毫米波大气衰减和天空噪声温度的计算与分析概述.ppt

毫米波大气衰减和天空噪声温度 的计算与分析 秦顺友 2015 年 10 月 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 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。 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。 卫星通信应用系统 深空探测应用系统 跟踪与数据中继卫星系统（ TDRSS ） 应用系统 T feed T ground T ? 天线噪声温度 大气衰减噪声 地面站天线 射电源 天线参数射电天文测量 2 1 2 K K AS kT as ? ? 大气衰减因子 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。 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 L atm 为： ? ? EL h h L w w atm sin 0 0 ? ? ? ? 式中： EL — 大气路径的仰角 ( ° ) ； γ 0 — 干燥空气与频率相关的衰减因子 (dB/km) ； h 0 — 干燥空气的有效大气路径 (km) ； γ w — 水蒸气与频率相关的衰减因子 (dB/km) ； h w — 水蒸气的有效大气路径 (km) 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 γ 0 、干燥空气的有效路径 h 0 、水 蒸气的衰减因子 γ w 和有效大气路径是非常复杂的。 Rec. ITU-R P.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% 。 3 标准大气衰减计算与分析 标准大气条件： 标准大气天顶角方向的大气衰减 频率 /GHz 大 气 衰 减 /dB 1 10 100 0.01 0.1 1 10 100 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 。 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。 1 10 100 0.01 0.1 1 10 100 1000 频率 /GHz 大气衰减 /dB EL =90 ° EL =30 ° EL =10 ° 不同仰角的标准大气衰减曲线 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。 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/m 3 ，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。 1 10 100 0.01 0.1 1 10 100 频率 /GHz 大 气 衰 减 /dB t =-30 ° C t =0 ° C t =30 ° C 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/m 3 ， 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