卫星通信中常用的频段和适用场合

1.C频段的应用

C频段优点较为突出的是C频段的传输受天气的影响较小，是卫星通信中最理想的频段之一。C频段在卫星通信中一般常用上行频率应用范围为5.925～6.425GHz，拓展频段为5.850～6.425GHz；下行频率应用范围为3.700～4.200GHz，拓展频段为3.625～4.200GHz。

卫星通信的传输中C频段有全球波束（Global Beam）、半球波束（Hemi Beam）和区域波束（Zone Beam）的卫星转发器，较之Ku频段点波束（Spot Beam）的转发器来说，具有覆盖区域大的优势。目前我国和亚洲大多数国家仍将C频段来进行卫星电视广播和重要通信，特别是多雨地区，跨洲卫星通信使用C频段来传输更为合适。然而C频段卫星通信也不是十全十美的。由于C频段卫星转发器功率相对较小，卫星的下行EIRP也较小，又因C频段地球站的天线增益较之相同口径的Ku频段天线增益要低得多，所以要求较大口径的卫星天线来满足C频段上、下行的传输。由于C频段卫星天线口径大，运输安装，调试和维护的难度也较大。由于其波束较宽受邻星干扰、日凌中断的影响远大于Ku频段，其抗干扰性能较差，同时与地面的微波通信还存在频率协调问题。

C频段卫星通信由于天线大的原因，在灵活、机动的应急通信领域使用的场合较之Ku频段卫星通信困难得多。C频段卫星通信常用于民用通信、广播电视及海事卫星通信等。

2.Ku频段的应用

Ku频段在卫星通信中一般上行频率应用范围为14.0～14.5GHz，拓展频段为13.75～14.5GHz；下行频率应用范围为10.95～11.70GHz，11.70～12.20GHz，12.25～12.75GHz；而欧美一些国家除了应用上述上行频段外，上行频段还应用12.75～13.25GHz，13.25～13.75GHz，12.75～13.50GHz等，由于其中两个频段的低端频率为12.75GHz，和下行频率的高端频率一样，为了避免发信对收信的影响，在天馈系统中要加滤波器，严格地将收、发信载频隔离开来。然而，不管使用什么上行频率范围，但收信频率是一致的。目前，我国Ku频段在卫星通信中一般上行频率应用范围为14.0～14.5GHz，拓展频段为13.75～14.5GHz，下行频率应用范围为12.250～12.750GHz。

目前，Ku频段在卫星通信中Ku频段的卫星转发器功率比较大，地面场强较强。根据式（2-1）可知卫星通信天线的增益与三大因素有关：天线面积（天线直径）、使用的频率（波长）以及天线效率有关。Ku频段频率高，其增益比相同口径的C频段天线增益高得多，与C频段相比，可以大大减小天线的口径，便于运输、安装、调试和维护。Ku频段的主要优点为，不需要与地面微波通信相协调，Ku频段与C频段在相同天线面积条件下相比，因天线波束窄而相对减轻了邻星干扰。Ku频段的主要缺点是由于Ku频段卫星通信覆盖区域一般都远小于C频段，在高降雨区中很难避免因暴雨的雨衰造成的通信中断。

在使用Ku频段卫星通信中一直存在着两种观点：持第一种观点的人认为Ku天线增益的提高恰好被Ku频段空间传输损耗的增大所抵消。由于Ku卫星的下行EIRP高于C频段下行EIRP十几个分贝，Ku频段的地面天线口径才能减小到C频段在同等条件下所用的一半以下。C频段静止通信卫星的EIRP通常被限制在40dBw以下，而Ku频段在静止轨道上通信卫星的下行EIRP一般都在50dBw以上。Ku频段卫星下行EIRP的大幅度提高是通过卫星在设计、制造和使用中的大量投入和消耗所换来的。Ku频段的一个致命弱点是雨衰，虽然Ku频段可用小口径天线的增益远比相同口径的C频段天线的增益要高很多，但大部分被雨衰所抵消。持另一种观点人认为卫星通信业务的全面发展，大幅度提高转发器增益是一个方向，现时卫星通信已与过去40年前建立一个30m直径的C频段天线进行固定地球站之间的通信截然不同，20世纪70～90年代的以卫星通信为主要传输手段的国内长途通信和国际通信已被光纤通信所取代，现时的卫星通信已转型，卫星通信的主要业务是企业网、虚拟专用网、数据采集、中继传输、SNG、IP多媒体、视频会议和体育赛事等重大活动的电视转播、应急通信和军事通信等，大批卫星通信车载站和卫星通信便携站（Flyaway）应运而生。上述共同一个特点就是需要卫星通信设备的小型化、数字化、宽带化。用户需要的是天线小增益高。而Ku的雨衰不是主要问题，何况一般的雨衰并不构成通信中断，只有暴雨才构成Ku频段卫星通信中断，若为了几次暴雨而放弃Ku频段的应用，那么，卫星通信是没有出路的。

