第3章卫星地球站
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T=Ts+Te= TA/L1+(L1-1)To/L1+Te2+Te3/G2=225.5K 10logT=23.53dBK
G=65.53-0.3=65.23dB
所以 ，（G/T）dB=65.23-23.53=41.7(dB/K)
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3.3 天线、馈源和跟踪系统（天伺馈系统）
业务要求
价格和可靠性
2019/6/16
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4
设计过程可以用两个主要步骤来区分
第一步是基于整个系统的要求，由此形 成地球站的基本参量如G/T值、发射功率、 多址联接方案等。
然后，地球站设计师和工程师以最佳的 性能价格比，使设备配置设法达到上述 性能指标。
2019/6/16
哈3尔-滨8 工天业线大辐学(射威海方)向通性信工图程系
26
天线主要特性参量
①Ψhp=Nλ/D N-与电磁场分布相关的常数，λ-波长，D-天线口径
1. 天线的半功率点波束宽度
②D(θ,φ)=P（θ，φ）/Pav θ-俯仰角（0°-180°），φ-方位角（0°-360°）
2. 天线方向性：某方向的信号功率强度/平均功率
回波控制技术； 语音编码和视频压缩技术； 天线技术：控制副瓣电平； 设备小型化：超大规模集成电路（VLSI）技术
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3.1.4 地球站设备一般组成
2019/6/16
图3哈-1尔地滨球工站业大设学备(的威一海)般通原信理工性程框系图
9
2019/6/16
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6
3.1.2 国际规定和技术限制
1. 国际规定
比如频带、功率等限制，不能对地面无线通信造成干扰
2. 技术限制
比如平台载荷能力、最大发射功率、天线尺寸等
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3.1.3 地球站技术近期发展趋向
关键技术：
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无源器件（双工器、馈线）——通常用功率的损耗L表示其特性 G=1/L。
经此类器件后，载波噪声比发生L倍衰减（载波功率衰减L倍，而噪声功率谱
密度和带宽均无4变、化）无。 源器件的噪声温度
Co
G
Ci/L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCi
L* No = Ni 即 L* (KToB+KTeB)/L = KToB
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图3-9 天线增益G与半功率点波束宽度Ψ hp的关系, 孔径效率 60 %
3.3.2 天线系统
基于它们的几何形状，地球站可以使用 具有轴对称、和非轴对称的天线结构。
要求：高增益、低副瓣、噪声尽可能小
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2、 放大器的噪声温度和噪声系数
系统噪声温度： 输入噪声源
T TS Te
噪声系数 :
系统内部等效 噪声
F Gk T0 B N n 1 Te
Gk T0 B
T0
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PS：推导过程：
Ns
G、Nn
N
(1)噪声温度
N=G*Ns+Nn=G*KTsB+Nn=GKB(Ts+Nn/GKB)
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10
有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
例：2kW的高功放和一个20m的卡塞格伦天线，在
天线增益与f有关的
14.25GHz时，它的发射天线增益为66.82dB。高功放到
天线馈源口的损耗为1dB，则地球站的EIRP值为：
连接线导致损耗的存在
29
(1) 轴对称结构
结构：主焦点馈源+抛物面反射器
优点：结构简单 缺点：热噪声较大
原因：喇叭口对准地面， 温度高；馈线较长。
OMT：正交模式耦合 器——收发分离
图3-10 喇叭抛物面天线结构图
2019/6/16
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正焦天线实物图
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天线噪声温度
天线噪声温度是通过天线进入到接收机
的噪声的量度，它是由所有外部噪声源
产生的噪声分量的积分：
天线俯仰角
天线方位角
TA
1
4
2
0
0 G( , )Tb ( , )d
天线在该方向的增益函数
在该方向的照亮温度
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P(θ，φ)-某个方向上的功率强度（从该方向上单位立体角辐射的功率）
3. 效率：1-能量损失，抛物面天线50%~70%，喇叭口天线90%
Pav-平均功率（PT/4πR2）
球的立体角是4π
4. 增益函数：效率×方向性
④G(θ,φ)=η* D(θ,φ) 最大值称为天线增益 G=4πA/λ2 其中A-天线面积，λ-信号波长
卫星通信
第3章 卫星地球站
2019/6/16
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1
Note:
卫星地球站
2019/6/16
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2
3.1引言
