卫星通信的频率为什么那么高？

【导读】为什么卫星离地面这么远，却很少采用低频通信？为什么大多数卫星的通信频率高达5GHz~40GHz却可以传输3.6万公里的超远距离？要解开这个疑问，我们需要了解以下5个方面的知识。

学生时代，物理老师讲过这几个知识点：

1、FM调频广播的频率是88~108MHz，覆盖范围从几百公里到几千公里；

2、无线蜂窝网络的频率是400MHz~3GHz，覆盖范围从几公里到几十公里；

3、Wi-Fi网络的通信频率是2.4~2.5GHz和5.2~5.8GHz，覆盖范围从几米到几百米；

4、卫星的通信频率通常是5GHz~40GHz[1]，通信距离为3.6万公里。

从前三条知识点可知，电磁波频率越低，在空气中自由传播的距离就越远。

那为什么卫星离地面这么远，却很少采用低频通信？为什么大多数卫星的通信频率高达5GHz~40GHz却可以传输3.6万公里的超远距离？

要解开这个疑问，我们需要了解以下5个方面的知识。

01电离层

电离层是地球大气的一个电离区域，其中存在很多自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

如上图所示，长波、中波被电离层直接吸收，只能通过地面波传播；短波被电离层反射，只能在电离层以下的大气内部传播；微波则不受电离层影响，可以直接穿透电离层。

因此，卫星通信必须采用微波频段以上频率的信号，才能实现星地通信。

02电磁波的自由空间衰减

电磁波在穿透任何介质时都会有损耗，所以电磁波在大气中传播的时候一样存在损耗。

电磁波在大气自由空间中的传输损耗和电磁波的频率及传输距离成正比，频率越高，空间损耗越大。

如果理解没有错误，那么卫星为什么还要采用5GHz以上的频率通信呢？来看第三个知识点。

03无线通信接收功率链路计算

一个完整的无线通信系统，组成包括：发射机、发射天线、传播介质、接收天线、接收机。其中，接收机最终能够收到多少有用信号就取决于前四个组成部分。

无线通信接收功率的链路计算公式：

根据计算公式可知，只要将天线增益提高，就有可能弥补自由空间的损耗。

但是，这又将如何实现？

04高增益天线

关于天线的知识，这里不做过多说明，我们把注意力集中在如何提高天线增益上。

我们都知道，广播电视是一对多通信，天线通常都建在高山或高楼上，目的是为了覆盖更多的用户。广播电视使用的天线都是全向天线，它们向四面八方发射电磁波，电磁波分散得越广，能量消耗越快。

那么，如果将这些四散的电磁波集中起来，向一个方向发射呢？如果能够让天线只向一个方向发射，那么天线增益将获得极大的提升。这便是定向高增益天线的由来。

下面介绍一种经典的定向高增益天线，卡塞格伦天线，也叫抛物面天线：

它的增益计算公式是：

由此可以得出结论：同等尺寸的抛物面天线，当工作频率增加一倍时，天线增益将大幅提升！

05高频率、大带宽、高速率

随着时代的发展，我们需要传输的信息量越来越大，对通信速率的要求也越来越高。那么如何提高传输速率呢？

香农（Shannon）给了我们答案：提高通信带宽就可以提高信息传输速率。

大带宽可以携带更多信息。

在地球上，5G以下的无线电频段已被各种通信设备占据，没办法给卫星通信提供完整的大带宽，而5G以上还有相对完整的频谱资源，所以，卫星通信选择5GHz以上的工作频率也是为了方便数据传输。

因此，卫星之所以采用5GHz以上的工作频率，总结为以下几个原因：

1、可以顺利穿过电离层，不会被反射或吸收；

2、高频传输在高增益天线的支持下，并不会带来太大的功率损耗；

3、高频意味着大带宽，根据香农公式，带宽越大，信息传输速率越高，更够满足更复杂的业务需求；

4、5GHz以上还有相对完整的频谱资源，不容易被干扰。

[1]：为了满足某些便携性方面的需求，有些卫星使用更低的通信频率。例如：海事卫星通信频率为1GHz左右，天通卫星通信频率为2GHz左右。由于通信频率的限制，它们只能够提供低速话音、数据服务。

来源：中国科学院物理研究所  微波射频网

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