浅论无人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系

1、浅论无人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系洪都科技HoNGDUSCCEDTECHNoLoGY浅论无人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系贾义海喻玉华(洪都航空工业集团)的机载卫通天线尺寸选择问题进行了较详细的计算,探讨.关键词机载卫通天线无人机信息速率射频功率AnalysisonRelationshipBetweenAirborneSatelliteCoramunicationAntennaSizeonUAVandmgiudsialTransmissionBandwithJiaYihaiYuYuhua(HongduAviationIndustryGroup)selectioninde

2、tails.KeywordsAirbomesatellitecommunicationantennaiiAVDatatransmissionrateRFpower1引言在无人机卫星中继数据传输链路中,经常会碰到这祥的一个问题:当传输带宽为2Mbps数字信号时,机载卫通天线用lm天线就够了;而当要求传输带宽为20Mbps数字信号时,机载卫通天线就要求加大.许多人对此不解,认为都是通视,信号都可以直接传送,接收,为何机载天线就要求加大许多,徒然增加工程难度.附图为无人机卫星中继通信链路示意图,其中从地面站发送经卫星中继到达无人机为上行链路,从无人机发送经卫星中继到达地面站为下行链路.2卫星通信数据

3、链路概说实际上这里涉及数字信号传输中的信号误码率问题.数字信号误码率即:在数字信号传输6第4期贾义海喻玉华:浅论无人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系地面站/无人机附图无人机卫星中继通信链路示意图过程中,接收,解码后的数字信号与发送端原数字信号正确率之比.一般来说,卫星中继链路数字信号传输误码率要求10一lO一,最低数字传输误码率要求100在实际的无线数字传输过程中,不仅要求无线信号可直接传送,接收,而且必须保证其误码率在允许范围内.否那么,即使数字信号可以传送,接收到指定设备,但由于误码率高,将使得该设备不能很好地工作.打个比方,有些地方的无线模拟电视信号传输链路中,虽然可以接收到电视

4、节目信号,但视屏画面不清楚,雪花点很多,严重影响观看效果.3卫星通信数据链路参数为何传送不同带宽的数字信号,机载卫通天线必须选择不同Vi径呢?要揭示这个问题,其关键就是数字信号传输误码率.在卫通数字信号传输链路中,数字信号传输误码率与如下因素有关:(1)发射机输出功率:发射端射频功放输出功率.(2)发端总损耗:包括射频连接馈线,接插件等.(3)发射天线增益:当天线Vi径增大时,其发射天线增益也增大.(1)接收天线增益:当天线Vi径增大时,其接收天线增益也增大.(2)收端总损耗:包括射频连接馈线,接插件等.(3)接收机灵敏度:为使得接收,解码后的数字信号到达规定的误码率,接收机需要的最低输入射频

5、信号强度.7洪都科技此数值与传输距离,传输介质,载波频段/频率有关.当要求误码率一定值时,采用不同的调制方式,选用不同纠错率,那么要求有不同的衰落裕度值.即码速率.选用不同的卫星,对数据的传送有较大的影响.4卫星通信数据链路各参数的计算'4.1下行传输带宽为2Mbps,20Mbps,上行传输带宽为25.6kbps时卫通链路计算(使用"ZW一1号"卫星).表1为使用"ZW一1号"卫星,其工作频段为Ku波段.传输带宽分别为2Mbps,20Mbps时,对机载射频功率的计算要求.第1,2列为各有关计算项及其单位;第3列为传输带宽为2Mbps时(下行),机

6、载射频功率要求;第4列为传输带宽为20Mbps时(下行),机载射频功率要求;第5列为传输带宽为25.6Kbps时(上行),地面站射频功率要求.表1传输带宽为2Mbps,20Mbps时机载射频功率要求ZW一1号卫星)12345卫星类型ZW一1号Ku频段卫星(G/T)sdB/K设为+5EI胁dBW设为50WsdBr/m设为一85接收站天线尺寸m661需机载(或地面站)W47473327237530.28射频发射功率通过表1,可以看出:(1)第5列中为上行链路计算,地面站天线口径为6m,机载卫通天线口径为1m,传输带宽为25.6kbps.计算得出地面站射频发送功率为0.28W.(2)第3列中为下行链

7、路计算,传输带宽为2Mbps,地面站天线口径为6m,机载卫通天线口径为1m.计算得出机载功放射频发送功率为47W.(3)第3列中为下行链路计算,传输带宽为20Mbps,地面站天线口径为6m,机载卫通天线口径分别为1m,1.2m,1.4m,3.0m.对应计算得出机载功放射频发送功率为473W(1m),327W8第4期贾义海喻玉华:浅论无人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系(1.2m),237w(1.4m),53W(3.0m).通过表1,可以得出如下结论:Ku频段卫通链路上行遥控链路很容易实现,其中原因一为遥控数据率很低(25.6Kbps),二为地面站天线口径较大,地面站射频发射功率仅为0.

