2. 卫星链路基本构成与传播机制

要评估卫星链路的衰落与可用度，首先必须把链路拆解成可以逐段计算的对象。一条典型的卫星通信链路，从地面站发射机出发，经上变频、功率放大、天线辐射，穿过自由空间到达卫星转发器；信号在星上经过接收、变频、放大后再次辐射，再穿过自由空间回到另一地面站，最终进入接收机解调。整条链路可以抽象为三个核心部分：发射端、传播信道、接收端，而贯穿其中的关键参数是天线增益、自由空间损耗、噪声温度和载噪比。

一、链路的三段式结构

发射端负责把基带信号搬移到射频并辐射出去。它包含调制器、上变频器、高功率放大器（HPA）和发射天线。发射天线把电功率转换为定向电磁波，其定向能力用发射天线增益 G_t 描述。接收端则相反，接收天线把到达的微弱电磁波转换为电信号，经低噪声放大器（LNA）、下变频器送入解调器，其能力用接收天线增益 G_r 描述。中间的信道就是自由空间，信号在其中经历扩散、吸收、折射和雨衰等损耗。

对于卫星链路，通常分为上行链路（地球站→卫星）和下行链路（卫星→地球站）。上行和下行各自有独立的发射功率、天线增益、路径长度和噪声环境，因此载噪比需要分别计算，再合成得到总链路载噪比。这是卫星链路与地面微波链路最大的不同：地面链路通常只有一段传播，而卫星链路是两段级联。

二、天线增益与自由空间损耗

天线增益是链路预算中最先出现的参数。对于口径为 D、工作波长为 λ 的抛物面天线，其增益近似为：

G = η · (πD / λ)²

其中：
η  —— 天线效率，典型值 0.55～0.70
D  —— 天线口径（m）
λ  —— 工作波长（m），λ = c / f
c  —— 光速，3×10⁸ m/s
f  —— 工作频率（Hz）

以 C 波段 6 GHz 上行、3.7 m 口径天线、效率 0.6 为例：λ = 3×10⁸ / 6×10⁹ = 0.05 m，则 G = 0.6 × (π×3.7/0.05)² ≈ 0.6 × (232.5)² ≈ 3.24×10⁴，换算为 dB 约为 45.1 dBi。这个量级说明：口径越大、频率越高，天线增益越高，但波束也越窄，对指向精度要求越高。

自由空间损耗 L_fs 描述电磁波在无吸收、无遮挡的理想空间中因能量扩散造成的功率密度下降：

L_fs(dB) = 92.45 + 20·lg(d) + 20·lg(f)

d —— 传播距离（km）
f —— 工作频率（GHz）

对 GEO 卫星，上行距离约 38 000 km，下行约 38 000 km。以 6 GHz 上行、38 000 km 计算：L_fs = 92.45 + 20·lg(38000) + 20·lg(6) ≈ 92.45 + 91.6 + 15.6 ≈ 199.6 dB。可以看到，自由空间损耗接近 200 dB，是链路预算中最大的单项衰减。它随距离和频率的对数增长，因此频率越高、距离越远，损耗越大。

三、噪声温度与载噪比

接收端能否正确解调，取决于信号功率与噪声功率之比。噪声来源包括天线噪声、馈线损耗、LNA 噪声和后续接收机噪声。工程上把各部分噪声折算到接收机输入端，用等效噪声温度 T 表示，单位为 K。系统噪声温度越低，接收灵敏度越高。

载噪比 C/N 是链路预算的核心输出：

C/N(dB) = EIRP + G/T − L_fs − L_other − k − B

EIRP   —— 等效全向辐射功率（dBW）
G/T    —— 接收系统品质因数（dB/K）
L_fs   —— 自由空间损耗（dB）
L_other—— 雨衰、馈线、指向等附加损耗（dB）
k      —— 玻尔兹曼常数，−228.6 dBW/(K·Hz)
B      —— 接收带宽（dBHz）

其中 EIRP = P_t + G_t − L_馈线，G/T = G_r − T_sys（dB 形式）。以某 C 波段上行站为例：P_t = 200 W（23 dBW），G_t = 45.1 dBi，馈线损耗 1 dB，则 EIRP ≈ 67.1 dBW。卫星接收 G/T 取 −5 dB/K，L_fs = 199.6 dB，附加损耗 2 dB，B = 36 MHz（75.6 dBHz），代入得 C/N ≈ 67.1 − 5 − 199.6 − 2 + 228.6 − 75.6 ≈ 13.5 dB。这个结果说明：在晴空条件下，上行链路载噪比约 13～14 dB，属于可用范围；一旦降雨引入额外 6～10 dB 雨衰，C/N 会迅速下降到门限附近，这正是后续章节要重点评估的衰落问题。

四、传播机制对链路的影响

自由空间损耗只是理想情况。真实传播中，信号还会经历大气吸收、雨衰、云衰、闪烁、去极化等机制。大气吸收在 22 GHz 水汽吸收峰和 60 GHz 氧气吸收峰附近显著；雨衰与降雨率、频率、路径仰角相关，频率越高、仰角越低，雨衰越严重；对流层闪烁造成信号快速小幅起伏，影响低仰角链路；去极化则使正交极化信道之间产生干扰。这些机制共同决定了链路在非理想天气下的可用度。

把上述参数串起来看，链路预算的本质就是：发射端提供足够的 EIRP，接收端提供足够低的 G/T，信道扣除自由空间损耗和附加损耗，最终在解调器入口得到满足门限的 C/N。理解这条主线，后续分析雨衰、闪烁、可用度时，才能准确判断是哪个环节在恶化、恶化多少、是否还能维持链路闭合。