星位于远旁瓣的条件下，远旁瓣天线增益则为29-25 log。发射功率谱密度与偏轴增益相加后，得出偏轴EIRP谱密度为-21-25 logdB（W/Hz）即25-25logdB（W/40kHz），小于规定中33-25log的要求，说明从偏轴EIRP的角度来看，0.8米是可以满足发射要求的。而且由于有一定余量（8dB），使用小于0.8米天线的动中通也是有可能的。

2）链路计算分析

在过去动中通的实际应用中，对于很小口径的动中通，如0.3米、0.45米，主站发射/动中通接收的信号需要很强的卫星功率，因此存在严重的卫星占用功率超标，超出标准达7dB之多。尽管在技术上，动中通设备的功率超标问题可以通过采用扩频技术解决，如采用较低的调制体制BPSK，或较低的FEC速率，如TURBO 1/2等，但是由于采用这类扩频技术均以占用更多的卫星带宽为代价，为了节省卫星租赁费用，动中通使用者仍然采用传统的VSAT载波传输体制，典型如QPSK， TURBO 3/4。而且，在一些广播性质的载波配置中，经常由于少数几个小型动中通的接收需要，使得主站发出的大带宽广播载波总体提高发射功率，造成严重的卫星功带不平衡的同时，使得主站功放发射功率大大增加，造成资源的浪费。主站的过高功率发射还同时造成对反极化转发器上业务的干扰。

在这种情况下，从链路计算的角度，当仍然使用传统的载波传输体制、且保证卫星功带基本平衡时，采用多大口径天线能够正常接收信号，将是设定动中通最小口径限制的另一个依据。

附件1为基于中星10号的链路计算结果，附件2 为基于中星-6A的链路计算结果。

对于主站发射小站接收的载波链路，通常会通过选择转发器特定增益档将转发器的饱和通量密度（SFD）设置到合理状态，使得上行链路C/N比下行链路C/N足够大（5dB以上），确保上行C/N对下行C/N不造成太多影响，这样，下行C/N在系统链路C/N中将起到主要作用。在这种条件下，对整个系统的链路可以简化为对下行链路进行主要计算，而上行链路、邻星干扰、反极化干扰、互调等各种干扰对系统的影响作为综合干扰进行统一计算，如此简化链路计算主要是为了使计算过程与结果相对简化、直观。附件1和附件2中的“综合干扰C/N”项则代表该综合干扰。

附件1和附件2选取了目前中国卫通所属卫星中主要用于传输动中通业务的两个卫星“中星10号（110.5E）”和“中星-6A（125E）”。分别选取了我国境内五个方向的典型城市：北京、广州、成都、乌鲁木齐、拉萨，载波传输体制为QPSK、3/4FEC TUOBO，0.8米接收天线，下行可用度99.9%，卫星功带平衡。

计算结果表明，当采用0.8米的动中通接收时，基于中星-10号，系统余量为2.25～4.67dB, 基于中星-6A，系统余量为3.11～5.46dB。 对于动中通一般业务而言，这样的系统余量是合理的且必要的。

从该计算结果可以推断出，当采用比0.8米更小的天线口径动中通，且主站发射功率与卫星功率都保持不变时，接收信号的余量将相应下降甚至无法正常解调。这也是在实际应用中，小天线动中通通常为了确保其紧急业务的正常接收，主站发射功率不得不增加从而导致卫星功率超标的原因。

上述链路计算结果表明，采用0.8米动中通，将基本可以保证用户坚持使用常规载波传输体制时链路的功带平衡，这也是卫星带宽有效利用和功率有效利用的平衡点和折中点。

上述链路计算基于中国卫通的两个卫星。对比国内其他卫星，Ku频段中国波束的覆盖性能相差都不大，因此，对中星10号和中星6A的计算结果在国内应该具有代表性。

从实际应用的效果看，“办法”出台后，随着用户对“办法”的逐渐遵守，甚小口径动中通由于使用效果差亦逐步停用，功率超标问题也切实得到明显改善。从转发器运营的角度而言，制定0.8米的限制条件亦是必要的且行之有效的。

3.非抛物面天线0.6米最小口径的限值分析

“非抛物面天线”泛指目前已研制成型的其他各种低轮廓天线形式，如采用相控阵技术的平板阵列天线等，其“电性能等效”首先应该是指其主轴增益值与抛物面天线相等。因此可以得出，从链路计算来看，具有等效口径0.6米的非抛物面天线动中通在接收业务时，将需要比0.8米抛物面天线高2.5dB的卫星功率（此为主轴增益差），这样将造成少量的卫星功率超标，或者较小的链路余量。

在其天线方向图性能方面，天线厂商为了提高天线主轴增益，并抑制偏轴增益，通常达到的效果是，在天线方位方向的方向图较好并满足电联要求，而在俯仰方向的方向图较差，远超出电联要求。这样，当动中通的位置经度与卫星经度接近时，天线方位方向即为同步轨道方向，隔离对邻星的干扰效果与抛物面天线近似。而当其位置经度与卫星经度相差较多时，天线的方位方向偏离同步轨道，在同步轨道方向的天线方向图特性为方位方向图与俯仰方向图的综合，其结果比方位方向图差。相应地，将容易形成邻星干扰。对于这种天线的实际使用中，除了需要规定其所传输的业务、发射的功率等特性外，还需要规定所使用的区域，保证指向卫星时偏离正南或正北不会太多。

由此看以看出，尽管“办法”中允许0.6米低轮廓动中通使用，但在卫星运营商实际卫星运行管理中，还需要结合卫星实际情况制定更加具体的使用条件。

4.结语

本文首先从邻星干扰和链路计算的角度详细分析了Ku频段动中通 0.8米抛物面天线限制条件的技术合理性。从上述分析可以看出，通过对Ku 0.8米抛物面天线动中通的规定，将基本可以避免实际运行中受到邻星干扰，并可基本保证链路稳定运行和转发器的规范管理，因此可以说，从邻星干扰和规范运行的角度，“办法”中0.8米的天线口径下限规定是合理的必要的，而且从

在0.8米抛物面天线分析结果的基础上，本文对0.6米非抛物面天线进行了简要分析。结果表明，尽管0.6米低轮廓天线允许使用，但系统余量较低，使用区域受到限制。

0.8米和0.6米的规定只是一个通用性要求。卫星运营商在实际业务管理中，还应在此基础上，结合本卫星实际特性、邻星覆盖情况等制定更加具体的天线尺寸、发射功率、应用区域等应用条件，使得动中通的使用更加安全规范。

诚然，动中通天线口径的限制对其灵活性和机动性必将造成一定影响，在一定程度上对应急通信的灵活性需求也造成一定影响，对目前已经形成的小口径动中通研制技术的推广也受到了限制。然而，任何一项新技术新业务的推广应用，都应首先保证其合理性和规范性，遵守行业有关规则，如此才能够健康长久发展。甚小口径的动中通限制使用，是维护卫星通信秩序的有效措施，对维护我国整体无线电秩序是积极的、重要的。