8、28W.Ku频段卫通链路下行遥测链路不易实现,其中原因一为遥测数据率较大(几Mbps到几十Mbps),二为机载天线口径较小.在表1的计算中,为传送20Mbps带宽的下行遥测数据,机载卫通天线为1m时,机载射频功率为473W.对于实际发射功率为473W,工程上选用的功率放大器可能为800W功放,实际上,对于800W射频功率放大器,其耗电量至少应该大于2000W,这对于机上供电系统来讲,负担是相当沉重的.光凭此点(还有尺寸,重量等因素),要求机载射频功率为473W就是不现实的.因此,必须靠提高机载天线口径来减低机载射频功率要求.从表1第3列计算数据中看出,把机载天线口径从1m提高到1.4m,其他所

9、有条件都不变情况下,机载功放射频发送功率从473W下降到237W,下降一半!而假设能把机载天线口径提高到3m(实际工程不允许),那么机载功放射频发送功率下降到53W.因此,加大机载卫通天线口径是解决下行高传输带宽链路紧张的最正确途径.4.2下行传输带宽为2Mbps,20Mbps,上行传输带宽为25.6kbps时卫通链路计算(使用"XN一1号"卫星)表2为使用"XN一1号"卫星,其工作频段为Ku波段.传输带宽分别为2Mbps,20Mbps时,对机载射频功率的计算要求.第1,2列为各有关计算项及其单位;第3列为传输带宽为2Mbps时(下行),机载射频功率要求

10、;第4列为传输带宽为20Mbps时(下行),机载射频功率要求;第5列为传输带宽为25.6Kbps时(上行),地面站射频功率要求.表2传输带宽为2Mbps,20Mbps时机载射频功率要求(XN一1号卫星)12345卫星类型XN一1号Ku频段卫星(G/T)sdB/K设为+9EIRPsdBW设为54WsdBW/m设为一90接收站天线尺寸m661.o08射频发射功率通过表2,可以看出:(1)第5列中上行链路计算,地面站天线口径为6m,机载卫通天线口径为lm,传输带宽为9洪都科技25.6kbps.计算得出地面站射频发送功率为0.008W.(2)第3列中下行链路计算,传输带宽为2Mbps,地面站天线口径为

11、6m,机载卫通天线口径为1m.计算得出机载功放射频发送功率为18W.(3)第3列中为下行链路计算,传输带宽为20Mbps,地面站天线口径为6m,机载卫通天线口m),90W(1.4m).通过表2,可以得出如下结论:由于"XN一1号"卫星性能较"ZW一1号"卫星略高,无论上行还是下行链路,都较表1容易实现.Ku频段卫通链路上行遥控链路使用"ZW一1号"卫星时就很容易实现,改用性能更高的"XN一1号"卫星后,并无太多裨益.传送2Mbps数据率数据时,Ku频段卫通链路下行遥测链路较易实现,改用性能更高的"XN一1

12、号"卫星后,我们看到:机载天线口径同为1m,机载功放射频发送功率从47W下降到18W.有一定的改进效果.对于实际发射功率为47W和18W,选用的射频功率放大器均为125W功放,所以在工程上并没有得到太多好处,机载射频功放体积,重量都一样,耗电量略小.传送20Mbps数据率数据时,Ku频段卫通链路下行遥测链路不易实现,改用性能更高的"XN一1号"卫星后,我们看到:机载天线口径同为1m,机载功放射频发送功率从473W下降到l8Ow.改进效果明显.因此,选用性能指标高的中继通信卫星是解决下行高传输带宽链路紧张的有效途径.4.3下行传输带宽为20Mbps,上行传输带宽为&

13、#39;25.6kbps时卫通链路计算(使用"XN一1号"卫星,地面站天线分别为3m,13m)表3为使用"XN一1号"卫星,工作频段为Ku波段.传输带宽为20Mbps/25.6kbps,机载天线为1m,而地面站天线分别为3m和13m.对机载/地面站射频功率的计算.第1,2列为各表3传输带宽为20Mbps时机载/地面站射频功率要求(XN一1号卫星】_rl23456卫星类型XN一1号Ku频段卫星(G/T)SdB/K+9EIRPgdBW54WsdBW/m290发送站天线尺寸ml3l13接收站天线尺寸m3l131需机载(或地面站)W1O第4期贾义海喻玉华:浅论无

14、人机机载卫通天线尺寸与数字信号传输带宽关系有关计算项及其单位;第3列为传输带宽为20Mbps(下行),机载天线为lm,地面站天线为3m时机载射频功率要求;第4列为传输带宽为25.6kbps时(上行),机载天线为lm,地面站天线为3m时地面站射频功率要求;第5列为传输带宽为20Mbps时(下行),机载天线为lm,地面站天线为13m时机载射频功率要求;第6列为传输带宽为25.6ICbp时(上行),机载天线为lm,地面站天线为13m时地面站射频功率要求.通过表3,可以看出:(1)第3列中为下行链路计算,地面站天线口径为3m,机载卫通天线口径为lm,传输带宽为20Mbps.计算得出地面站射频发送功率为

15、186W.(2)第5列中为下行链路计算,地面站天线口径为13m,机载卫通天线口径为1m,传输带宽为20Mbps.计算得出机载功放射频发送功率为179W.(3)第4,6列中为上行链路计算,地面站天线口径分别为3m和13m,机载卫通天线口径为lm,传输带宽为25.6kbps.计算得出地面站功放射频发送功率分别为0.045W和0.0025W.通过表3,可以得出如下结论:机载卫通天线口径为1m,地面站天线口径分别为3m,13m,传输带宽为20Mbps,都使用"XN一1号"卫星.计算得出机载射频发送功率分别为186W,179W,两者几乎相等.因此,加大地面站天线口径对无人机紧张的下行高速率数据链路并无帮助.通俗讲:加大地面站天线口径并不能弥补机载小尺寸天线的缺陷;紧张的下行高速率数据链路的真正瓶颈在机载到卫星这一段.5结语通过以上分析计算,说明无人机卫星中继通信上行链路较容