12大气吸收与散射损耗预测模型

1、PAGE 12-PAGE 8第12章大气吸收与散射损耗预测模型本章研究无线电波在对流层晴空大气中传播时的损耗。晴空大气的一个重要传播效应是，大气中的水汽和氧气会吸收无线电波的能量，引起无线电波场强和能量的衰减。在更高的频率，还有二氧化碳等其它气体也会对电磁波的能量产生吸收。大气吸收现象主要发生在10GHz以上的频段。大气吸收的理论性分析可参考本书的第七章或书1。对流层晴空大气的另一个重要传播效应是，大气中的湍流不均匀体对无线电波的散射。大气湍流散射效应，既是一种有效的无线电通信手段，也是引起无线电干扰的有害因素。无论在超短波还是微波频段，对流层湍流散射均可发生。对流层湍流散射的详细论述可参考专

2、著4。12.1 地面电路大气吸收模型从量子力学的观点来看，电磁波是由光粒子组成的，光子具有固定的能量（普朗克常数与频率的乘积）。当电磁波在大气中传播时，气体的分子吸收电磁波光子的能量，实现了其分子内能能级的跃迁，而电波能量则遭受衰减。氧气的主要吸收谱线位于60GHz、118.75GHz和368.5GHz。而水汽的吸收谱线则位于22.235GHz、183.310GHz和325.153GHz 。在气体分子吸收谱线的频率上，无线电波的能量会被强烈地衰减，这对地面和地空通信是非常不利的；但是，对于卫星间的通信却可以使用这些频率，因为在高空气体分子密度非常稀薄，气体吸收引起的损耗自然就很小，而且由于低层

3、大气对这些频率的电波有很强烈的衰减，利用这些频率的卫星间通信就不会干扰地面的通信业务。首先，我们需要计算无线电波在大气中每通过单位距离时被衰减的分贝数，即大气对无线电波的衰减率。然后沿传播路径对衰减率进行积分便可得到该电路上大气衰减的总效果。为此，在工程实践上，可以采用ITU-Rec.P.676-4大气气体衰减模型2，该模型也被国家标准GB/T 14617.393“陆地移动业务和固定业务传播特性”5所采用。在地面电路上，氧气和水汽对电波的吸收损耗可以表示为2： (12.1) （12.2）(12.3)以上三式中，大气气体（氧气和水汽）吸收损耗，dB；氧气吸收率，dB/km；水汽吸收率，dB/km

4、；干扰信号传播路径距离，km；频率，GHz；水汽密度，g/m3。这是由严格复杂的理论推演与大量的实验测试数据相结合而得到的结果，是半理论半经验的公式，它有较高的预测精度。12.2 地空电路大气吸收模型地空电路的大气吸收损耗计算要比水平电路复杂一些，这主要表现在以下几个方面：大气中的水汽和氧气主要分布在低层大气中，并且其密度是不均匀的，随高度的增加而递降，这就需要引入等效高度的概念；不同的地空电路具有不同的仰角，所以电波经过低层大气的路径长度就有所不同，因此，总体的吸收损耗就不一样；此外，沿射线路径，大气的温度是随高度的增高而降低的，所以要求进行温度修正。地空电路的大气吸收损耗计算可以基于以下公

5、式。首先，分别计算出氧气和水汽的衰减率和2： （12.4） (12.5)接着，第二步则计算氧气和水汽的衰减率的温度修正项：，dB/km (12.6)，dB/km (12.7)随后，第三步计算氧气和水汽分布的有效高度和：，km (12.8)，km (12.9)，km (12.10)第四步则按以下公式可求得低仰角时氧气和水汽的等效路径长度修正因子和：，km (12.11) (12.12) (12.13) (12.14)最后，便得到氧气和水汽吸收的总衰减如下式所示：，dB (12.15)其中，大气气体（氧气和水汽）吸收损耗，dB;氧气衰减率修正项，dB/km；水汽衰减率修正项，dB/km；氧气吸收等

6、效高度，km；水气吸收等效高度，km；地球站海拔高度，km；地空电路仰角，度； 地面气温（年平均），；地面水汽密度（年平均），g/m3；等效地球半径，km；年平均等效地球半径因子。12.3 对流层散射损耗预测模型大气中存在所谓的湍流运动。由于这种不规则的（随机的）湍流运动，大气中任何一点的气压、温度和湿度以及该点的折射指数，都围绕其平均值作小幅度的随机起伏，这是对时间而言；对空间而言，无论何时，大气气压、温度和湿度以及空气的折射指数的空间分布是不均匀的、随机的，形成所谓的湍流不均匀体。对流层中大气气体的这种湍流运动能够使得投射到湍流不均匀体上的无线电波能量产生散射。对流层湍流散射既是一种重要的

