猶記當年，高中老師說過這個知識點：

　　★FM調頻廣播的頻率是88~108MHz，覆蓋範圍從幾百公里到幾千公里

　　★無線通信蜂窩網絡的頻率是400MHz ~ 3GHz 覆蓋範圍從幾公里到幾十公里

　　★WiFi 網絡的的通信頻率是2.4~2.5GHz 和5.2~5.8GHz 覆蓋範圍從幾米到幾百米

　　★衛星的通信頻率 5GHz~40GHz 通信距離爲3.6萬千米

　　從上面幾張圖可以知道，電磁波頻率越低，在空氣中自由傳播的距離就越遠。

　　那爲什麼衛星離地面那麼遠，卻不採用低頻通信？

　　爲什麼通信頻率高達5GHz~40GHz 卻可以傳輸這麼遠的距離（3.6萬千米）？

　　要解釋這個疑問，我們需要理解5個方面的知識。

　　1

　　地球大氣電離層

　　電離層（Ionosphere）是地球大氣的一個電離區域。電離層從離地面約50公里開始一直伸展到約1000公里高度的地球高層大氣空域，其中存在相當多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發生折射、反射和散射，產生極化面的旋轉並受到不同程度的吸收。

　　長波（B）、中波（C），直接被電離層吸收，只能通過地面波傳播；

　　短波（D） 可以被電離層反射，只能在電離層以下的大氣內部傳播；

　　微波（A） 不被電離層所影響，可以直接穿透電離層。

　　所以，衛星通信必須採用微波頻段以上頻率的信號，才能實現星地通信。

　　2

　　電磁波的自由空間衰減

　　電磁波在穿透任何介質時都會有損耗，所以電磁波在大氣中傳播的時候一樣會有損耗的存在。

　　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，公式如下

　　看到這裏，我猜你心中一定在想:

　　看吧，確實是頻率越高，空間損耗越大，我的理解沒有錯誤，但是衛星爲什麼還要採用5GHz以上的頻率通信呢？

　　彆着急，讓我們繼續看下去，第3個知識點將爲你解答疑惑。

　　3

　　無線通信接收功率鏈路計算

　　我們都知道，一個完整無線通信系統，包括有，發射機，發射天線，傳播介質，接收天線，接收機。那麼，接收機最終能夠收到多少有用信號就取決於它之前的四個單元。

　　下面列出無線通信接收功率的鏈路計算公式：

　　看到這裏，各位看官估計心裏已經有答案了，是的，只要將天線增益做高，是有可能彌補自由空間損耗的。

　　但是，如何實現呢？

　　4

　　高增益天線

　　關於天線的知識，這裏不做過多的解釋，我們把目光集中在如何實現天線的高增益上。

　　我們都知道，廣播電視需要做一對多通信，天線通常都建在高山或者高樓上，目的是爲了覆蓋更多的用戶。

　　所以這種天線都是全向天線，它們向四面八方發射電磁波，電磁波分散的越廣，能量消耗越快。

　　那麼，如果將這些四散的電磁波集中起來，向一個方向發射呢？

　　是的，如果能夠讓天線只向一個方向發射，那麼天線增益將獲得極大的提升。這就是定向高增益天線的由來。

　　介紹一種經典的定向高增益天線，卡塞格倫天線，也叫拋物面天線：

　　直接給出它的經驗計算公式：

　　由此公式可以得出結論：

　　同等尺寸的拋物面天線，當工作頻率增加一倍時，天線增益將提升6dB！

　　有興趣的看官可以自己算算，是不是這個道理？

　　講到這裏，我們來做一個簡單的計算：

　　先給出條件

　　天地通信距離：

　　地球同步軌道=35786km，

　　取整 D=36000km

　　通信頻率：

　　3GHz 和 30GHz

　　發射接收天線的尺寸：

　　都定爲直徑10m 的拋物面天線

　　發射功率：

　　100W=50dBm

　　然後開始計算

　　01

　　首先計算自由空間衰減

　　· 由於是GHz 頻率

　　· 所以代入公式

　　L=92.4+20lg（F）+20lg（D）

　　· 設衛星和地面的距離D=36000km;

　　· 分別計算出3GHz的空間衰減：

　　L3=92.4 +9.5+91.1=193

　　· 30GHz的空間衰減：

　　L30=92.4+29.5+91.1=213

　　02

　　計算髮射和接收天線的增益

　　· 拋物面天線的計算公式爲單位爲dBi.

　　· 分別計算出：

　　· 3GHz波長爲 0.1m

　　· 則天線增益爲：

　　Gt3

　　= Gr3

　　= 10 lg [4.5 x (10/0.1)2]

　　= 46.5

　　· 30GHz波長爲0.01m

　　· 則天線增益爲：

　　Gt30

　　= Gr30

　　= 10 lg [4.5 x (10/0.01)2]

　　= 66.54

　　03

　　計算實際的鏈路功率

　　· 接收機實際接收到功率：

　　代入公式 Pr=Pt+Gt-L+Gr，

　　· 發射功率

　　Pt=100W=50dBm

　　· 則可以分別計算出

　　· 3GHz 接收機接收到的信號功率：

　　Pr3

　　= 50dBm + 46.5 - 193 + 46.5

　　= -50dBm

　　· 30GHz 接收機接收到的信號功率：

　　Pr30

　　= 50dBm + 66.5 - 213 + 66.5

　　= -30dBm

　　結果很清楚：

　　在不考慮天氣因素（比如下雨，比如陰天雲層厚）的情況下，越高頻率的無線鏈路效率越高！

　　5

　　高頻率，大帶寬，高速率

　　衛星在太空中需要靠電池工作，而電池能量是有限的。所以，縮短通信時間是節約電池能量的好辦法。

　　在需要傳輸的信息量恆定的條件下，想要縮短通信時間，則必須提高傳輸速率。

　　那麼怎麼提高傳輸速率呢？

　　香農老爺爺給我們指了一條明路：提高通信帶寬就可以提高信息傳輸速率。

　　大帶寬攜帶更多信息

　　在地球上，5G以下的無線電頻段已經被各種通信設備所佔領，沒辦法空出一塊完整的大帶寬給到衛星通信，而5G以上還有相對完整的頻譜資源，所以，衛星通信選擇5G以上也是爲了方便數據的傳輸。

　　總結

　　好啦！囉嗦了上面辣麼多，不曉得你們看懂沒有……

　　總之，由此，我們可以得出，衛星之所以採用5GHz以上的工作頻率，有下面幾個原因：

　　可以順利穿過電離層，不會被反射或吸收

　　高頻傳輸在高增益天線的支持下，並不會帶來太大的功率損耗。

　　高頻意味着大帶寬，根據香農公式，帶寬越寬，信息傳輸速率越高，對節約電能，提高衛星使用壽命有幫助。

　　5G以上還有相對完整的頻譜資源，不容易被幹擾。

　　出品丨EDA365

　　原創作者丨汪洋大海

　　排版編輯丨阿遲

　　插畫繪製丨彎彎

　　來源：EDA365

　　編輯：重光