4. 天线基础与方向图

在星地链路预算中，天线是唯一同时决定“发得出去”和“收得回来”的射频部件。链路方程里出现的 EIRP、G/T、路径损耗、载噪比，最终都要落到天线增益、波束宽度、效率、旁瓣和极化这些可测量、可验收的参数上。理解它们之间的换算关系，比记住公式本身更重要。

一、方向图与增益：把功率“聚焦”到需要的方向

天线方向图描述的是辐射能量在空间各方向上的相对分布。工程上通常用两个正交主平面表示：以地球站抛物面天线为例，方位面（Az）和俯仰面（El）的切面图即可完整反映主瓣形状。方向图的核心指标是主瓣增益、半功率波束宽度（HPBW）、第一旁瓣电平（SLL）和前后比。

增益的定义是：在相同输入功率下，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与理想无方向性天线在同一位置产生的功率密度之比。它由方向性系数 D 和效率 η 共同决定：

G = η · D
G(dBi) = 10·lg(G)

抛物面天线常用估算式：
G ≈ 10·lg[ η · (π·D/λ)² ]
其中 D 为口面直径，λ 为工作波长，η 为口面效率

以 C 波段 6 GHz 上行、口径 3.7 m 的地球站天线为例，λ = 0.05 m，若口面效率取 0.65，则 G ≈ 10·lg[0.65×(π×3.7/0.05)²] ≈ 43.5 dBi。若效率降到 0.55，增益约下降 0.7 dB。这 0.7 dB 在链路预算中会直接体现为上行 C/N 的下降，因此口面效率不是“锦上添花”，而是必须纳入预算的损耗项。

二、波束宽度、效率与旁瓣：指向精度与干扰控制

半功率波束宽度近似为 θ₃dB ≈ 70λ/D（度）。同一副 3.7 m 天线在 6 GHz 时 θ₃dB ≈ 0.95°，在 14 GHz 时约 0.40°。波束越窄，增益越高，但对指向误差越敏感。工程上通常要求指向误差不超过 θ₃dB 的 1/10～1/5，否则增益损失会明显增大。例如指向偏差 0.1° 时，对 0.95° 波束的增益损失约 0.1 dB，而对 0.40° 波束则可能超过 0.5 dB。

效率 η 综合了口面照射、溢出、遮挡、表面公差和馈源损耗。旁瓣则决定天线对相邻卫星或地面干扰的抑制能力。ITU-R S.580、S.465 等建议对地球站旁瓣提出了包络限制，典型要求是第一旁瓣不超过 −14 dB，远旁瓣按 29−25·lgθ 等包络控制。旁瓣超标往往意味着发射时干扰邻星、接收时引入额外噪声，最终反映为链路可用度下降。

三、极化：容易被忽视的 3 dB 量级损失

极化描述电场矢量在传播方向上的取向与旋转方式。卫星通信常用线极化（水平/垂直）和圆极化（左旋/右旋）。理想情况下，收发极化必须匹配；一旦失配，就会产生极化损耗。线极化对线极化时，若夹角为 φ，损耗为 −20·lg(cosφ)。φ = 45° 时损耗约 3 dB，φ = 90° 时理论上完全收不到信号。圆极化对线极化时，理想情况下固定损失 3 dB；圆极化对圆极化时，旋向相反则隔离度很高，但雨衰会引入去极化分量，使交叉极化鉴别度（XPD）下降。

工程上，地球站天线通常要求 XPD ≥ 30 dB（轴向），卫星天线波束边缘也需满足相应指标。若 XPD 只有 20 dB，则交叉极化分量约 −20 dB，在频率复用系统中会直接抬高同频干扰，表现为误码率恶化。因此极化调整不是“对星后顺手做一下”，而是链路开通前必须用交叉极化隔离度测试确认的关键步骤。

四、EIRP 与 G/T：链路预算的两个核心端口指标

EIRP（等效全向辐射功率）是发射端的总能力，定义为发射功率与天线增益的乘积，扣除馈线损耗：

EIRP(dBW) = Ptx(dBW) + Gtx(dBi) − Lfeed(dB)

示例：Ptx = 20 W = 13 dBW，Gtx = 43.5 dBi，Lfeed = 1.2 dB
EIRP = 13 + 43.5 − 1.2 = 55.3 dBW

G/T 是接收端的品质因数，表示接收增益与系统噪声温度的比值，单位 dB/K：

G/T(dB/K) = Grx(dBi) − 10·lg(Tsys/K)

示例：Grx = 40 dBi，Tsys = 150 K
G/T = 40 − 10·lg150 ≈ 40 − 21.8 = 18.2 dB/K

系统噪声温度 Tsys 由天线噪声温度、馈线损耗和接收机噪声温度共同决定。天线仰角越低，看到的“热地球”越多，天线噪声温度越高，G/T 越差。因此同一副天线在低仰角时的 G/T 可能比高仰角差 1～2 dB，链路预算必须按最坏仰角核算。

五、把参数串起来：一次上行链路核算示例

假设地球站发射 6 GHz、Ptx = 20 W、Gtx = 43.5 dBi、馈线损耗 1.2 dB，则 EIRP = 55.3 dBW。卫星接收 G/T = −5 dB/K，路径损耗按 37 000 km、6 GHz 计算约 199.5 dB，其他损耗（大气、雨衰、指向）合计 2 dB。则载噪比密度：

C/N₀ = EIRP − Lpath − Lother + G/T + 228.6
     = 55.3 − 199.5 − 2 + (−5) + 228.6
     = 77.4 dBHz

若接收机解调门限要求 C/N₀ ≥ 74 dBHz，则当前链路余量约 3.4 dB。此时若天线口面效率从 0.65 降到 0.55，EIRP 下降 0.7 dB，余量只剩 2.7 dB；若再叠加 0.5 dB 指向误差，余量进一步压缩。可见增益、效率、指向、极化这些天线参数，最终都会以 dB 的形式进入链路余量，决定链路能否在雨衰等最坏条件下仍然闭合。