描述地球站性能的一个最基本参量，是
接收天线增益对噪声温度比 (G/T) （单位
dB/K）值，又称为地球站的品质因素。 它表示一个地球站的接收能力强弱， G /
EIRP = 33 + 66.82 – 1 = 98.82 dBW
注：dBW、dBm—绝对的功率值
利用dB计算时，除法变为加法
dBi（相对全向天线）、dBd（相对偶极子天线）—增益相对值（两者相差2.15）
dBc—功率相对值
dB—相对值
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接收系统噪声分析和品质因素G / T值计算
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13
在电子通信系统中，由噪声源送到匹配
负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz
表示，为:
（双边功率谱密度） N0 / 2 kTS / 2 N 噪声源输出的噪声功率为 N0 B
Ts：噪声源等效噪声温度
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LNA的等效噪声温度越低，G/T值越高。另外， 它的增益必须足够大，以降低后面电路对噪声的 影响。
G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关。
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PS:对“G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关”说明
（1）以LNA前为参考点：
G=GA/L1 T=Ts+Te= TA/L1+(L1-1)To/L1+Te2+Te3/G2 则 G/T=GA/[TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2] （2）以天线后为参考点：
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5
理解设计应用中的某些折衷
G / T C / N 0 EIRPS (L p Lm ) k
G/T：要求的品质因数 C/No：载波功率/噪声功率谱密度 EIRP：有效全向辐射功率（s：卫星）——卫星上发射功率和天线增益有关 Lp：传播损耗，正比于路径的平方 Lm：设计余量，对抗其余衰减 K：玻尔兹曼常数
整个系统：N=G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1) G=G1*G2 Te=Te1+Te2/G1
图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统
Te F=1+ To
=1+
Te1+Te2/G1 To
=1+
Te1 To
+
Te2/To G1
=F1+
F2-1 G1
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Te 则 L=1+ To =F
有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F
PS:无源器件内部虽然无噪声，但是其损耗却带来了和噪声相同的效果
Te (L 1)T0
理解：①无源器件只对载波功率进行衰减而不影响噪声功率 ②Te实际是不存在的，也就是无源器件无内部噪声，Te只是反 映损耗造成的影响。
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非轴对称 (偏馈) 天线实物图
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3. 天线安装
天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置
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T值越高就意味着这个地球站的接收能力 越强。因此，根据提供业务和G / T值的
不同，可以按此对地球站进行分类。
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3.1.1 设计考虑
一个地球站的设计主要因素有：
服务类型：FSS、BSS、MSS
通信业务类型：电话、数据、电视等
终端站对基带信号质量的要求
20
系统总噪声温度
天线系统
接收机
图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端 源 后级等效
T
TS
Te
TA L1
L1 L1
1
T0
Te2
Te3 G2
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几点结论
天线增益越高、连接波导损耗越低，G/T值就越 高，因而下行载波噪声比也越高。
=GKB(Ts+Te)
Te=Nn/GKB等效输入噪声温度
此时，对一个有内部噪声的放大器，其输入端总的等效噪声温度为Te+Ts=T
(2)噪声系数 系统输出噪声功率
定义1 假定输入端的噪声温度为T0，则F= 无内部噪声时的输出噪声功率 >1
定义2 Ts=T0时，输入信噪比与输出信噪比的比值
F=
Pi/Ni Po/No
17
n个系统噪声温度：
Te Te1 Te2 / G1 Te3 / G1G2 Te n / G1G2 Gn1
n个系统级联时的噪声系数
F F1 (F2 1) / G1 (F3 1) / G1G2
(F n 1) / G1G2 Gn1
=1+
Te To
所以，Te=（F-1）To
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放大器级联噪声温度
在M1输出端噪声功率：N1=G1KB(Ts+Te1) 在M2输出端噪声功率：N=N12+N2=G2G1KB(Ts+Te1)+G2KBTe2
