【導(dǎo)讀】為什么衛(wèi)星離地面這么遠(yuǎn)，卻很少采用低頻通信？為什么大多數(shù)衛(wèi)星的通信頻率高達(dá)5GHz~40GHz卻可以傳輸3.6萬(wàn)公里的超遠(yuǎn)距離？要解開這個(gè)疑問(wèn)，我們需要了解以下5個(gè)方面的知識(shí)。
學(xué)生時(shí)代，物理老師講過(guò)這幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：
1、FM調(diào)頻廣播的頻率是88~108MHz，覆蓋范圍從幾百公里到幾千公里；
2、無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻率是400MHz~3GHz，覆蓋范圍從幾公里到幾十公里；
3、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的通信頻率是2.4~2.5GHz和5.2~5.8GHz，覆蓋范圍從幾米到幾百米；
4、衛(wèi)星的通信頻率通常是5GHz~40GHz[1]，通信距離為3.6萬(wàn)公里。
從前三條知識(shí)點(diǎn)可知，電磁波頻率越低，在空氣中自由傳播的距離就越遠(yuǎn)。
那為什么衛(wèi)星離地面這么遠(yuǎn)，卻很少采用低頻通信？為什么大多數(shù)衛(wèi)星的通信頻率高達(dá)5GHz~40GHz卻可以傳輸3.6萬(wàn)公里的超遠(yuǎn)距離？
要解開這個(gè)疑問(wèn)，我們需要了解以下5個(gè)方面的知識(shí)。
01電離層
電離層是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域，其中存在很多自由電子和離子，能使無(wú)線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，產(chǎn)生極化面的旋轉(zhuǎn)并受到不同程度的吸收。
如上圖所示，長(zhǎng)波、中波被電離層直接吸收，只能通過(guò)地面波傳播；短波被電離層反射，只能在電離層以下的大氣內(nèi)部傳播；微波則不受電離層影響，可以直接穿透電離層。
因此，衛(wèi)星通信必須采用微波頻段以上頻率的信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)星地通信。
02電磁波的自由空間衰減
電磁波在穿透任何介質(zhì)時(shí)都會(huì)有損耗，所以電磁波在大氣中傳播的時(shí)候一樣存在損耗。
電磁波在大氣自由空間中的傳輸損耗和電磁波的頻率及傳輸距離成正比，頻率越高，空間損耗越大。
如果理解沒(méi)有錯(cuò)誤，那么衛(wèi)星為什么還要采用5GHz以上的頻率通信呢？來(lái)看第三個(gè)知識(shí)點(diǎn)。
03無(wú)線通信接收功率鏈路計(jì)算
一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)，組成包括：發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、傳播介質(zhì)、接收天線、接收機(jī)。其中，接收機(jī)最終能夠收到多少有用信號(hào)就取決于前四個(gè)組成部分。
無(wú)線通信接收功率的鏈路計(jì)算公式：
根據(jù)計(jì)算公式可知，只要將天線增益提高，就有可能彌補(bǔ)自由空間的損耗。
但是，這又將如何實(shí)現(xiàn)？
04高增益天線
關(guān)于天線的知識(shí)，這里不做過(guò)多說(shuō)明，我們把注意力集中在如何提高天線增益上。
我們都知道，廣播電視是一對(duì)多通信，天線通常都建在高山或高樓上，目的是為了覆蓋更多的用戶。廣播電視使用的天線都是全向天線，它們向四面八方發(fā)射電磁波，電磁波分散得越廣，能量消耗越快。
那么，如果將這些四散的電磁波集中起來(lái)，向一個(gè)方向發(fā)射呢？如果能夠讓天線只向一個(gè)方向發(fā)射，那么天線增益將獲得極大的提升。這便是定向高增益天線的由來(lái)。
下面介紹一種經(jīng)典的定向高增益天線，卡塞格倫天線，也叫拋物面天線：
它的增益計(jì)算公式是：
由此可以得出結(jié)論：同等尺寸的拋物面天線，當(dāng)工作頻率增加一倍時(shí)，天線增益將大幅提升！
05高頻率、大帶寬、高速率
隨著時(shí)代的發(fā)展，我們需要傳輸?shù)男畔⒘吭絹?lái)越大，對(duì)通信速率的要求也越來(lái)越高。那么如何提高傳輸速率呢？
香農(nóng)（Shannon）給了我們答案：提高通信帶寬就可以提高信息傳輸速率。
大帶寬可以攜帶更多信息。
在地球上，5G以下的無(wú)線電頻段已被各種通信設(shè)備占據(jù)，沒(méi)辦法給衛(wèi)星通信提供完整的大帶寬，而5G以上還有相對(duì)完整的頻譜資源，所以，衛(wèi)星通信選擇5GHz以上的工作頻率也是為了方便數(shù)據(jù)傳輸。
因此，衛(wèi)星之所以采用5GHz以上的工作頻率，總結(jié)為以下幾個(gè)原因：
1、可以順利穿過(guò)電離層，不會(huì)被反射或吸收；
2、高頻傳輸在高增益天線的支持下，并不會(huì)帶來(lái)太大的功率損耗；
3、高頻意味著大帶寬，根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越大，信息傳輸速率越高，更夠滿足更復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求；
4、5GHz以上還有相對(duì)完整的頻譜資源，不容易被干擾。
[1]：為了滿足某些便攜性方面的需求，有些衛(wèi)星使用更低的通信頻率。例如：海事衛(wèi)星通信頻率為1GHz左右，天通衛(wèi)星通信頻率為2GHz左右。由于通信頻率的限制，它們只能夠提供低速話音、數(shù)據(jù)服務(wù)。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所 微波射頻網(wǎng)
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