什么是天线方向图 卫星地球站的天线性能指标

今天我们要学习FCC有关卫星地球站天线的性能指标，具体的说，是天线的方向图（antenna pattern），或者叫做天线辐射方向图（antenna radiation pattern）。这个指标是决定卫星之间最小间距的主要因素之一，因此也是决定能在多大程度上有效利用频谱资源的主要因素。

那么什么是天线方向图，我们都知道频谱图是指在一定的频率范围内各频点的功率情况，方向图则是指在一定的角度范围内由天线辐射到各方向点的功率情况。不同的是，频谱图只需要考察频率的维度，是一维的，但天线方向图是立体的，严格说应该给出的是一个三维立体形状，如下图。但通常大家会取两个相互垂直的切面去进行考察，并且要看同极化，以及交叉极化的指标。

同极化

25.209的条款（a）针对的是在FSS中运行并向GSO卫星发射的任何地球站天线的同极化（co-polarization）增益指标，包括为FSS以外的卫星服务提供馈电链路的地球站。 但需要注意的是条款（a）中定义的同极化要求，是一般性的标准限值要求，也就是说还有非标准的特殊规定在条款（f）中进行了说明。

名词解释：

Fixed-Satellite Service (FSS).   A radiocommunication service between earth stations at given positions, when one or more satellites are used; the given position may be a specified fixed point or any fixed point within specified areas; in some cases this service includes satellite-to-satellite links, which may also be operated in the inter-satellite service; the Fixed-Satellite Service may also include feeder links of other space radiocommunication services. 固定卫星服务（FSS）。  当使用一颗或多颗卫星时，在给定位置的地球站之间提供的无线通信服务；给定位置可以是一个指定的固定点，也可以是指定区域内的任何固定点；在某些情况下，这种服务包括卫星与卫星之间的链路，这些链路也可以在卫星间服务中运行；固定卫星服务还可以包括其他空间无线通信服务的馈线链路。

简单地说，同极化就是发射天线和接收天线的平面和方向相同，而交叉极化则相互垂直。我们上面说了，由于天线辐射方向图的立体性，同极化或交叉极化又分成了两个相互垂直的平面内的要求，我们先来了解一下对于卫星地球站来说这两个平面是如何切分的，看下面两个图：

两个平面分别是：在地球某点的卫星地球站天线位置与GSO轨道弧的切线形成的面，叫做plane tangent to the GSO arc，以及与这个面垂直的面，叫做plane perpendicular to the GSO arc。以下为方便我们分别简称为GSO相切面和垂直面。

按照频段以及切面的不同，同极化限值要求分为以下六种情况：

(1) 在与GSO弧线相切面内，对于不在常规 Ku 频段、24.75-25.25 GHz 频段或 27.5-30 GHz 频段内运行的地球站，需满足下表的要求：

其中θ是指从地球站天线到目标卫星指定轨道位置的方向图主瓣轴线夹角。θ如果在 ±7-180°范围内的可以有10%的旁瓣超出上述包络规定，但最多只能超出3dB；在主瓣溢出能量区域（region of main reflector spillover），如下图所示，最多可超出 6 dB。

(2) 在与GSO弧线相切面内，工作在常规 Ku 频段的限值要求如下：与（1）有相同的主瓣和旁瓣的超出要求。

(3) 在与GSO弧线相切面内，工作在24.75–25.25 GHz或27.5–30 GHz 频段的限值要求如下，与（1）有相同的主瓣和旁瓣的超出要求。

(4) 在与GSO弧线垂直面内，对于不在常规 Ku 频段、24.75-25.25 GHz 频段或 27.5-30 GHz 频段内运行的地球站，需满足下表的要求：

θ如果在 ±3-180°范围内的可以有10%的旁瓣超出上述包络规定，但最多只能超出6dB，如下图所示，在主瓣溢出能量区域（region of main reflector spillover）最多可超出 6 dB。

(5) 在与GSO弧线垂直面内，工作在常规 Ku 频段的限值要求如下，与（4）有相同的主瓣和旁瓣的超出要求。

(6) 在与GSO弧线垂直面内，工作在24.75–25.25 GHz或27.5–30 GHz 频段的限值要求如下，与（4）有相同的主瓣和旁瓣的超出要求。

交叉极化

先来看一个同极化（co-polarized）和交叉极化（cross-polarized）方向图的例子，分别如下图中实线和虚线所示：

交叉极化的限值要求如下：

(1) 在与GSO弧线相切面内，不在 24.75-25.25 GHz 或 27.5-30 GHz 频段内运行的地球站，需满足以下要求，θ的定义同（a)(1）。

19–25logθ dBi for 1.8° < θ ≤ 7°

(2) 在与GSO弧线垂直面内，不在 24.75-25.25 GHz 或 27.5-30 GHz 频段内运行的地球站，需满足以下要求，θ的定义同（a)(1）。

19–25logθ dBi for 3° < θ ≤ 7°

(3) 在与GSO弧线相切面或者垂直面内，在 24.75-25.25 GHz 或 27.5-30 GHz 频段内运行的地球站，需满足以下要求，θ的定义同（a)(1）。

19–25logθ dBi for 2° < θ ≤ 7°

某些地球站的干扰保护权力

(1) 根据第25.115(b)(1)和(b)(3)节（Receive-only earth stations：仅接收的地球站），获得许可与 GSO FSS 空间站一起运行或登记接收来自此类空间站传输的地球站，如果使用接收波段增益模式符合本节(a)和(b)段规定的天线，不会对该地球站造成有害干扰，则该地球站无权获得免受授权运行的其他台站的干扰保护。

(2) 17/24 GHz BSS（broadcasting-satellite service：广播卫星服务）遥测地球站无权受到来自授权空间站运行的有害干扰的保护，如果该地球站使用的天线的接收波段增益模式符合本节(a)和(b)段规定的水平，则不会对该地球站造成有害干扰。但在17/24 GHz BSS中仅接收的地球站有权在第25.224节（Protection of receive-only earth stations in the 17/24 GHz BSS）规定的范围内免受其他空间站造成的有害干扰。

reserved

无法调整偏斜角的地球站

使用不对称天线且不具备偏斜角（skew angle）调整能力的地球站，必须符合本节(a)(1)段规定的增益值，在与天线主平面正交的平面上，或者在与地球站可能位于的任何地点所经历的最大偏斜角相对应的平面上。偏斜角是什么，可参考下图：

不符合上述要求的特殊地球站

GSO FSS 地球站的天线如不符合本节(a)和(b)段中的适用标准，只有在申请者证明该天线不会造成不可接受的干扰时，才会得到批准。该证明必须表明地球站的传输符合第25.218节（Off-axis EIRP density envelopes for FSS earth stations transmitting in certain frequency bands：特定频段发射的FSS地球站的离轴 EIRP 密度曲线）的要求，或者申请人必须证明地球站的运行已根据25.220（Non-routine transmit/receive earth station operations：非常规发射/接收地球站操作）进行了协调。

reserved

NGSO地球站天线限值

工作在10.7-11.7 GHz、12.75-13.15 GHz、13.2125-13.25 GHz、13.8-14.0 GHz 和/或 14.4-14.5 GHz 频带内与NGSO FSS卫星通信的网关地球站的任何发射天线的增益必须低于如下定义限值：

θ的定义同（a)(1），θ如果在 ±7-180°范围内的可以有10%的旁瓣超出上述限值规定，但最多只能超出3dB。

编辑：黄飞