由于获得同样的天线增益，Ku频段卫星通信的天线相对C频段卫星通信的天线尺寸小得多，Ku频段卫星通信用的领域较广泛，常用于广播电视、数据采集、中继传输、SNG、IP多媒体、企业网、各种专用通信网、会议电视、以及远程教育和远程医疗等方面的IP接入业务等民用通信、也常用于灵活机动的应急通信、军事通信等。

3.C/Ku双频段共用的卫星通信系统

近年来由于市场的需求，特别是世界级的大型体育赛事和世界上重大事件的卫星电视转播，需求方来自世界各国，频段需求也不一样，有的国家媒体需要Ku频段转播，有的国家媒体需要C频段转播，为了提高车载SNG和卫星通信便携站（Flyaway）SNG的利用率采用了C/Ku双频段共用的卫星通信系统如图2-24所示，C/Ku双频段共用的卫星通信系统共用一副卫星天线的锅面，采用C、Ku不同频段不同的馈源，不同的馈源各自带有自己的LNB，天线增益与信号频率的二次方成正比；天线增益与天线本身的精度有关，精度越高，增益越大，Ku波段天线精度要比C频段的天线要求更高，一般C/Ku双频段共用的卫星通信系统的天线特性设计偏向于Ku频段，所以此时Ku频段的天线增益与同类Ku频段的天线增益基本相同，而此时C频段的天线增益略低于同类天线的增益。目前美国的VERTEX等厂商已生产出C/Ku双频段共用的车载卫星天线，英国的CML等厂商已生产出C/Ku双频段共用的Flyaway卫星天线，图2-25为英国CML公司的C/Ku双频段1.8m卫星天线的Flyaway系统；C/Ku双频段共用的使用不同频段进行卫星通信时，天线换成相应频段的馈源。在车载站顶部预先安装好不同频段的波导接口，在开通前根据需求连接不同的波导。在上行方面预先在机架上装有不同频段的高功放和上变频器，根据需求打开相应频段的高功放和上变频器。图2-24为常用的C/Ku双频段共用的数字卫星电视传输系统框图，展示了C/Ku双频段共用的数字卫星电视传输的应用方法。

图2-24 C/Ku双频段共用的数字卫星电视传输系统框图

使用说明：

1）若常用C波段：C波段馈源（OMT）、C波段功放开关（BUC-SW）和LNB（输出为L波段的低噪声放大器）常接在系统中（粗实线），则Ku波段馈源（OMT）和LNB、Ku波段功放开关（BUC-SW）（粗的虚线）当用的时候才接。反之均可。其中：BUC-输入为L波段的功放，IRD-智能接收解码器。

2）BAND-SW为L波段倒换开关，其功能：选择卫星系统是C波段或Ku波段输出，减少了操作人员的许多麻烦，图2-25为英国CML的C/Ku双频段卫星天线。

3）上述图的功放均放在室内，机房顶上有两个波导输出口；若Ku波段功放放在天线馈源支架臂上，则机房顶上有一个波导输出口和一个L波段输出口，但BAND-SW是少不了的。

目前世界上美国的ETM、XICOM等厂商已生产出C/Ku双频段共用的高功放和C/X/Ku三频段共用的高功放，使用这种高功放一个就含盖了C/Ku双频段或C/X/Ku三频段，这为C/Ku双频段共用的卫星通信系统车载站减小了车内设备的使用空间，特别是为Flyaway减少了携带的设备提供了方便。图2-26为美国XICOM-C/X/Ku-XTD-150T型三频段TWT高功放，其工作在5.850～6.425GHz的C频段的输出功率为110W，工作在7.900～8.400GHz的X频段的输出功率为150W，工作在13.750～14.500GHz的Ku频段的输出功率为90W。