7、无线电通信传播手段，也是一种潜在地的干扰来源。当投射的能量很大且湍流很强时，这种散射会对别的台站产生严重干扰。散射信号的强弱与频率、距离、气象条件和收、发天线的增益有关。我国在上世纪五十到六十年代，开展了长达十几、二十年的广泛的对流层散射传播实验测试，积累了大量的可靠的数据，为我国散射通信电路的设计与后来我国学者向国际电联提出的散射损耗预测模型奠定了基础。该对流层散射预测模型已经纳入ITU-R REC.P.617建议文件3。下面主要依据国际电联的该建议文件，提供预测对流层散射损耗的方法与计算公式。12.3.1 对流层散射基本传输损耗在本书中我们不使用传输损耗的概念，而是统一使用基本传输损耗这个

8、参数。传输损耗要涉及设备（如收、发端的天线和馈线等）的属性参数，如天线增益、馈线损耗和插入损耗等；但是基本传输损耗只是考虑在发射天线口面与接收天线口面之间的无线电波传播电路上所产生的损耗，不直接涉及通信设备的属性参数，这样，我们的思维就比较清晰。当然某些传播效应与通信设备属性参数有关联，那是另一个问题。对于无线电波在对流层湍流大气中的散射传播，时间不被超过的平均年基本传输损耗（）可以表示以下经验公式3：，dB (12.16)其中，时间不被超过的基本传输损耗，dB；气象参数，dB；频率，MHz；距离，km；散射角，mrad；与公共散射体积高度相关的损耗，dB；天线口径与介质耦合损耗，dB；%时间

9、不被超过的变换因子，dB。下面将分别给出计算这些参数的公式。12.3.2 气象参数和大气结构参数式(12.15)中的气象结构参数与大气结构参数的取值见表12.1。有关该表中的气候区的划分问题可参考下面的12.2.7节。表12.1 气象结构参数与大气结构参数气候区1234567a7b8（dB）39.6029.7319.3038.5038.5029.7333.2026.0033.20(1/km)0.330.270.320.270.270.270.270.270.2712.3.3 散射角（电路角距离）计算对流层散射通信，通信距离可达数百公里，需要庞大的天线设备，以取得高的天线增益，用于抵消巨大的散射

10、损耗。所以对流层散射传播是超视距传播。超视距传播电路剖面图如图12.1所示。发射站与接收站的实际地平线在之间的夹角被称为散射角或电路角距离，可由下式算出：，mrad (12.17)，mrad (12.18)其中，发射天线地平角，mrad；接收天线地平角，mrad；散射电路距离，km；等效地球半径因子；地球半径，km，通常取km。图12.1 超视距传播电路剖面 12.3.4 与公共散射体积高度相关的损耗该损耗因子可以表示为：，dB (12.19)，km (12.20)，km (12.21)其中，散射角，mrad；大气结构参数；散射电路距离，km；等效地球半径因子；地球半径，km，通常取km。12

11、.3.5 时间变换因子基本传输损耗%时间不被超过的时间变换因子可由下式算出：，dB (12.22)其中，为常数，可查表12.2得到；而90时间的时间变换因子为 (12.23)表12.2 50909999.999.990.01.01.822.412.90气候区图12.2 曲线，对于气候区1，3和412.3.6 天线口径与介质耦合损耗在散射通信中往往使用大口径、高增益天线，但是，由于来自散射体积内不同区域的散射信号，其幅度和相位都是随机变化的，到达接收天线口面后，相干效应减弱，招致天线增益的降低：，dB其中，为发射天线增益，dB；为接收天线增益，dB。12.3.7 气候区的选择如上所述，在气象结构

12、参数、大气结构参数和时间变换因子的计算中都与气候区的划分有关。本节给出ITU-R的国际气候区的划分以及作者根据我国的实际情况提出的划分，后者当然只适合中国。12.3.7.1 国际气候区划分3表12.3 国际气候区划分序号气候区名称地面类型纬度范围地面折射率,N单位地面折射率梯度，N单位/km1赤道地区陆地和水面3600302大陆亚热带内陆320601003近海亚热带近海陆地37030604沙漠地区沙漠28020805地中海水面6大陆温带陆地32020407a（注1）海上温带陆地32020307b（注2）海上温带水面32020308极区陆地和水面注1：大岛屿或海岸地区，至少收发端中有一端的地平线

13、在陆地上。注2：收发端地平线均在海上。12.3.7.2 中国气候区划分我们认为，国际划分表中有关地面折射率和地面折射率梯度的数据基本符合我国的实际情况，但是，有关气候区纬度范围的划分需要做出一些调整。调整之后的气候区划分如表12.4所示。表12.4 中国气候区划分序号气候区名称地面类型纬度范围地面折射率，N单位地面折射率梯度，N单位/km1赤道地区陆地和水面3600302大陆亚热带内陆320601003近海亚热带近海陆地37030604沙漠地区沙漠280208056大陆温带陆地32020407a（注1）海上温带陆地32020307b（注2）海上温带水面32020308极区陆地和水面注1：大岛屿或海岸地区，至少收发端中有一端的地平线在陆地上。注2：收发端地平线均在海上。参考文献1 Xie Yixi, J. Lavergnat, J. P. S.Mon, M. Sylvain and Jin Huiqun, Microwave and millimeter wave propagation, Chapter 13 Absorption by atmospheric gases, International Academic publishers, 1995.2 ITU