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卫星地面站上行功率简便计算

2011-08-15  jeffreyang

刘军
新建卫星地面站前的其中一项重要工作就是对卫星链路进行预算,以便确定天线尺寸及功放大小。同样现有地面站由于业务需要,如需再上行一路或几路载波,这时也需要计算一下现有功放容量够不够,用不用更换天线或功放。此时一般情况下用户会同卫星公司联系,请其提供链路预算表,以便获取相应数据。其实很多情况下用户只需同卫星公司要几个参数,自己简单计算即可准确知道结果,同卫星公司提供的链路预算基本没有差别。又迅速、又准确、无需烦劳他人,何乐不为。
以下将推导出有关计算公式、总结出计算方法,并对实际可能出现的多种情况进行简便计算推导,供大家参考。

1 准备知识
1.1 卫星参数
假设卫星轨位为120°E,有同极化1A和12A两个转发器,带宽都是36MHz,带线性化器。有关参数见表1-1、表1-2。
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表1-1 1A 转发器 上/下行频率:5945/3720 MHz

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表1-2 12A 转发器 上/下行频率:6395/4170 MHz

1.2 理论依据——发散损耗
如右图所示。当一个全向天线向各个方向发射电磁波时,发射功率为P(W)。电磁波将以一个球面波的形式向四面八方传播,距离其为d(m)足够远地方的功率通量密度W为:
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此时如把W看做为卫星转发器的饱和通量密度SFD,P则为地面站的有效全向辐射功率EIRPE,d则为地面站至卫星的距离。
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由上可见,发散损耗是一个仅与距离(发射站至卫星)有关的量,而与频率等无任何关系。
以北京、漠河、三亚为例,分别对146°E、115.5°E及76.5°E卫星,经计算距离d及发散损耗分别为表1-3所示:
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表1-3 北京、漠河、三亚分别对146°E、115.5°E及76.5°E卫星的距离d及发散损耗

由表1-3可见,各地对不同轨位的卫星其发散损耗相差不大,基本为一常量,取平均值:
[EIRPE]-[SFD]≈162.62 dB.m2(1.4)
[EIRPE]=162.62 dB.m2+[SFD](1.5)
亦即 [EIRPE]=81.31dBW 对应 [SFD]=81.31dBW/m2
如 [EIRPE]=71.31dBW 对应 [SFD]=91.31dBW/m2
注:此SFD值对应的是卫星转发器饱和状态下的SFD值。但实际情况是,卫星如工作在多载波情况下,转发器处于一定回退状态,每个载波对应的SFD值就会变小,因此具体表述此SFD值为:
[SFDxx]=[相应衰减档位下的某地饱和SFD值]-[转发器输入回退值]-[载波回退值] (1.6)
例如,一个36MHz带宽、带线性化器的转发器,衰减档为10dB。衰减档为0dB时,对应北京的饱和SFD为-100dBW/m2 ,如某载波占用转发器18MHz带宽,相应SFD为:
[SFD18M]=[SFD+转发器衰减]-[多载波工作下的转发器输入回退值]-[载波回退值]
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(多载波工作转发器输入回退值请参考附表4-2)
如某载波占用整个转发器36MHz带宽,则:
SFD36M= -100+10= -90dBW/m2 (转发器不需要回退,载波也不需要回退)