N1经过M2放大 M2内部噪声 =G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1)
G=GA T=Ts+Te= TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2 则 G/T=GA/[TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2]
综上两种情况：G、T的具体值不同，但是G/T却是相同的。
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例：地面站在11.95GHz处接收天线增益为65.53dB,TA=60K,波 导损耗为0.3dB（L1=100.03=1.072）,LNA的等效噪声温度为 Te2=150K，LNA增益为G2=60dB,下变频器噪声温度 Te3=11*103K，假定环境T=290K，求G/T （相处或想减—单位） 解：以LNA前为参考点
通常用天线增益对噪声温度比G / T，表 示地球站天线和低噪声放大器的性能，它 与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表 示低噪声放大器输入端的接收天线增益， 参量T是接收机内部噪声温度。
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1、通信系统中的噪声
通信系统中有关噪声的论述是基于白噪 声的噪声形式，它的功率谱密度在很大 的频率范围内是平滑的。
3.2 地球站射频基本性能
有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
如果用PT表示天线馈源口的G输T—入天线功最率大增，益方G向T上是的增发益（射主瓣天） 线增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：
EIRP =PTGT 单位：dBW、dBm
之所以称为有效全向辐射功率，是相对于定向天线而言的。
PS：1W的PT提供给定向天线得到的效果相当于采用全向天线时，馈源口采用 ETRP（W）的效果。
天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收 和发送特性是相同的。
地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本。 大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，
即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星。
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天线基础和辐射方向性图
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结构：馈源+抛物面主反射器+双曲面副反射器 优点：热噪声低
图3-11 卡塞格伦天线结构图
卡塞格伦天线实物图
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(2) 非轴对称结构 (偏馈天线)
图3-13 非轴对称 (偏馈) 天线结构图
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G=65.53-0.3=65.23dB
所以 ，（G/T）dB=65.23-23.53=41.7(dB/K)
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3.3 天线、馈源和跟踪系统（天伺馈系统）
业务要求
价格和可靠性
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设计过程可以用两个主要步骤来区分
第一步是基于整个系统的要求，由此形 成地球站的基本参量如G/T值、发射功率、 多址联接方案等。
然后，地球站设计师和工程师以最佳的 性能价格比，使设备配置设法达到上述 性能指标。
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天线主要特性参量
①Ψhp=Nλ/D N-与电磁场分布相关的常数，λ-波长，D-天线口径
1. 天线的半功率点波束宽度
②D(θ,φ)=P（θ，φ）/Pav θ-俯仰角（0°-180°），φ-方位角（0°-360°）
2. 天线方向性：某方向的信号功率强度/平均功率
回波控制技术； 语音编码和视频压缩技术； 天线技术：控制副瓣电平； 设备小型化：超大规模集成电路（VLSI）技术
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3.1.4 地球站设备一般组成
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3.1.2 国际规定和技术限制
1. 国际规定
比如频带、功率等限制，不能对地面无线通信造成干扰
2. 技术限制
比如平台载荷能力、最大发射功率、天线尺寸等
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3.1.3 地球站技术近期发展趋向
关键技术：
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无源器件（双工器、馈线）——通常用功率的损耗L表示其特性 G=1/L。
经此类器件后，载波噪声比发生L倍衰减（载波功率衰减L倍，而噪声功率谱
密度和带宽均无4变、化）无。 源器件的噪声温度
Co
G
Ci/L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCi
L* No = Ni 即 L* (KToB+KTeB)/L = KToB