4.Ka频段的应用

由于近年来世界各地卫星通信已由过去的公众网向企业网、应急通信网和军事通信等转型，非洲等地的卫星通信的发展，为满足未来的大量多媒体和普通家庭用户应用、日益发展的企业网、卫星应急通信提供充足的网络容量，现用的C、Ku波段卫星转发器带宽已捉襟见肘，应用Ka波段的情况越来越多，表现出了世界通信卫星新的发展趋势。Ka频段通信卫星的特点是：由于Ka频段频率高卫星波束窄，若要覆盖一个国家或地区需要多波束覆盖；由于是多波束使用，频谱利用率高；可在卫星上处理及交换；传输速率范围宽；目前，Ka频段在卫星通信中一般上行频率应用范围为29～30GHz，30～31GHz，下行频率应用范围为18.200～19.200GHz，19.200～20.200GHz，20.200～21.200GHz，21.200～22.200GHz。

图2-25 英国CML的C/Ku双频段1.8m卫星天线Flyaway

图2-26 美国XICOM-C/X/Ku三频段TWT高功放

由于Ka频段在卫星通信中的应用频率远比C、Ku频段高，根据上述公式可知天线在同等条件下其用户终端的卫星天线的口径要比C/Ku频段的小得多。虽然Ka频带宽利用率高，可适用宽带多媒体卫星，但是电波传输损耗大，且易受降雨及大气中水汽凝结物影响。其中，雨衰是影响Ka波段卫星通信可用度的主要因素。为了保证可靠的通信，必须设法补偿因雨衰引起的信号电平的损失。在美国研发的ACTS（先进通信技术卫星）系统中，采用了两种技术，一是增加卫星和地球站发射机功率；另一是降低卷积编码的码速率。自美国发射的Spaceway F1、F2卫星使用Ka波段提供全美高清电视以来，其他国家例如日本、俄罗斯等相继实验并尝试发射卫星使用Ka波段提供高清业务。2012年澳大利亚订购了两颗Ka波段的宽带通信卫星NBN CO1A/1B除了覆盖本国，还为其他国家提供除了宽带业务外的广播电视、卫星电话等业务。欧洲主要的卫星运营商之一SES Astra公司2011年5月24日宣布，预计从2012年9月开始，利用将在2012至2014年发射的Astra 2E/2F/2G卫星（28.2°E）携带的Ka波段有效载荷，也在欧洲推出Ka波段的Astra 2Connect卫星宽带上网服务。欧洲另一家主要卫星运营商Eutelsat公司于2011年5月30日正式推出新一代Tooway卫星宽带服务，Tooway宽带服务作为一个通用的平台，可以为大型机构和专业单位提供高宽带和高品质服务的专业应用，包括商业宽带连接、私人网络、遥远监视控制等。在这种类型应用中，Tooway终端设备可以提供下载40（50）Mbit/s于HDTV、3DTV传输以及HD卫星新闻采集（SNG）等业务。

INMARSAT-5星座（第五代Ka波段全球卫星通信网络）能够让INMARSAT提供独特的全球高速移动宽带业务。预期于2014年开始运行，INMARSAT-5将支持下一代全球业务（Global Xpress），该业务的目标为VSAT服务领域里的14亿增量的市场机会。Global Xpress强调在现有海事、能源和政府市场的基础上，在航空等发展中的市场中进一步提高潜力。Global Xpress将交付无缝的全球覆盖和无与伦比的移动宽带，其最高速度达到50Mbit/s，而用户终端只有iPad大小。

由于在通信卫星中采用Ka波段，可以获得较宽的工作频带，增加通信容量，同时还可以实现较窄的波束，从而获得高的EIRP值，减小地球站的天线尺寸，同时较窄的波束也使卫星“动中通”的应急通信和军事得以发展。著名的国际太空咨询机构Euroconsult在其《卫星通信与广播市场观察》（第16版）中指出，“2018年，Ka波段需求将占卫星容量总需求的14%”，在世界各国的军事卫星通信也将被推向Ka波段。而且，相对于C、Ku波段，Ka波段的干扰较小，便于卫星的轨道位置和频率关系的协调。Ka波段也被称作30/20GHz波段，通常用于卫星通信。Ka波段最重要的一个特点就是频带较宽，C频段的一般传统的可用带宽为500～800MHz；Ku频段传统的可用带宽为500～1000MHz；而Ka频段的可用带宽可达到3500MHz，甚至更宽。因此，Ka波段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、数字卫星新闻采集（DSNG）、VSAT业务、直接到户（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka波段的缺点是雨衰较大，由于频率较高设备制造带来了一定的技术难度，例如：BUC、HPA、LNB、LNA目前尚未对器件和工艺的要求较高，图2-27和图2-28为Ka频段的设备。

