衛(wèi)星天線依靠電磁信號與地球和軌道衛(wèi)星通信，提供電視廣播、互聯(lián)網(wǎng)連接和 GPS 導(dǎo)航等服務(wù)。通常，信號在特定頻段內(nèi)運(yùn)行，包括用于電視的 12-18 GHz Ku 波段或用于高速數(shù)據(jù)的 26.5-40 GHz Ka 波段。這顯然是因?yàn)?DTH Ku 波段信號的功率通常為 10-100 瓦，因此它們可以覆蓋大面積區(qū)域。另一個頻段 Ka 波段支持高達(dá) 50 Mbps 的更快數(shù)據(jù)傳輸速率，這對于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)至關(guān)重要。重要的是將衛(wèi)星天線與特定頻段正確對齊，以確保信號損失小，從而實(shí)現(xiàn)的傳輸和接收。
天線的設(shè)計(jì)和幾何形狀對信號質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。典型的拋物面天線具有高增益，對于 Ku 波段信號很容易超過 35 dB，這使得它能夠放大來自數(shù)千公里外衛(wèi)星的非常微弱的信號。如果天線和衛(wèi)星之間的信號路徑保持在視線范圍內(nèi)且沒有建筑物或樹木等障礙物，則接收效果。僅僅 1 度的輕微不匹配就會導(dǎo)致信號強(qiáng)度損失高達(dá) 10-20%，這會直接影響互聯(lián)網(wǎng)速度或電視清晰度。因此，安裝通常需要波束寬度較窄的天線，而農(nóng)村安裝使用可以捕獲較弱信號的較大天線。
天氣狀況也會影響信號的傳輸和接收。這種現(xiàn)象稱為雨衰，大雨會削弱 Ka 波段等高頻信號，導(dǎo)致信號強(qiáng)度損失高達(dá) 10 dB。為了解決這個問題，服務(wù)提供商通常會在衛(wèi)星上安裝某種自適應(yīng)功率控制系統(tǒng)，以增加傳輸功率來補(bǔ)償雨衰。例如，在暴風(fēng)雨期間，Ka 波段互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)速度可能會從 50 Mbps 降至 30 Mbps，而 Ku 波段信號在類似條件下通常只會損失約 3-5 Mbps。在降雨較多的地區(qū)，的碟形天線總是會讓家庭用戶受益，因?yàn)樵趷毫犹鞖庀拢?0 厘米碟形天線的性能將優(yōu)于 60 厘米碟形天線。
拋物面天線的設(shè)計(jì)
常見、有效的衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)是拋物面天線，主要是因?yàn)樗鼘㈦姶挪ň劢沟揭粋€點(diǎn)，以化信號。這些天線通過將傳入的衛(wèi)星信號從位于焦點(diǎn)的饋源喇叭反射而工作。典型的拋物面天線在 Ku 波段頻率下的增益約為 35 至 45 dB，在 Ka 波段頻率下的增益高達(dá) 55 dB，具體取決于尺寸。例如，在 Ku 波段工作的 1.2 米天線可提供約 40 dB 的增益，能夠清晰接收來自 35,000 公里外衛(wèi)星的信號。
拋物面天線的尺寸直接決定了其性能。較大的天線提供較窄的波束寬度，從而限度地減少附近衛(wèi)星和地面信號的干擾。例如，90 厘米天線的波束寬度通常約為 1.5 度，而 1.8 米天線則將其減小到約 0.75 度。這種改進(jìn)對于需要高精度的應(yīng)用至關(guān)重要，例如在密集的衛(wèi)星群上傳輸數(shù)據(jù)時。然而，較大的天線對風(fēng)等環(huán)境因素更敏感，因此配備了堅(jiān)固的安裝系統(tǒng)以保持對準(zhǔn)。
材料選擇也是設(shè)計(jì)拋物面天線的一個重要因素。大多數(shù)天線由鋁制成，鋁既輕又反射性好。例如，表面精度為 0.5 毫米的鋁天線在 Ka 波段服務(wù)中使用的高達(dá) 40 GHz 的頻率下將具有信號反射。為科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的大型天線可能會使用碳纖維復(fù)合材料來減少熱膨脹，并在溫度波動的情況下保持表面精度。有了這樣的材料，天線可以實(shí)現(xiàn)深空通信等應(yīng)用所需的高增益。
2. 變頻
衛(wèi)星通信中的頻率轉(zhuǎn)換 是一個關(guān)鍵過程，它使信號能夠有效地長距離發(fā)送并由地面設(shè)備處理。衛(wèi)星使用高頻（Ku 波段為 12 至 18 GHz，Ka 波段為 26.5 至 40 GHz）來限度地減少干擾并實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。然而，所有這些頻率都不適合地面接收器直接使用，因此衛(wèi)星天線使用頻率轉(zhuǎn)換器將它們降低到中頻范圍，通常為 950 MHz 至 2150 MHz。這種轉(zhuǎn)換使信號能夠通過標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜傳輸，同時損耗小。