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图3-9 天线增益G与半功率点波束宽度Ψ hp的关系, 孔径效率 60 %
3.3.2 天线系统
基于它们的几何形状，地球站可以使用 具有轴对称、和非轴对称的天线结构。
要求：高增益、低副瓣、噪声尽可能小
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2、 放大器的噪声温度和噪声系数
系统噪声温度： 输入噪声源
T TS Te
噪声系数 :
系统内部等效 噪声
F Gk T0 B N n 1 Te
Gk T0 B
T0
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PS：推导过程：
Ns
G、Nn
N
(1)噪声温度
N=G*Ns+Nn=G*KTsB+Nn=GKB(Ts+Nn/GKB)
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10
有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
例：2kW的高功放和一个20m的卡塞格伦天线，在
天线增益与f有关的
14.25GHz时，它的发射天线增益为66.82dB。高功放到
天线馈源口的损耗为1dB，则地球站的EIRP值为：
连接线导致损耗的存在
29
(1) 轴对称结构
结构：主焦点馈源+抛物面反射器
优点：结构简单 缺点：热噪声较大
原因：喇叭口对准地面， 温度高；馈线较长。
OMT：正交模式耦合 器——收发分离
图3-10 喇叭抛物面天线结构图
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正焦天线实物图
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天线噪声温度
天线噪声温度是通过天线进入到接收机
的噪声的量度，它是由所有外部噪声源
产生的噪声分量的积分：
天线俯仰角
天线方位角
TA
1
4
2
0
0 G( , )Tb ( , )d
天线在该方向的增益函数
在该方向的照亮温度
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P(θ，φ)-某个方向上的功率强度（从该方向上单位立体角辐射的功率）
3. 效率：1-能量损失，抛物面天线50%~70%，喇叭口天线90%
Pav-平均功率（PT/4πR2）
球的立体角是4π
4. 增益函数：效率×方向性
④G(θ,φ)=η* D(θ,φ) 最大值称为天线增益 G=4πA/λ2 其中A-天线面积，λ-信号波长
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第3章 卫星地球站
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Note:
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2
3.1引言
描述地球站性能的一个最基本参量，是
接收天线增益对噪声温度比 (G/T) （单位
dB/K）值，又称为地球站的品质因素。 它表示一个地球站的接收能力强弱， G /
EIRP = 33 + 66.82 – 1 = 98.82 dBW
注：dBW、dBm—绝对的功率值
利用dB计算时，除法变为加法
dBi（相对全向天线）、dBd（相对偶极子天线）—增益相对值（两者相差2.15）
dBc—功率相对值
dB—相对值
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接收系统噪声分析和品质因素G / T值计算
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13
在电子通信系统中，由噪声源送到匹配
负载的白噪声功率谱密度通常用W / Hz
表示，为:
（双边功率谱密度） N0 / 2 kTS / 2 N 噪声源输出的噪声功率为 N0 B
Ts：噪声源等效噪声温度
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LNA的等效噪声温度越低，G/T值越高。另外， 它的增益必须足够大，以降低后面电路对噪声的 影响。
G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关。
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PS:对“G/T值与参考点无关；而G或T与参考值有关”说明
（1）以LNA前为参考点：
G=GA/L1 T=Ts+Te= TA/L1+(L1-1)To/L1+Te2+Te3/G2 则 G/T=GA/[TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2] （2）以天线后为参考点：
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理解设计应用中的某些折衷
G / T C / N 0 EIRPS (L p Lm ) k
G/T：要求的品质因数 C/No：载波功率/噪声功率谱密度 EIRP：有效全向辐射功率（s：卫星）——卫星上发射功率和天线增益有关 Lp：传播损耗，正比于路径的平方 Lm：设计余量，对抗其余衰减 K：玻尔兹曼常数
整个系统：N=G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1) G=G1*G2 Te=Te1+Te2/G1
图3-4 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统
Te F=1+ To
=1+
Te1+Te2/G1 To
=1+
Te1 To
+
Te2/To G1
=F1+
F2-1 G1
