衛(wèi)星通信天線遮擋分析*

王志波

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

衛(wèi)星通信天線主要用于同步衛(wèi)星信號的接收與發(fā)射。衛(wèi)星通信天線的主面輻射區(qū)域不得有遮擋，遮擋物會嚴重影響天線系統(tǒng)的增益[1]。故衛(wèi)星通信天線一般選擇建設在空曠的最高處，或者建設在城市的郊區(qū)。但是，隨著城市的發(fā)展，待建場區(qū)周圍樹立著高大建筑物。此時，衛(wèi)星通信天線的建設需要考慮高大建筑的遮擋問題；其次，場區(qū)建設多套衛(wèi)星通信天線，天線之間的遮擋問題也需要進行考慮分析。

本文描述了衛(wèi)星通信天線與高大建筑物之間的遮擋問題，衛(wèi)通通信天線與天線之間的遮擋問題。衛(wèi)星通信天線座架一般采用方位-俯仰形式[2]，天線反射器采用拋物面形式，其主輻射區(qū)域是繞著光軸的圓柱體[3]。根據(jù)衛(wèi)星的經度，可以計算天線的方位角和俯仰角。然后，根據(jù)遮擋問題，分別建立了衛(wèi)星通信天線與建筑物、衛(wèi)星通信天線與衛(wèi)星通信天線之間的分析計算模型，分析得出衛(wèi)星通信天線與建筑物之間、衛(wèi)星通信天線與天線之間不遮擋的安全間距。

1 衛(wèi)星通信天線位置分析

衛(wèi)星通信天線對準同步衛(wèi)星時，衛(wèi)星通信天線調整姿態(tài)，即調整到正確的方位角和俯仰角。衛(wèi)星通信天線的方位角AZ和俯仰角EL可以通過下面的公式計算：

（衛(wèi)星通信天線指向正北時，方位角為0°）

式中：ΦS是同步衛(wèi)星經度；Φe是衛(wèi)星通信天線經度；θ是衛(wèi)星通信天線緯度[4]。

2 建筑物遮擋分析

衛(wèi)星通信天線建設時，需要避開周圍高大的建筑物。如果天線場區(qū)附近存在高大建筑物，需要核算高大建筑物是否處于衛(wèi)星通信天線的主輻射區(qū)域內[5]。

2.1 遮擋計算

假設天線俯仰軸距地面h1 米，天線口徑d 米，建筑物距天線s 米，高h2 米，如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星通信天線與建筑物位置關系

根據(jù)以下公式計算天線不被遮擋的最小仰角β。

根據(jù)場區(qū)布局可知衛(wèi)星通信天線此指向狀態(tài)時的方位角，依據(jù)式（1）、（2）可計算得出衛(wèi)星通信天線此時俯仰角EL，俯仰角EL大于β，則天線不被遮擋。

2.2 解決方案

如果計算得出衛(wèi)星通信天線被遮擋，可考慮增大天線與建筑物的間距s。已知衛(wèi)星通信天線在此指向狀態(tài)下的俯仰角EL，天線與建筑物的間距可根據(jù)以下公式得出：

3 衛(wèi)星通信天線遮擋分析

隨著我國同步衛(wèi)星不斷發(fā)射成功，同步衛(wèi)星信號頻段的不同，需要配置不同頻段的衛(wèi)星通信天線。衛(wèi)星通信地面站中單套衛(wèi)星通信天線不能滿足業(yè)務，場區(qū)需要布置不同頻段或不同口徑的衛(wèi)星通信天線。場區(qū)的大小制約著天線的布局。為了在有限的場區(qū)布置更多的天線，天線之間的間距需要進行優(yōu)化設計。

衛(wèi)星通信天線的主波束d為直徑不被遮擋天線遮擋，天線的光軸到遮擋天線的轉動中心的最短距離應該大于，如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星通信天線不被遮擋條件

3.1 遮擋計算

假設天線俯仰軸距地面h1 米，天線口徑d 米，天線的電軸為OA。遮擋天線的轉動輪廓直徑D米，俯仰軸高h2 米，天線之間距離s 米，如圖3 所示。

圖3 衛(wèi)星通信天線之間位置關系

根據(jù)天線與遮擋天線之間的空間關系，可知衛(wèi)星通信天線的轉軸為O點，在地面的投影為O′點；遮擋天線的轉軸為B點，B點在地面的投影為B′，B點在天線光軸平面OAC的投影為C 點。建立平行于地面的OC′B′平面，B點和C點在OC′B′平面的投影分別為B′點和C′點。

根據(jù)以上分析可知，AB的長度為B點距離光軸OA的最短距離。

已知衛(wèi)星通信天線指向衛(wèi)星的經度，根據(jù)式（1）、（2）可計算出天線的方位角AZ和俯仰角EL，遮擋天線相對天線的方位角為BZ，α為天線光軸所在的鉛垂面OAC與兩天線所在鉛垂面OBB′′的夾角，即為AZ與BZ的差值。

3.2 實例計算

衛(wèi)星通信地面站經度114.48°，緯度38.03°。場區(qū)需要布置兩套13 米口徑的衛(wèi)星通信天線，天線俯仰軸距地相等，天線之間距離40 米，遮擋天線相對衛(wèi)星通信天線的方位角為120°，其轉動輪廓尺寸為20 米。根據(jù)公式6 和7，可計算針對90°～190°間不同衛(wèi)星時，天線與遮擋天線之間的最小距離，判斷天線是否被遮擋天線遮擋。

表1 衛(wèi)星通信天線遮擋計算數(shù)據(jù)

根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)可知，天線在指向大于170度衛(wèi)星時，衛(wèi)星通信天線距遮擋天線的轉軸中心的最小距離小于16.5 米，則會被遮擋天線遮擋；最小距離大于16.5 米，則不被遮擋。

4 結語

對衛(wèi)星通信天線與建筑物的遮擋問題和衛(wèi)星通信天線與遮擋天線的遮擋問題進行了分析，并對兩個遮擋問題建立計算模型。根據(jù)衛(wèi)星通信天線指向同步衛(wèi)星的方位角和俯仰角，利用空間模型，分析推算天線與建筑物理論間距，推算了天線與遮擋天線最小間距公式。根據(jù)實際工程，計算天線與遮擋天線的最小間距，判斷天線是否被遮擋，證明了推算的準確性，可用于指導衛(wèi)星通信地面站的場區(qū)布局。