毫米波在大气中的传播.doc

1毫米波及其特点 1.1 毫米波传播模型 1.1.1 毫米波的概念 1.1.1.1 毫米波的定义 微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亚毫米波。其中，毫米波（millimeter wave），通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间，因此兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。 图1.1中直观地展示出毫米波在整个光谱之中的具体位置。 图 1. SEQ 图_1. \* ARABIC 1 毫米波工作频率范围示意图 1.1.1.2 毫米波的特点 由于毫米波的波长范围在微波与远红外波相交叠处，因此它兼有二者的优点。 （1）毫米波相对于微波波段，由于波长较短，所以对于给定的天线尺寸（孔径），波束宽度较窄，增益较高，能获得较高的空间分辨率和精度； （2）因为毫米波系统天线波束窄，其信号的空间立体角小，不易受到干扰，同时信号也不易被截获，所以毫米波还具有必威体育官网网址性好、抗干扰能力强、具有很强的侦查和反侦察能力的特点； （3）毫米波波段可用频带较宽，在每个毫米波大气传播窗口都具有极大的带宽可供使用，由于大气电磁波具有选择性吸收，故可以充分利用“大气窗口”丰富的频谱资源用于通信、雷达等必威体育官网网址通信，还可利用其带宽光谱能力来抑制多径效应和杂乱回波，消除系统间的相互干扰； （4）毫米波穿透能力强，在“大气窗口”频率传播时，其衰减虽然比微波大，但却比红外和激光小很多，它具有穿透云、雾、烟尘以及等离子体的能力，它能对抗恶劣天气，进行全天候工作，这一特点对环境遥感和军事侦察等应用是十分重要的； （5）毫米波器件具有体积小、重量轻的特点。毫米波波长短，这使得工作于毫米波段的系统天线尺寸可以做得较小，可缩小毫米波原件的尺寸，并且易于集成化、单片化，从而减小毫米波系统的体积和重量。 1.3毫米波的发展 自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来，人们充分利用电磁资源在拓宽平铺方面作了大量的工作。对于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一个世纪的漫长岁月。毫米波的发展一直时起时落，但对毫米波的研究总是吸引着很多的学者，从而获得了大量的基本知识。研究毫米波必须有相应的技术作为支撑，所以此领域的研究一直比较缓慢，可以说一波三折。但随着相应技术的发展以及在一些重要场合下红外和可见光技术不能提供最佳解决方案的时候，毫米波由于其区别于普通微波的特点，其潜在的研究和应用价值日益突出，所以近年来对毫米波的研究掀起高潮。 2 毫米波在大气中的传播 毫米波在通信、雷达、遥感和射电天文等领域有大量的应用。要想成功地设计并研制出性能优良的毫米波系统，必须了解毫米波在不同气象条件下的大气传播特性。影响毫米波传播特性的因素主要有：构成大气成分的分子吸收（氧气、水蒸气等）、降水（包括雨、雾、雪、雹、云等）、大气中的悬浮物（尘埃、烟雾等）以及环境（包括植被、地面、障碍物等），这些因素的共同作用，会使毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径，进而在毫米波系统中引进新的噪声，着诸多因素将对毫米波系统的工作造成极大地影响，因此我们必须详细研究毫米波的传播特性。 2.1 大气的吸收 毫米波在近地大气层中的衰减一般要比微波频段严重的多，特别是在大气成分的吸收谱线附近。在毫米波频段，大气衰减的极值出现在60GHz、119GHz（这是氧气分子的两条吸收谱线）和183GHz（这是水蒸气的吸收谱线）等频率处。水蒸气和氧气之所以造成这么大的影响，是应为它们的分子具有极化结构。水蒸气是电极化分子，氧气是磁极化分子，这些极化分子与入射波作用产生强烈的吸收，吸收的强弱与环境的大气压力、温度以及海拔高度有关。随着高度的增加，大气变得稀薄，吸收系数也迅速减少，即使是同一高度，也会因地区和时间不同，吸收系数变化1倍以上，图2.1给出了毫米波大气吸收的平均幅值，其中实线是海平面处的吸收系数，虚线是海拔4km处的吸收系数。 图 2. SEQ 图_2. \* ARABIC 1 晴朗天气水平传播的毫米波的单程衰减 可以看出，随着高度的增加，吸收明显减弱。在（km）的路径中，总的大气吸收系数为 (2.1) 式中：是氧气的吸收系数（dB/km）；是水蒸气的吸收系数。水蒸气对总吸收系数的贡献取决于水蒸气的含量和温度。对于一个给定频率，有 (dB/km) (2.2) 式中：是海平面的衰减系数，dB/km；是水蒸气的浓度，g/m3；T是摄氏温度，。 、、使用多回归分析导出的与频率有关的经验系数，它们在表2.1中给出，其中地面空气温度为14.6C0，平均水蒸气浓度为11.1g/m3。对地面路径或靠近地面稍微倾斜的路径，路径衰减可表示为 (2.3) 式中：是靠近地面的路径长度公里数。 表2. SEQ 表2. \* A