1.3 发射站功放及天线大小
综上,总结出一个准确但又非常简便的推算地面站有效全向辐射功率EIRPE的方法,基本上只需知道一个SFD值及载波的分配带宽即可。
经推算出的EIRPE值,误差应在≤0.5dB的范围内。但以上只是一个理论值,实际计算中,还要考虑到天线指向误差及雨雪等衰耗。对于C-BAND,一般综合考虑发射站的EIRPE值再加上1dB;Ku-BAND,一般加上天线指向误差0.5dB,雨衰则需根据ITU-R P.618-10推荐的有关内容,具体计算雨衰值。
故式(1.5)修正为:
[地面站EIRPE]=162.62 dB.m2+[SFD]+[天线指向误差损耗]+[雨衰] (1.7)
已知地面站EIRPE值,此时再反推天线口径大小及功放大小已很容易。
[地面站EIRPE]=[功放应发功率P]-[波导馈源损耗]+[天线增益] (1.8)
实际选配功放时还要留取一定余量,即根据载波多少要加一些回退,见表4-1。即功放不能实际发射30W就选30W的功放,还要大些,故选配的功放应为:
[功放最大输出功率PMAX ]=[功放应发功率P]+[功放余量] (1.9)
即 [功放最大输出功率PMAX ]=[地面站EIRPE]-[天线增益]+[波导馈源损耗]+[功放余量] (1.10)
整个链路的示意图请参考下图。有关波导馈源损耗见附表4-6。安装于天线下方的SSPA,其波导及馈源插入损耗一般考虑1dB即可。根据式(1.10)再综合参考表4-1、表4-3、表4-4即可算出天线口径大小及所选的功放大小。
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1.4 地面站配置原则
A、天线尽量选配口径大些
这主要是考虑天线施工比购买功放更麻烦,故应尽量一步到位。否则如日后业务发展,需增加上行能力,但功放已经配置很高,此时只能考虑更换天线,将会非常麻烦,不能很快完成。不如初期配置天线大些,届时更换功放更易快速实现。
另外由于卫星间隔越来越小,邻星干扰将会越来越严重,卫星公司对地面站天线口径的限制将会越来越多。天线越大,波束越窄,抗邻星干扰能力也越强,同时对有限制使用的卫星及有的转发器,适应能力也更强、选择性也更广。
B、配置要合理
虽然天线尽量配置要大些,但要合理。如地面站EIRPE为61dBW,建议采用6.2m天线+大于16W的功放,配置显然就不太合理——天线过大了,功放太小,成本过高。
C、要考虑当前常用设备的最大能力
表4-5所示为当前常用的天线最大口径及常用功放的最大功率。如建议采用1000W的SSPA、3000W的TWTA或4000W的KPA就显然有些背离常规。

2 实际计算——新建站
【例2.1】转发器工作在多载波方式,使用1A转发器,北京上行,发射9MHz带宽载波,计算所需天线及功放。
解:步骤1:根据式(1.6)计算SFD
查表4-2,多载波工作,转发器输入回退值为:6dB,
发射9MHz载波,载波回退值为:
对应北京的饱和SFD为:-92.06 dBW/m2,故9MHz载波到达卫星时的通量密度应为:
SFD9M=-92.06-6-6=-104.06 dBW/m2
步骤2:根据式(1.7)计算EIRPE。
考虑额外的1dB天线指向及降雨损耗。
[EIRPE]=162.62+[SFD]+1=162.62-104.06+1=59.56 dBW
步骤3:合理选配天线尺寸及功放大小
考虑采用固态功放SSPA直接放于天线下面,波导馈源衰减1dB;只发射一个载波,则功放再多留1dB余量。
查表4-3,如选择2.4米天线,增益为41.27dB,根据式(1.10)计算:
功放最大输出功率=59.56-41.27+1+1=20.29 dBW
即配置107W的功放——不够合理。如选择3.7米天线+至少45W的功放较为合理。当然这也要看用户场地是否有限制,及综合成本。

【例2.2】 转发器工作在单载波方式,使用1A转发器,成都上行,发射36MHz带宽载波,计算所需天线及功放。
解: 单个载波整转发器使用,转发器输入无需回退,且载波也无需回退
故36MHz载波到达卫星时的通量密度仍为:-92.5 dBw/m2
[EIRPE]=162.62+[SFD]+1=162.62-92.5+1=71.12dBW
再考虑波导馈源衰减1dB、功放余量1dB,查表4-3、4-4,如采用SSPA,则需5米天线+至少353W功放;或6.2米天线+至少230W功放。