图2-27 澳大利亚EM-SOLUTIONS的Ka频段16W-BUC

图2-28 加拿大NORSAT的Ka频段9000XD-3外参考LNB(www.xing528.com)

随着军事通信、应急通信和卫星通信业务的不断发展和需求，卫星通信的各类“动中通”也迅速发展起来了，有海警、海军船上的船载“动中通”，有飞机上的机载“动中通”，同时又陆上车载“动中通”。我国由于国内目前尚未有Ka频段的通信卫星，所以大多用的频段为L频段、C频段、Ku频段，由于卫星通信的“动中通”刚刚发展，特别是国际国内车载“动中通”大多用的Ku频段。有些技术指标尚未过关特别是天线方向图以及第一旁瓣与主瓣的相差还不到12dB，离卫星通信技术指标大于14dB相差甚远，又由于天线小波束宽，发信功率大（国内“动中通”普遍使用40W或80W的功放），对邻星的通信干扰特别大，以至于卫星公司对一些技术指标不好的车载“动中通”禁止其使用。根据半功率点波束宽度的计算公式可知Ka频段相对Ku频段来说波束窄得多，Ka频段频率相对Ku频段来说天线增益高得多，非常适用车载“动中通”，国外不少发达国家车载卫星通信“动中通”用的是Ka频段。

而对于我国关于Ka频段的利用还处于空白期，目前尚未有Ka频段的商业通信卫星，我国还未涉及Ka频段的卫星通信。关键问题是要解决Ka频段抗雨衰技术、Ka频段卫星通信的功放、变频器、低噪声放大器、卫星天线等设备在生产上有新的突破，这样，在这个高带宽的频段，能够开创更多新的业务，尤其是需要高带宽的高清电视视频类业务、互联网接入、交互式多媒体业务等。

5.X频段的应用

根据IEEE标准，X波段是指频率在7.925～12.500GHz的无线电波波段，通常在卫星通信中其上行频率范围为7.90～8.40GHz下行频率范围为7.25～7.75GHz。根据ITU无线电规则，X频段可应用在卫星通信、卫星广播电视、气象卫星等。由于X频段介于C频段与Ku频段之间，X频段的卫星通信天线的口径相对比C频段同增益的天线的口径来得小。虽然，雨衰对X频段的信号传输有一定的影响，然而，相对Ku频段雨衰的影响要小得多。像美国等国家将X频段的卫星通信用在军事通信上。

6.L频段的应用

较之C、Ku、Ka频段雨衰影响最小的卫星通信的L频段，常用在INMARSAT海事卫星、广播卫星等方面。L频段的INMARSAT海事卫星通信由三个部分组成：空间段（卫星）、地面段（卫星通信地面网络，含网络协调站NCS、地球站LES）、用户段（卫星移动通信终端MES）。INMARSAT海事卫星通信由太平洋区域（POR）178°E，印度洋区域（IOR）64°E，大西洋区域东（AOR-E）5.5°W，大西洋区域西（AOR-W）54°W四颗海事卫星覆盖全球。地面段卫星地球站到INMARSAT海事卫星的上行频率为6GHz，INMARSAT海事卫星到地面段卫星地球站的下行频率为4GHz。用户段到INMARSAT海事卫星的上行频率为1.6GHz（1.636～1.643GHz），INMARSAT海事卫星到用户段的下行频率为1.5GHz（1.535～1.542GHz）。

L频段的INMARSAT海事卫星通信最早在1976年，美国为了满足海军军事通信需求，先后在大西洋、太平洋、印度洋上空发射了三颗海事通信卫星，建立了世界上第一个海事卫星通信网络。在这之前，世界上海上通信包括海军军事通信都是将短波通信作为通信的主要手段，短波通信靠电离层反射来完成通信任务，短波通信受季节、气候、昼夜影响，并受太阳黑子的干扰，通信质量很不稳定。海事卫星通信兴起是通信领域中的一场革命。1979年成立了国际海事卫星组织——INMARSAT，之后逐步发展到Land mobile（陆上移动通信），Maritime（船上海事通信），1nmarsat-Aero（用于飞机之间和飞机与地面之间的通信）等领域。INMARSAT海事卫星通信从早期的A站到M4站直到近年的BGAN（Broadband Global Area Network，宽带全球网络）站的出现，INMARSAT海事卫星通信发生了天翻地覆的变化，由最初的低速率传输到现在的BGAN站可传输数据（32、64、128、256Kbit/s）和实时活动图像、并可组成局域网，这与近年来H.264图像传输的出现，VOIP的运用，IP网络的时兴等通信领域新技术的发展密切相关。随着通信领域的不断进步，将会解决INMARSAT海事卫星通信业务使用费用高阻碍INMARSAT海事卫星通信发展的瓶颈，将使更多企业和个人得到实惠，图2-29及图2-30为INMARSAT覆盖及传输图。

