我们通常知道低频无线电波（如AM广播）能绕开障碍物，传播得很远，那为什么需要穿越大气层、进行超远距离通信的卫星，反而要使用高频微波呢？
答案是：这是一个综合权衡的结果。虽然低频电波在地面传播有优势，但对于卫星通信来说，高频微波在带宽、天线尺寸和抗干扰方面的巨大优势是决定性的。
下面我们详细拆解一下其中的原因：
首先，澄清一个关键点：传播环境的巨大差异
- 地面远距离通信（如AM广播）： 主要依赖的是地波（沿地球表面传播）和电离层反射。低频电波更容易绕过地面障碍物（绕射能力强），并且能被高空电离层反射回地面，从而实现成百上千公里的超视距传播。
- 卫星通信： 电磁波需要近乎直线地穿透大气层，在真空（或接近真空）的宇宙中传播，然后再次穿透大气层到达地面。它的路径是“点对点”的视距传播，不依赖也不希望有电离层反射（反射会导致信号无法到达卫星或地面站）。
理解了这一点，我们再来看高频微波的优势：
为什么卫星通信偏爱高频微波？
1. 巨大的带宽和信息容量（核心原因）
这是最最重要的一点。频率越高，可用的带宽就越宽。
- 比喻： 把频率资源比作公路，低频段是一条狭窄的乡间小道，而高频段（如Ka波段）则是一条拥有10个车道的高速公路。
- 需求： 现代通信需要传输海量数据，包括高清视频、互联网数据、电话等。这些都需要很宽的“公路”才能快速通过。低频段的窄带宽只能支持语音或低速数据通信，完全无法满足现代需求。高频微波可以提供GHz级别的带宽，从而支持高速数据传输。
2. 天线尺寸和方向性
根据天线理论，要达到相同的增益和方向性，天线尺寸与波长成正比（即与频率成反比）。
- 低频波波长长： 如果要为低频波制作一个具有高方向性的天线（即把能量集中成一束，像手电筒一样射向卫星），天线的尺寸会非常巨大（可能像足球场一样大），这对于卫星和地面站来说都是不现实的。
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高频微波波长短： 可以使用尺寸相对较小（比如直径1-2米）的抛物面天线，就能产生非常尖锐、集中的波束。这带来了两大好处：
- 高增益： 能量集中，意味着发射功率可以更高效地用于通信方向，弥补路径损耗。
- 强方向性： 波束窄，可以减少对其它卫星系统的干扰，也便于空分复用（不同方向的波束使用相同频率），提高频率利用率，增强通信保密性。
3. 避免拥挤和干扰
低频段（如L、S波段）早已被地面广播、电视、移动通信、航空航海通信、雷达等业务挤占，频谱资源非常紧张且干扰严重。而高频段（如Ku、Ka波段）相对“空旷”，为卫星通信提供了专属的“快车道”。
4. 穿透大气层的考虑（一个需要权衡的点）
大气层对电磁波不是完全透明的，存在一些吸收峰（主要由水蒸气、氧气等引起）。
- “电波窗口”： 幸运的是，在微波频段存在一些衰减相对较小的“窗口”，比如C波段（4-8 GHz）、Ku波段（12-18 GHz）、Ka波段（26-40 GHz）。卫星通信就主要使用这些窗口频段。
- 衰减 vs. 带宽的权衡： 虽然频率越高（如Ka波段以上），雨衰（下雨导致信号衰减）越严重，但其提供的巨大带宽诱惑力实在太强。通过功率补偿和地面站分集等技术可以缓解衰减问题，因此人们宁愿接受这个挑战，也要换取带宽。
低频电波在卫星通信中就完全没用吗？
并不是。它们有特定的应用场景：
- 对带宽要求不高的应用： 例如卫星电话（如铱星、全球星系统） 主要使用L波段（1-2 GHz）和S波段（2-4 GHz）。因为语音通信所需带宽小，且低频信号穿透能力稍好，便于手持设备在非理想环境下（如树林、城市边缘）使用。
- 遥测、跟踪和控制（TT&C）： 一些卫星的上下行控制链路会使用较低的UHF或S波段，以保证控制的可靠性。
- 遥感探测： 一些气象卫星和地球探测卫星会使用低频微波（如C波段）来探测大气和海洋，因为低频对云层和地表的穿透特性有其独特价值。
总结
| 特性 | 低频电波 | 高频微波（如Ku/Ka波段） | 对卫星通信的意义 |
|---|---|---|---|
| 带宽/容量 | 小（乡间小道） | 大（高速公路） | 决定性优势，满足高速数据需求 |
| 天线尺寸 | 大（难以实现） | 小（易于星载） | 关键优势，可实现高增益定向通信 |
| 传播特性 | 绕射/电离层反射 | 视距直线传播 | 适合太空-地面的点对点传输 |
| 频谱资源 | 拥挤、干扰大 | 相对空闲 | 便于分配和使用 |
| 大气衰减 | 衰减小 | 存在雨衰，但有“窗口” | 是需要克服的挑战，但可技术补偿 |
结论： 卫星通信选择高频微波，是一次典型的工程权衡。它为了获得巨大的带宽容量和高效紧凑的天线系统这两个至关重要的优势，宁愿接受高频带来的路径损耗和大气衰减等挑战，并通过技术手段去克服它们。这正是工程技术“两利相权取其重，两害相权取其轻”的完美体现。