3 实际计算——已建站
已建站如增加一路或多路载波,一般是估算现有功放容量够不够,相对计算较为简单,主要是把握好功放回退,可能出现以下几种情形:
前提条件: SSPA功放200W,北京上行,在1A转发器已发射一路3MHz带宽载波,用了37dBm。
200W, 即10lg200=23dBW,即10lg(200×1000)=53dBm
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(注意:要换算成真值W后再计算)
(1) 原载波增加带宽
——无需考虑功放多载波回退,只需考虑1个载波情况下的功放回退即可。
【例3.1】 带宽3MHz的载波如扩到18MHz,是否需要更换功放?
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23dBW-14.77dBW=8.23dBW
8.23dBW>1dB功放回退 ,故不需要更换功放。
(为什么不等于8.23dBW?留予读者考虑)

(2) 原载波增加带宽至整转发器使用
【例3.2】 带宽3MHz的载波如扩到36MHz,至少需多大功放?
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由于原载波仅为3MHz,1A转发器肯定要安排多个载波,故卫星公司标定其上行功率时,要考虑转发器在多载波情况下的回退,即输入回退6dB,也就是说即使有多个载波将此转发器占满,此转发器输入仍处于回退6dB状态。只有在此转发器仅安排一个36MHz载波的情况下才不考虑6dB回退(即使2个载波也要回退6dB)。
故17.78dBW+6dB=23.78dBW,考虑到功放回退1dB,所需功放为24.78dBW,
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(3) 原载波增加带宽后改发至12A转发器
【例3.3】 带宽3MHz的载波如扩到18MHz,是否需要更换功放?
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由于12A和1A转发器相应的衰减档设置不同,12A比1A更为不灵敏,对应于北京的SFD相差为:-86.71-(-92.06)=5.35dB,即发到12A转发器要比1A多加5.35个dB,才能达到和1A转发器的输入功率持平。
故14.77+5.35=20.12dBW,考虑到功放回退1dB,所需功放为21.12dBW
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(4) 原载波增加带宽至整转发器使用后,发至12A转发器
【例3.4】带宽3MHz的载波如扩到36MHz,发至12A,至少需多大功放?
解:综上例3.2及3.3,只需考虑5.35dB的SFD差即可。
所需功率至少 24.78+5.35=30.13dBW
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原有的200W功放已不能满足要求,必须更换。(本例已考虑波导馈源1dB插损)

(5) 新增载波和已有载波安排在同一个转发器
【例3.5】如再发一路9MHz载波是否可行?
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由于是2个载波,考虑到交调,查表4-1,功放需回退3dB,也就是200W功放最大只能发23-3=20dBW,
13dBW<20dBW,故增加载波没有问题。

(6) 新增载波被安排在另一个转发器,使用部分带宽
【例3.6】 如再发一路带宽9MHz载波至12A转发器,需功放大小?
解:综上例2.3及2.5,带宽9MHz的载波所需功率需考虑5.35dB的SFD差即可。
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加1A的3MHz载波所需的5W,再加2个载波功放需回退3dB,功放至少需10lg(51.4+5)+3=17.51+3=20.51dBW
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(7) 新增载波被安排在另一个转发器,使用整个转发器带宽
【例3.7】 如再发一路带宽36MHz的载波至12A转发器,需功放大小?
解:综上例3.2,3.3,3.4,
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5W,再加2个载波功放需回退3dB,功放至少需 10lg(818.5+5)+3=29.2+3=32.2dBW
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(8) 前提条件中的地面站天线可能为几米?留请读者推算。答案见文末。

4 有关附表
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表4-1 功放回退表

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表4-2 卫星转发器输入回退及输出回退表

注:如载波调制方式为QAM或APSK,虽然相对来说其抗干扰噪声能力比PSK强,但由于其含有幅度调制成分,故其对信道的非线性更加敏感,因此地面站功放及卫星转发器一定要注意工作在线性区,即输出回退值按多载波取值。
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表4-3 天线发射增益

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表4-4 功放最大功率 W-dBW

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表4-5 常用最大通信天线口径及功放大小

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表4-6 C/Ku频段通常采用的椭圆波导损耗及天线馈源插入损耗

(注:如馈源网络复杂及切换开关较多,波导等插入损耗应以实测为准。)
【3-(7)答案:6.2米】

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