7.全球星和铱星使用的频段

（1）全球星系统

全球星系统主要由空间段、地面段和用户段三部分组成。

空间段—由48颗卫星加8颗备份星组成。这些卫星分布在8个倾角为52°的圆形轨道平面上，每个轨道平面6颗卫星和1颗备份星。由于轨道高度约为1414km，传输时延和处理时延小于300ms，所以用户感觉不到时延。整个系统的覆盖区为南北纬70°以内的地区。各个服务区总是被2～4颗卫星覆盖，用户可随时接入该系统。

图2-29 INMARSAT移动卫星通信世界范围覆盖图

图2-30 INMARSAT移动卫星通信业务传输图

地面段—该段包括全球星控制中心（NCC）和关口站（GW）。

用户段——指的是使用全球星系统业务的用户终端设备，包括手持式、车载式和固定式。

全球星系统关口站到卫星的上、下行链路使用的是C频段，关口站到卫星上行链路使用5091～5250MHz，而卫星到关口站下行链路使用6875～7055MHz。全球星系统用户链路使用L、S频段，用户终端到卫星上行链路使用1610～1626.5MHZ，卫星到用户终端下行链路使用2483.5～2500MHz。卫星L频段和S频段天线均由16个波束组成。L频段和S频段的频道间隔为1.23MHz。中国国家无委会在1998年就给在中国运营全球星系统的运营商发了全球星系统试验许可证。

（2）铱星系统

铱星系统和全球星系统一样铱星系统主要由空间段、地面段和用户段三部分组成。

空间段系统有66颗低轨卫星分布在6个极平面上，在极平面上的11颗工作卫星。卫星在780km的高空以27000km/h的速度绕地球旋转，100min左右绕地球一圈。每颗卫星与其他四颗卫星交叉链接，两个在同一个轨道面，两个在临近轨道面。卫星之间的间隔约2800mile^[1]。卫星上采用先进的数据处理和交换技术，并通过星际链路在卫星间实现数据处理和交换、多波束天线。铱系统最显著的特点就是星际链路和极地轨道。铱星系统的用户端使用L频段（1616～1626.5MHz）上传送卫星语音和数据信号，星际链路、地球站的上行和下行链路则使用Ka频段的频率。目前，铱星终端表现还是比较出色的，配合Iridium Axcess Point设备可以实现WiFi功能，笔记本电脑等设备可以通过无线接到WiFi进行互联网访问，速率为2.5～20Kbit/s，虽然速率低了一点，但毕竟实现了这一功能，图2-31及图2-32为铱星手机及现场使用图。

图2-31 铱星手机终端

图2-32 铱星实现WiFi功能现场使用图

全球星与铱星的区别：铱星是以星际传播的方式进行信号传输，与地面的网络是竞争的关系；而全球星是对地面网络的补充，可以与地面的移动网络互通，在有地面网络的地方就利用地面网络传输信号，在地面网络覆盖不到的地方可以采用全球星卫星传输的办法。铱星优点缺点都非常明显，使用方便特别是在沙漠等地质勘探、山区、油井、灾害恢复的应急通信在无手机基站的条件下应用，设备小用电量不多，携带方便特别是单兵通信更是轻捷方便。但其缺点是：若在室内或树林密集的森林等场合使用通信就有可能中断。

以上阐述了卫星通信为什么使用C、Ku、Ka、L等频段的原因和应用场合。今年来随着卫星通信的发展各频段的使用不断拓展，表2-4描述了当今从事卫星通信领域的工程技术人员所关心的上下行设备中的常用卫星通信的频率范围和BUC、LNB相关设备的本振频率，由此可知，卫星通信的发展各频段的拓展可见一斑。卫星通信的相关设备产品也有相当的提高，特别是功放由过去的速调管功放（HPA）发展到行波管功放（TWTA）直至现在的固态功放（SSPA），体积越做越小，重量越来越轻，性能越来越好。各类卫星通信的产品目不暇接。相信不久的将来，世界卫星通信对Q频段等的探索和应用有一个飞跃，我国一定要填补Ka频段在卫星通信应用中的空白。

表2-4 上下行设备中的常用卫星通信的频率范围和相关设备的本振频率