1.1.5 卫星通信的增益与损耗
根据前面所述，对信号由A站发送，经卫星转发器转发，由B站接收的卫星链路，影响传输信号强弱变化的环节主要有高功率放大器（对射频电信号进行放大）、地球站天线（聚焦射频电磁波辐射方向）、从地球站天线到卫星转发器天线的长距离电磁波上行空间传播（会有辐射扩散，使电磁波变弱，大气吸收也会使电磁波变弱）、卫星天线（聚合接收电磁波）、转发器（变频和信号放大）、卫星天线（发射电磁波）、长距离下行空间传播、地球站天线、低噪声放大器等。其中，使信号变大或电磁波增强的环节一般用增益来表示其变大的幅度，使电磁波变弱的空间传播环节一般用损耗来表示其变弱的程度。
1.1.5.1 天线的增益及收发性能
天线的基本作用是将电信号转变成电磁波辐射出去，或反过来，将接收的电磁波转变成电信号。天线的第二个重要作用是将电磁波向特定的方向辐射，或者将特定方向的电磁波汇集到一起，前者就像探照灯将光线聚焦射向一个方向一样。天线聚焦电磁波辐射方向的特性一般用天线的辐射方向图来描述，如图1.6所示，图中的曲线描绘了天线在各方向辐射电磁波的相对场强（归一化值）。天线辐射方向图一般应该是三维的，但大多数天线辐射方向图都具有轴对称性，因此用二维辐射方向图也能准确地描述。二维天线辐射方向图一般呈花瓣状，故又称为波瓣图，其最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，与主瓣方向相反的波束称为背瓣，其余零辐射方向间的波束称为副瓣或旁瓣。
图1.6 天线辐射方向图
在卫星通信中，一般使用定向天线把电磁波聚集辐射在一个方向上，这个方向上的波束主瓣越窄，波束的聚焦效果越好，到达接收天线的电磁波就越强。当然，天线主瓣越窄，波束方向的对准就越不容易。通常使用增益（记作G）来刻画天线对电磁波的聚焦能力。定向天线增益G的定义为
这里的G是无量纲的，只是一个倍数。但实际使用中，一般使用分贝（dB）作为天线增益的单位。分贝定义如下：
[G]=10lgG(dB)
卫星通信中经常使用的喇叭天线、抛物面天线等面状天线的增益一般可按下式计算：
式中，A为天线口面面积（m2）；λ为射频载波的波长（m），它与频率f（Hz）的关系为c=fλ，其中c为电磁波在真空中的传播速度，即光速，约等于3×108m/s；η为天线效率，因为电信号与电磁波通过天线进行转换时，总存在一些损耗。一般情况下，抛物面天线的天线效率为0.7左右。
在实际应用中，通常用G/T值和EIRP来分别表示地球站或卫星的接收和发射能力。G/T值为接收天线的增益G与接收系统的噪声温度T的比值，单位为dB/K。G/T值越大，说明地球站或卫星接收系统的性能越好。EIRP为天线所发射的信号功率PT与该天线增益G的乘积，即EIRP=PTG。EIRP表明了定向天线在最大辐射方向上实际所辐射的电磁波功率比全向辐射时在这个方向上所辐射的功率大G倍。
1.1.5.2 空间链路损耗
无线电波在真空中传播，称为在自由空间传播，它的传播特征为扩散衰减。电磁波在空间中是以球面波的形式传播的，电磁能量扩散在整个球面上，而接收天线只能接收其中的一小部分，这就是电磁波的扩散衰减，也称为自由空间（真空）传播损耗或传输损耗。衰减定义为距辐射源某传播距离处的功率密度与单位距离处的功率密度之比。用Lf表示发射天线发出的电磁波到达接收天线后的损耗大小，其计算公式如下[1]：
式中，λ为电磁波的波长；d为传播距离。对于同步卫星通信来说，传播距离约为36000km，如果工作在C频段，对于6GHz的射频信号来说，Lf=8.2×1019，约为200dB。
然而，在实际情况下，卫星通信的电磁波并非都是在真空中传播的，太空段可以认为基本上是自由空间，但大气层就不是真空了。既然是在大气介质中传播，电磁波能量会被介质消耗，大气吸收和折射会造成衰减，多径衰落和电离层闪烁也会造成损耗。更严重的是，大气层中有时会存在雨、雾、云、雪等，这些“大”颗粒对电磁波的吸收和折射更多，造成的传输损耗也就更大。而且电磁波频率越高，在大气层中的传输损耗也越大。由于大气层条件不固定，卫星通信中的大气损耗很难计算，一般通过测量得到。
1.1.5.3 互通条件
假设PT是某地球站发射端发出的信号功率（单位为W），GT和GR分别是发射端、接收端的天线增益；Lf表示上行和下行链路电磁波传播路径上的传输损耗总和，卫星转发器包含收发天线和信号放大器的增益总和记为GS，则某地球站接收机接收到的信号功率PR（单位为W）为[1]
当PR大于等于接收机的灵敏度时，信号就能被正常接收，否则接收到的信号可能有严重失真，严重失真就意味着信噪比太小。对于模拟通信方式，信噪比小就代表接收到的信号中含有太多噪声；对于数字通信方式，接收到的信噪比小，信号失真严重，意味着解调获得的数字信号误码很多，无法满足通信要求。
如果知道接收端能够容忍的最小接收信号功率（接收机的灵敏度），理论上，根据式（1.2）就能计算出发射端的最小发射功率。不过，在实际情况中，天线跟踪会有一些误差，电磁波的极化方向也会有误差，这些误差都会造成天线增益的损失。所以，根据式（1.2）计算的发射功率要有一定的裕量。