卫星通信天线遮挡分析*

王志波

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

卫星通信天线主要用于同步卫星信号的接收与发射。卫星通信天线的主面辐射区域不得有遮挡，遮挡物会严重影响天线系统的增益[1]。故卫星通信天线一般选择建设在空旷的最高处，或者建设在城市的郊区。但是，随着城市的发展，待建场区周围树立着高大建筑物。此时，卫星通信天线的建设需要考虑高大建筑的遮挡问题；其次，场区建设多套卫星通信天线，天线之间的遮挡问题也需要进行考虑分析。

本文描述了卫星通信天线与高大建筑物之间的遮挡问题，卫通通信天线与天线之间的遮挡问题。卫星通信天线座架一般采用方位-俯仰形式[2]，天线反射器采用抛物面形式，其主辐射区域是绕着光轴的圆柱体[3]。根据卫星的经度，可以计算天线的方位角和俯仰角。然后，根据遮挡问题，分别建立了卫星通信天线与建筑物、卫星通信天线与卫星通信天线之间的分析计算模型，分析得出卫星通信天线与建筑物之间、卫星通信天线与天线之间不遮挡的安全间距。

1 卫星通信天线位置分析

卫星通信天线对准同步卫星时，卫星通信天线调整姿态，即调整到正确的方位角和俯仰角。卫星通信天线的方位角AZ和俯仰角EL可以通过下面的公式计算：

（卫星通信天线指向正北时，方位角为0°）

式中：ΦS是同步卫星经度；Φe是卫星通信天线经度；θ是卫星通信天线纬度[4]。

2 建筑物遮挡分析

卫星通信天线建设时，需要避开周围高大的建筑物。如果天线场区附近存在高大建筑物，需要核算高大建筑物是否处于卫星通信天线的主辐射区域内[5]。

2.1 遮挡计算

假设天线俯仰轴距地面h1 米，天线口径d 米，建筑物距天线s 米，高h2 米，如图1 所示。

图1 卫星通信天线与建筑物位置关系

根据以下公式计算天线不被遮挡的最小仰角β。

根据场区布局可知卫星通信天线此指向状态时的方位角，依据式（1）、（2）可计算得出卫星通信天线此时俯仰角EL，俯仰角EL大于β，则天线不被遮挡。

2.2 解决方案

如果计算得出卫星通信天线被遮挡，可考虑增大天线与建筑物的间距s。已知卫星通信天线在此指向状态下的俯仰角EL，天线与建筑物的间距可根据以下公式得出：

3 卫星通信天线遮挡分析

随着我国同步卫星不断发射成功，同步卫星信号频段的不同，需要配置不同频段的卫星通信天线。卫星通信地面站中单套卫星通信天线不能满足业务，场区需要布置不同频段或不同口径的卫星通信天线。场区的大小制约着天线的布局。为了在有限的场区布置更多的天线，天线之间的间距需要进行优化设计。

卫星通信天线的主波束d为直径不被遮挡天线遮挡，天线的光轴到遮挡天线的转动中心的最短距离应该大于，如图2 所示。

图2 卫星通信天线不被遮挡条件

3.1 遮挡计算

假设天线俯仰轴距地面h1 米，天线口径d 米，天线的电轴为OA。遮挡天线的转动轮廓直径D米，俯仰轴高h2 米，天线之间距离s 米，如图3 所示。

图3 卫星通信天线之间位置关系

根据天线与遮挡天线之间的空间关系，可知卫星通信天线的转轴为O点，在地面的投影为O´点；遮挡天线的转轴为B点，B点在地面的投影为B´，B点在天线光轴平面OAC的投影为C 点。建立平行于地面的OC´B´平面，B点和C点在OC´B´平面的投影分别为B´点和C´点。

根据以上分析可知，AB的长度为B点距离光轴OA的最短距离。

已知卫星通信天线指向卫星的经度，根据式（1）、（2）可计算出天线的方位角AZ和俯仰角EL，遮挡天线相对天线的方位角为BZ，α为天线光轴所在的铅垂面OAC与两天线所在铅垂面OBB´´的夹角，即为AZ与BZ的差值。

3.2 实例计算

卫星通信地面站经度114.48°，纬度38.03°。场区需要布置两套13 米口径的卫星通信天线，天线俯仰轴距地相等，天线之间距离40 米，遮挡天线相对卫星通信天线的方位角为120°，其转动轮廓尺寸为20 米。根据公式6 和7，可计算针对90°～190°间不同卫星时，天线与遮挡天线之间的最小距离，判断天线是否被遮挡天线遮挡。

表1 卫星通信天线遮挡计算数据

根据以上分析数据可知，天线在指向大于170度卫星时，卫星通信天线距遮挡天线的转轴中心的最小距离小于16.5 米，则会被遮挡天线遮挡；最小距离大于16.5 米，则不被遮挡。

4 结语

对卫星通信天线与建筑物的遮挡问题和卫星通信天线与遮挡天线的遮挡问题进行了分析，并对两个遮挡问题建立计算模型。根据卫星通信天线指向同步卫星的方位角和俯仰角，利用空间模型，分析推算天线与建筑物理论间距，推算了天线与遮挡天线最小间距公式。根据实际工程，计算天线与遮挡天线的最小间距，判断天线是否被遮挡，证明了推算的准确性，可用于指导卫星通信地面站的场区布局。