毫米波大气衰减和天空噪声温度计算与分析

毫米波大气衰减和天空噪声温度计算与分析第一页，共34页。1引言2大气衰减计算模型3标准大气衰减计算与分析4大气参数对大气衰减的影响6结束语内容

5天空噪声温度的计算与分析第二页，共34页。1引言射频信号射频信号通过大气传播，大气引起射频信号衰减，毫米波尤为严重；同时大气衰减引起衰减噪声。第三页，共34页。大气衰减与频率、天顶角和大气层函数有关。在卫星通信链路计算、射电天文观测、深空链路分析和天线参数计算与测量等领域，均需要考虑大气衰减或天空噪声温度的影响。第四页，共34页。卫星通信应用系统第五页，共34页。深空探测应用系统第六页，共34页。跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）应用系统第七页，共34页。TfeedTgroundT天线噪声温度大气衰减噪声第八页，共34页。地面站天线射电源天线参数射电天文测量大气衰减因子第九页，共34页。因此可见：研究微波毫米波大气衰减和天空噪声温度，不仅具有重要的学术价值，而且具有重要的工程应用价值。第十页，共34页。2大气衰减计算模型大气衰减是频率、天线仰角和大气层的函数。它随频率的增加而增加，随大气路径仰角的增大而减小。假定测量条件为晴朗天空，并且大气层被模型化为标准大气层，当仰角在5°～90°时，用分贝表示的大气衰减Latm为：第十一页，共34页。式中：EL—大气路径的仰角(°)；γ0—干燥空气与频率相关的衰减因子(dB/km)；h0—干燥空气的有效大气路径(km)；γw—水蒸气与频率相关的衰减因子(dB/km)；hw—水蒸气的有效大气路径(km)第十二页，共34页。干燥空气和水蒸气的衰减系数与水蒸气密度、大气压力和传输频率有直接关系，而空气和水蒸气在大气层的等效高度与压力和频率有关。因此，精确计算干燥空气的大气衰减因子γ0、干燥空气的有效路径h0、水蒸气的衰减因子γw和有效大气路径是非常复杂的。Rec.ITU-RP.676-7建议利用曲线拟合方法，给出了频率在1-350GHz范围内，各种干燥空气和水蒸气衰减因子和有效路径的近似计算公式，由此可计算大气衰减的大小，其计算精确约为±10%。第十三页，共34页。3标准大气衰减计算与分析标准大气条件：第十四页，共34页。标准大气天顶角方向的大气衰减频率/GHz大气衰减/dB第十五页，共34页。计算结果表明：当毫米波在大气中传播时，由于水蒸气和氧分子的吸收作用，在不同频率点衰减各不相同，其中在29.6GHz、84.2GHz、131.1GHz和213.9GHz附近衰减较小，称为大气窗口。此外在22.4GHz、59.8GHz、118.8GHz和183.3GHz附近出现极大值，称为衰减峰。例如：当频率为60GHz时，标准大气天顶角方向的大气衰减为160.8dB。第十六页，共34页。毫米波通信频段正是依据大气衰减的传播规律进行选择的，例如Ka波段卫星通信（上行频段27.5-31GHz，下行频段17.7-21.2GHz)，星际链路采用60GHz频段。第十七页，共34页。频率/GHz大气衰减/dBEL=90°EL=30°EL=10°不同仰角的标准大气衰减曲线第十八页，共34页。计算结果表明：随着大气传播路径仰角的增加，大气衰减减小；随着仰角的降低，大气传播衰减增加，当仰角很低时，大气衰减急剧增加。在Ka波段和EHF频段的卫星通信系统中，为了克服降雨和大气衰减的影响，地球站天线工作仰角应选择高一些。另外，在实际工程应用中，只要知道天顶方向的大气衰减，就可以计算任意仰角的大气衰减。第十九页，共34页。4大气参数对大气衰减的影响下图给出了地面不同温度天顶方向的大气衰减曲线。大气压力为1013hPa，水蒸气密度7.5g/m3，地球表面温度分别-30°C、0°C和30°C。计算结果表明：在大气压力和水蒸气密度不变的情况下，随着地面温度的降低，大气衰减增大。第二十页，共34页。频率/GHz大气衰减/dBt=-30°Ct=0°Ct=30°C第二十一页，共34页。下图给出了不同大气压力天顶方向的大气衰减曲线。水蒸气密度7.5g/m3，地球表面温度15°C，分别计算半个标准大气压、1个标准大气压和1.5个标准计算结果表明：在水蒸气密度不变和地面温度不变的情况下，随着大气压力的降低，大气衰减减小。第二十二页，共34页。频率/GHz大气衰减/dBp=506.5hPap=1013hPap=1519.5hPa第二十三页，共34页。下图给出了不同水蒸气密度天顶方向的大气衰减曲线。大气压力1013hPa，地球表面温度15°C，分别给出了水蒸气密度为2.5g/m3、7.5g/m3和15g/m3计算结果表明：在大气压力和地面温度不变的情况下，当频率小于6GHz时，水蒸气密度对大气衰减影响不大，随着频率的升高，水蒸气密度越小，大气衰减越小。第二十四页，共34页。频率/GHz大气衰减/dBρ=15g/m37.5g/m32.5g/m3第二十五页，共34页。A：ρ=7.5g/m3B：ρ=0g/m3第二十六页，共34页。青海德令哈毫米波望远镜（口径为13.7米，海拔高度3200米，工作频率85-115GHz）第二十七页，共34页。5天空噪声温度计算与分析计算出大气衰减Latm后，则天空噪声温度为：第二十八页，共34页。式中：Tsky―天空噪声温度（K）；Tcmb―微波背景噪声温度（K）；Tatm―大气噪声温度（K）。第二十九页，共34页。频率/GHz天空噪声温度/KEL=90°EL=30°EL=10°不同仰角标准大气天空噪声温度第三十页，共34页。计算结果表明：天空噪声温度与大气衰减成正比的，大气衰减越大，天空噪声温度越大。当大气衰减很大时，天空噪声温度趋于常数；在相同频率条件下，仰角越低，天空噪声温度越大，仰角越高，天空噪声温度越小。第三十一页，共34页。6结束语微波毫米波信号通过大气传播过程中，受到大气衰减的影响。在毫米波频段，大气衰减更为严重，且大气衰减引起系统噪声温度的增加。本文国际电信联盟Rec.ITU-RP.676-7的建议，给出了1