安裝在天線上的 LNB 轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)頻率轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代 LNB 的噪聲系數(shù)低至 0.3 dB，比噪聲系數(shù)高達(dá) 0.7 dB 的舊型號清晰得多。例如，在 Ka 波段工作的 LNB 可以將微弱的衛(wèi)星信號從 -130 dBm 放大到適合地面處理的水平，同時將頻率從 30 GHz 降至可管理的 IF。此功能對于高清電視廣播和高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)至關(guān)重要，因?yàn)樗试S以小的衰減傳輸信號。
頻率轉(zhuǎn)換對于減少多個信號之間的信號干擾也至關(guān)重要。衛(wèi)星通過使用 FDM 分離上行鏈路和下行鏈路信號來運(yùn)行。例如，在 Ku 波段，上行鏈路頻率在 14-14.5 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行，而下行鏈路頻率在 11.7-12.2 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行。LNB 將這些高頻轉(zhuǎn)換為 IF，以實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒或調(diào)制解調(diào)器兼容性。這可確保上行鏈路和下行鏈路之間沒有信號重疊；從而確保通信質(zhì)量。缺乏準(zhǔn)確的頻率轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致信號失真或丟失，從而嚴(yán)重影響直播和視頻會議等服務(wù)。
3. 傳播路徑
衛(wèi)星天線需要清晰的視線才能與軌道中的衛(wèi)星建立穩(wěn)定的連接。天線必須與衛(wèi)星保持清晰的路徑，因?yàn)榧词故菢淠净蚪ㄖ锏刃≌系K物也會削弱或完全阻擋信號。例如，障礙物可能導(dǎo)致高達(dá) 15 dB 的信號損失，這對衛(wèi)星電視和互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量極為不利。為了避免這種情況，天線通常安裝在高處，例如屋頂上，仰角從 30 度開始，以限度地減少障礙物的影響。
地球靜止衛(wèi)星位于赤道上方約 35,786 公里處，赤道與地球靜止衛(wèi)星之間的距離要求視線對準(zhǔn)更加。在此范圍內(nèi)，1 度的對準(zhǔn)誤差可能會導(dǎo)致天線距離衛(wèi)星數(shù)百公里，從而導(dǎo)致信號完全丟失?，F(xiàn)代安裝實(shí)踐涉及使用衛(wèi)星信號計(jì)來確保對準(zhǔn)精度在 0.1 度以內(nèi)。對于住宅安裝，這種精度水平對于維持穩(wěn)定的服務(wù)至關(guān)重要，尤其是對于高清電視，它需要 -70 dBm 或更高的信號強(qiáng)度才能獲得良好的觀看質(zhì)量。
天氣條件也會影響視線：雨、雪或厚云都會導(dǎo)致信號衰減，俗稱雨衰。在 26.5-40 GHz 較高頻率范圍內(nèi)工作的 Ka 波段信號更容易受到損壞，在極端天氣條件下?lián)p失高達(dá) 10 dB。相比之下，Ku 波段信號受影響較小，在類似條件下?lián)p失通常在 3-5 dB 以內(nèi)。這要求經(jīng)常下大雨地區(qū)的用戶使用超大天線或?qū)嵤┢渌梢源_保服務(wù)連續(xù)性的糾錯技術(shù)。
4. 極化
衛(wèi)星通信中的極化對于區(qū)分信號和減少相鄰信道之間的干擾非常有用。信號可以使用線性極化（例如水平或垂直）或圓極化（例如左手或右手）進(jìn)行發(fā)送和接收。線性極化廣泛用于 Ku 波段和 Ka 波段系統(tǒng)，其中水平和垂直平面確保信號清晰分離。例如，在 Ku 波段運(yùn)行的水平極化衛(wèi)星可以提供 14 GHz 的上行鏈路頻率，而垂直極化支持 12 GHz 的下行鏈路頻率，從而實(shí)現(xiàn)的雙向通信。
極化對準(zhǔn)的效率直接影響信號強(qiáng)度。天線和衛(wèi)星極化之間的不匹配會導(dǎo)致交叉極化干擾，從而對信號強(qiáng)度產(chǎn)生高達(dá) 30% 的負(fù)面影響。對于處理住宅衛(wèi)星電視的系統(tǒng)，即使 10 度的錯位也會導(dǎo)致 2-3 dB 的損失，并可能出現(xiàn)像素化或頻道丟失。大多數(shù)現(xiàn)代天線都具有極化調(diào)整功能，允許用戶根據(jù)衛(wèi)星信號微調(diào)天線方向。這在高頻 Ka 波段系統(tǒng)中為關(guān)鍵，其中的極化對準(zhǔn)可確保小的干擾和超過 50 Mbps 的穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率。