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Te 则 L=1+ To =F
有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F
PS:无源器件内部虽然无噪声，但是其损耗却带来了和噪声相同的效果
Te (L 1)T0
理解：①无源器件只对载波功率进行衰减而不影响噪声功率 ②Te实际是不存在的，也就是无源器件无内部噪声，Te只是反 映损耗造成的影响。
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非轴对称 (偏馈) 天线实物图
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3. 天线安装
天线安装结构图: (a) 方位角–仰角装置； (b) X–Y轴装置
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T值越高就意味着这个地球站的接收能力 越强。因此，根据提供业务和G / T值的
不同，可以按此对地球站进行分类。
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3.1.1 设计考虑
一个地球站的设计主要因素有：
服务类型：FSS、BSS、MSS
通信业务类型：电话、数据、电视等
终端站对基带信号质量的要求
20
系统总噪声温度
天线系统
接收机
图3-7 用于等效噪声温度计算的地球站接收端 源 后级等效
T
TS
Te
TA L1
L1 L1
1
T0
Te2
Te3 G2
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几点结论
天线增益越高、连接波导损耗越低，G/T值就越 高，因而下行载波噪声比也越高。
=GKB(Ts+Te)
Te=Nn/GKB等效输入噪声温度
此时，对一个有内部噪声的放大器，其输入端总的等效噪声温度为Te+Ts=T
(2)噪声系数 系统输出噪声功率
定义1 假定输入端的噪声温度为T0，则F= 无内部噪声时的输出噪声功率 >1
定义2 Ts=T0时，输入信噪比与输出信噪比的比值
F=
Pi/Ni Po/No
17
n个系统噪声温度：
Te Te1 Te2 / G1 Te3 / G1G2 Te n / G1G2 Gn1
n个系统级联时的噪声系数
F F1 (F2 1) / G1 (F3 1) / G1G2
(F n 1) / G1G2 Gn1
=1+
Te To
所以，Te=（F-1）To
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放大器级联噪声温度
在M1输出端噪声功率：N1=G1KB(Ts+Te1) 在M2输出端噪声功率：N=N12+N2=G2G1KB(Ts+Te1)+G2KBTe2
N1经过M2放大 M2内部噪声 =G1G2KB(Ts+Te1+Te2/G1)
G=GA T=Ts+Te= TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2 则 G/T=GA/[TA+(L1-1)To+L1Te2+L1Te3/G2]
综上两种情况：G、T的具体值不同，但是G/T却是相同的。
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例：地面站在11.95GHz处接收天线增益为65.53dB,TA=60K,波 导损耗为0.3dB（L1=100.03=1.072）,LNA的等效噪声温度为 Te2=150K，LNA增益为G2=60dB,下变频器噪声温度 Te3=11*103K，假定环境T=290K，求G/T （相处或想减—单位） 解：以LNA前为参考点
通常用天线增益对噪声温度比G / T，表 示地球站天线和低噪声放大器的性能，它 与接收机的灵敏度密切相关。参量G是表 示低噪声放大器输入端的接收天线增益， 参量T是接收机内部噪声温度。
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1、通信系统中的噪声
通信系统中有关噪声的论述是基于白噪 声的噪声形式，它的功率谱密度在很大 的频率范围内是平滑的。
3.2 地球站射频基本性能
有效全向辐射功率 (EIRP)的定义和计算
如果用PT表示天线馈源口的G输T—入天线功最率大增，益方G向T上是的增发益（射主瓣天） 线增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：
EIRP =PTGT 单位：dBW、dBm
之所以称为有效全向辐射功率，是相对于定向天线而言的。
PS：1W的PT提供给定向天线得到的效果相当于采用全向天线时，馈源口采用 ETRP（W）的效果。
天线是一种互易器件，因此当频率给定时，接收 和发送特性是相同的。
地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本。 大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，
即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星。
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天线基础和辐射方向性图
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结构：馈源+抛物面主反射器+双曲面副反射器 优点：热噪声低
图3-11 卡塞格伦天线结构图
卡塞格伦天线实物图
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(2) 非轴对称结构 (偏馈天线)
图3-13 非轴对称 (偏馈) 天线结构图
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