天氣條件也會影響極化性能。雨水或高大氣濕度會導(dǎo)致去極化；信號的極化平面會變形。這種影響在圓極化和高頻（如 Ka 波段）中更為嚴(yán)重，雨水引起的去極化可能高達(dá) 5 dB。在大雨頻發(fā)的地區(qū)，服務(wù)提供商通常會實(shí)施自適應(yīng)技術(shù)，實(shí)時改變極化角度以保持質(zhì)量。例如，具有動態(tài)極化跟蹤功能的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將在不斷變化的大氣條件下保持連接，并在暴風(fēng)雨期間可靠地提供一致的速度。
5. 波束寬度和增益值
衛(wèi)星天線在信號傳輸和接收方面的性能和效率由兩個基本特性決定：波束寬度和增益。波束寬度定義為天線輻射方向圖的角度范圍。它們通常以度為單位，而增益基本上是指天線放大信號的效率，以分貝為單位。波束寬度越窄，增益越高，使天線能夠集中大部分能量。例如，使用 Ku 波段的 1.2 米碟形天線的波束寬度約為 1.8 度，增益約為 40 dB，可實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)距離衛(wèi)星的通信。
波束寬度和天線尺寸之間的關(guān)系對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。較大的天線產(chǎn)生較窄的波束寬度，從而減少來自鄰近衛(wèi)星的干擾。例如，在 C 波段工作的 2.4 米碟形天線可以實(shí)現(xiàn)僅 0.6 度的波束寬度，而 1.2 米碟形天線的波束寬度為 1.2 度。在衛(wèi)星相距僅 2 度的擁擠軌道環(huán)境中，這種精度至關(guān)重要。高增益天線通常超過 45 dB，對于需要強(qiáng)大、可靠信號的應(yīng)用尤其有價值，例如廣播高清電視或支持大規(guī)模數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
在考慮波束寬度和增益時，環(huán)境因素也會發(fā)揮作用。風(fēng)和結(jié)構(gòu)振動會導(dǎo)致錯位，從而降低天線的有效增益。50 公里/小時的陣風(fēng)可以使大型碟形天線偏轉(zhuǎn) 0.2 度；碟形天線的這種錯位會導(dǎo)致信號強(qiáng)度損失 3-5 dB。為了限度地減少這些影響，許多高性能天線采用剛性設(shè)計(jì)或動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，以在惡劣條件下保持對準(zhǔn)。此外，增益是頻率的函數(shù)：由于波長較短，Ka 波段天線具有更高的增益，高達(dá) 55 dB，而同等尺寸的 Ku 波段系統(tǒng)的增益為 35-45 dB。
6. 下行鏈路和上行鏈路過程
下行鏈路和上行鏈路是衛(wèi)星通信過程的核心，可實(shí)現(xiàn)地面站和軌道衛(wèi)星之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。上行鏈路涉及將信號從地面站發(fā)送到衛(wèi)星，該信號由高頻波段組成，通常為 Ku 波段的 14-14.5 GHz 或 Ka 波段的 27.5-30 GHz。相反，下行鏈路將衛(wèi)星信號傳回地球，通常頻率較低，例如 Ku 波段的 11.7-12.2 GHz 或 Ka 波段的 17.7-20.2 GHz。這種頻率分離可防止兩條信號路徑之間發(fā)生干擾，從而確保清晰的通信。
信號功率是上行鏈路過程中的一個關(guān)鍵因素。典型的地面站通過使用高功率放大器（通常輸出功率為 50 至 500 瓦）來克服這一問題。例如，需要相當(dāng)大的功率才能將信號傳輸?shù)?35,786 公里外的地球靜止衛(wèi)星，同時仍提供至少 10 dB 的接收信噪比。直徑為 9 米的大型天線具有更高的增益，例如 C 波段的增益超過 60 dB，以幫助上行鏈路到達(dá)衛(wèi)星，即使在惡劣天氣條件下存在嚴(yán)重干擾。
因此，下行鏈路過程嚴(yán)重依賴衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器來放大信號并將其發(fā)送到地球。每個轉(zhuǎn)發(fā)器通常在 36 MHz 帶寬內(nèi)運(yùn)行，能夠支持高達(dá) 40 Mbps 的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，例如高清視頻流。然而，信號強(qiáng)度在穿過大氣層時會減弱，由于雨水或云層覆蓋等因素，信號強(qiáng)度會下降 2-5 dB。因此，衛(wèi)星使用高增益天線和機(jī)載放大器進(jìn)行補(bǔ)償，確保地面站接收到的信號強(qiáng)度高于可靠接收所需的 -70 dBm 閾值。
