无线电波在大气气体中的衰减

1 ITU-R P.676-6建议修订草案 无线电波在大气气体中的衰减 (ITU-R 201/3号研究课题) (1990-1992-1995-1997-1999-2001-2005) 国际电联无线电通信全会， 考虑到 a) 评估无线电波在地球面和倾斜路径由于大气气体造成衰减的必要性， 建议 1 对于一般应用，最高至1000 GHz频率上，应采用附件1中的方法来计算大气气体造成的衰减(MATLAB中的软件编号见无线电通信局); 2 1-350 GHz频率范围，应采用附件2中计算强度比较小的方法计算大气气体造成衰减的近似值。 附 件 1 逐线计算无线电波在大气气体中的衰减 1 特征衰减 最高至1 000 GHz频率上的无线电波在大气中的特征衰减主要由于干燥空气和水汽所造成。在任何压力、任何温度和任何湿度下，采用累加氧气和水汽各自谐振线的方法，可以相当准确地计算无线电波在大气气体中的特征衰减。这一方法同时也考虑了一些其他相对影响较小的因素，如10 GHz以下氧气的非谐振的Debye频谱，100 GHz以上的主要由大气压力造成的氮气衰减和计算实验上发现的过多水汽吸收的潮湿 3连续带。下图1给出了在气压1013 hPa、温度15 ?、水汽密度为7.5 g/m(曲线A)和水汽密度为0的干燥空气(曲线 B)两种情况下，0-1000 GHz频带的无线电波在大气中的特征衰减(步长为1 GHz)。 图2详细给出了在60 GHz附近频率，在海平面的大气压力作用下，许多氧气吸收线合并形成一个宽的吸收带。该图也表明:在更高的高度上的氧气衰减，其各线在更低的压力上变得清晰。 附件2中列出了在有限的气象条件下的简化算法，在不需要特别高的准确性时，该方法可以快速和近似地计算最高到350 GHz频率的无线电波在大气中的衰减特性。 2 ) 3 ;干燥:0 g/m3图1 由于大气气体造成的无线电波的衰减率，以1 GHz为步长，包括线中心 (:7.5 g/m 3 图2 在50-70 GHz频带内所示高度区的衰减率 (0 km，5 km，10 km，15 km 和 20 km) 4 特征大气衰减值,的计算方法如下: (1) ,,,，,,0.1820fN"(f)dB/kmow 其中:,(单位dB/km)是干燥空气条件下的特征衰减(仅指氧气条件下，由于大气压力造成的氮和非o 谐振Debye衰减)。,(单位dB/km)是在一定水汽密度条件下的特征衰减。f(单位GHz)是频率。N ,( f )w 是该频率相关的复合折射率的假设部分。 " (2) N"(f),SF，N(f)iiD,i "S是第i线的强度，F是曲线形状因子以及总和扩展至所有线，是大气压力造成的氮气吸收和N(f)iiDDebye频谱的干燥连续带。 第i线的强度S计算如下: i –73,S,a，10pexpa(1–θ)对于氧气,,12i (3) –13.5,,, b，10e,expb(1–θ)对于水汽12 其中: p为干燥空气压力，单位为hPa e为水汽压力，单位为hPa(总大气压力P , p + e) , , 300/T T为温度，单位为K ，e和T测得剖面(如应用无线电探空仪等)的当地测得的准确值，如缺少当地的准确资料，应使用p 可采用 ITU-R P.835建议书中的参考标准大气数据。(注意计算总大气衰减时，同样的水汽压力应被用于干 燥空气的水汽衰减) 水汽压力e可通过水汽密度,计算得到，采用: ,Te, (4) 216.7 从表1中可得到在氧气中衰减的系数值a，a，从表2中可得到在水汽中衰减的系数值b，b。 1212 曲线形状因子计算如下: ，，,,,,，，，，，f–f–ff–fffii,， (5) F,,i2222f，，，，，,，，,f–fffff,,iii，，其中f是线的频率，,f是线的宽度 i –4(0.8–a)4,,,f,a，10(p，1.1e)对于氧气3 (6a) –4bb46,b，10(p,，be,)对于水汽35 5 由于多普勒效应，线宽度,f修正为: 2,6对于氧气,f,,f，2.25，10 (6b) ,1222.1316，10f2i对于水汽,0.535,f，0.217,f，,由于在氧气线中的干扰影响，,是修正因子: ,40.8,，，10， 对于氧气，，，，,aa,pe,56 (7) ,0 对于水汽系数值见表1和表2: 6 表1 在氧气中衰减的谱线数据 f a a a a a a 012345650.474238 .94 9.694 8.90 .0 2.400 7.900 50.987749 2.46 8.694 9.10 .0 2.200 7.800 51.503350 6.08 7.744 9.40 .0 1.970 7.740 52.021410 14.14 6.844 9.70 .0 1.660 7.640 52.542394 31.02 6.004 9.90 .0 1.360 7.510 53.066907 64.10 5.224 10.20 .0 1.310 7.140 53.595749 124.70 4.484 10.50 .0 2.300 5.840 54.130000 228.00 3.814 10.70 .0 3.350 4.310 54.671159 391.80 3.194 11.00 .0 3.740 3.050 55.221367 631.60 2.624 11.30 .0 2.580 3.390 55.783802 953.50 2.119 11.70 .0 –1.660 7.050 56.264775 548.90 .015 17.30 .0 3.900 –1.130 56.363389 1344.00 1.660 12.00 .0 –2.970 7.530 56.968206 1763.00 1.260 12.40 .0 –4.160 7.420 57.612484 2141.00 .915 12.80 .0 –6.130 6.970 58.323877 2386.00 .626 13.30 .0 –2.050 .510 58.446590 1457.00 .084 15.20 .0 7.480 –1.460 59.164207 2404.00 .391 13.90 .0 –7.220 2.660 59.590983 2112.00 .212 14.30 .0 7.650 –.900 60.306061 2124.00 .212 14.50 .0 –7.050 .810 60.434776 2461.00 .391 13.60 .0 6.970 –3.240 61.150560 2504.00 .626 13.10 .0 1.040 –.670 61.800154 2298.00 .915 12.70 .0 5.700 –7.610 62.411215 1933.00 1.260 12.30 .0 3.600 –7.770 62.486260 1517.00 .083 15.40 .0 –4.980 .970 62.997977 1503.00 1.665 12.00 .0 2.390 –7.680 63.568518 1087.00 2.115 11.70 .0 1.080 –7.060 64.127767 733.50 2.620 11.30 .0 –3.110 –3.320 64.678903 463.50 3.195 11.00 .0 –4.210 –2.980 65.224071 274.80 3.815 10.70 .0 –3.750 –4.230 65.764772 153.00 4.485 10.50 .0 –2.670 –5.750 66.302091 80.09 5.225 10.20 .0 –1.680 –7.000 66.836830 39.46 6.005 9.90 .0 –1.690 –7.350 67.369598 18.32 6.845 9.70 .0 –2.000 –7.440 67.900867 8.01 7.745 9.40 .0 –2.280 –7.530 68.431005 3.30 8.695 9.20 .0 –2.400 –7.600 68.960311 1.28 9.695 9.00 .0 –2.500 –7.650 118.750343 945.00 .009 16.30 .0 –.360 .090 368.498350 67.90 .049 19.20 .6 .000 .000 424.763124 638.00 .044 19.30 .6 .000 .000 487.249370 235.00 .049 19.20 .6 .000 .000 715.393150 99.60 .145 18.10 .6 .000 .000 773.839675 671.00 .130 18.20 .6 .000 .000 834.145330 180.00 .147 18.10 .6 .000 .000 7 表2 在水汽中衰减的谱线数据 f b b b b b b 012345622.235080 0.1130 2.143 28.11 .69 4.800 1.00 67.803960 0.0012 8.735 28.58 .69 4.930 .82 119.995940 0.0008 8.356 29.48 .70 4.780 .79 183.310091 2.4200 .668 30.50 .64 5.300 .85 321.225644 0.0483 6.181 23.03 .67 4.690 .54 325.152919 1.4990 1.540 27.83 .68 4.850 .74 336.222601 0.0011 9.829 26.93 .69 4.740 .61 380.197372 11.5200 1.048 28.73 .54 5.380 .89 390.134508 0.0046 7.350 21.52 .63 4.810 .55 437.346667 0.0650 5.050 18.45 .60 4.230 .48 439.150812 0.9218 3.596 21.00 .63 4.290 .52 443.018295 0.1976 5.050 18.60 .60 4.230 .50 448.001075 10.3200 1.405 26.32 .66 4.840 .67 470.888947 0.3297 3.599 21.52 .66 4.570 .65 474.689127 1.2620 2.381 23.55 .65 4.650 .64 488.491133 0.2520 2.853 26.02 .69 5.040 .72 503.568532 0.0390 6.733 16.12 .61 3.980 .43 504.482692 0.0130 6.733 16.12 .61 4.010 .45 547.676440 9.7010 .114 26.00 .70 4.500 1.00 552.020960 14.7700 .114 26.00 .70 4.500 1.00 556.936002 487.4000 .159 32.10 .69 4.110 1.00 620.700807 5.0120 2.200 24.38 .71 4.680 .68 645.866155 0.0713 8.580 18.00 .60 4.000 .50 658.005280 0.3022 7.820 32.10 .69 4.140 1.00 752.033227 239.6000 .396 30.60 .68 4.090 .84 841.053937 0.0140 8.180 15.90 .33 5.760 .45 859.962313 0.1472 7.989 30.60 .68 4.090 .84 899.306675 0.0605 7.917 29.85 .68 4.530 .90 902.616173 0.0426 8.432 28.65 .70 5.100 .95 906.207325 0.1876 5.111 24.08 .70 4.700 .53 916.171582 8.3400 1.442 26.70 .70 4.780 .78 923.118427 0.0869 10.220 29.00 .70 5.000 .80 970.315022 8.9720 1.920 25.50 .64 4.940 .67 987.926764 132.1000 .258 29.85 .68 4.550 .90 1 780.000000 22 300.0000 .952 176.20 .50 30.500 5.00 干燥连续带来自于10 GHz以下的氧气的非谐振的Debye频谱以及100 GHz以上的由压力造成的氮气 衰减。 8 ，，,,–5–121.5,,6.14，101.4，10p,2",,，N(f)fp (8) ,,D–51.521，1.9，10f，，f,,,,d1，,,,,,,d,,,,，，，， 其中d是Debye频谱中的宽度参数: ,40.8 (9) d,5.6，10p, 2 路径衰减 2.1 地面路径衰减 对于地面路径，或者是微小倾斜的接近于地面的倾斜路径，其路径衰减值A计算如下: (10) ，，A,,r,,，,rdB0ow0 其中r为路径长度，单位为km。 0 2.2 倾斜路径衰减 对穿过不同压力、不同温度和不同湿度的大气线的无线电波，本节将给出一种方法总合采用上述逐线累加的方法得出的特征衰减。通过这种方法，在地球大气层内以及超出地球大气层的任何几何结构的通信系统的路径衰减都可以非常准确的计算出来:将大气细分为许多水平的层，规定沿路径的气象参数压力、温度和湿度的剖面。如果缺少无线电探空仪测得的当地的剖面数据，对于采用全球应用或低高度(年)、中高度(夏冬)和高高度(夏冬)，应采用ITU-R P.835建议书中的参考标准大气。 图3给出了计算大气天顶衰减的模式，该模式采用ITU-R P.835建议书中的全球参考标准大气，以1 km间隔分层，以1 GHz为步长，累加每一层大气衰减值。潮湿大气的曲线为A曲线，干燥空气的曲线为B曲线。 9 ) 3 ;干燥:0 g/m3 图3 由大气气体造成的天顶衰减，以1 GHz为步长，包括线中心 (标准:在海平面7.5 g/m 10 总的倾斜路径衰减值A(h, ,)，根据电台的海拔高度h和仰角,计算如下: 当仰角,,0时: ,,H，， (11) ,,，，Ah,dH,sin,h 基于Snell's定律，在极化坐标下，其中,为: ,,c,, ,,arccos (12) ,,(r，H)，n(H),, 其中: (13) c,(r，h)，n(h)，cos, n(h)为大气无线电折射率，可由该路径的压力、温度和水汽压力(见ITU-R P.835建议书)采用ITU-R P.453建议书的方法计算。 另外，当, , 0时，有一个最小海拔高度h，在这个高度上，无线电波束将平行于地球表面传播。hminmin可通过解下面的超越方程得到: (14) ，，，，r，h，nh,cminmin 这个方程可通过重复下面的计算容易求解，采用h , h做初始值: min c (15) h',–rmin，，nhmin 因此，A(h, ,)计算如下: ,h,H,H，，，， (16) ，，Ah,,,dH，dHsin,sin,,,hhminmin 在合并(11)和(16)式时，应当注意，当, , 0时，被积函数将为无穷大。通过适当的变换可以消除 44这个特例，如在(11)式中令u , H – h，在(16)式中令u , H – h。 min 无线电波在大气中的衰减的数量上的解决采用以下算法。 为了计算卫星链路的总大气衰减，不但要知道该路径所经过的每一点的特征衰减，还要知道整个路径的长度。路径长度的计算必须考虑球面形地球上出现的射线弯曲。 采用图4作为参考:a是无线电波束在第n层内穿越的长度，,是第n层的厚度，n是第n层的折射nnn率，,和,为第n层的入射和出射角。R是半径，指从地球中心到第n层起点的距离。由此a计算如下: nnnn 1222 (17) a,,rcos,，4rcos,，8r,，4,nnnnnnnn2 11 入射角度,计算如下: n 22,,a2r,,,,,nnnn,,arccos (18) ,,,,n,,2ar2a，,nnnn,, ,是在地面站的入射角(与仰角,互余)。应用Snell's定律，,可由,计算如下: 1n ， 1n ,,nn,,arcsinsin (19) ,,,n，1n,,nn，1,,其中n和n分别为第n层和第n ， 1层的折射率。 nn，1 残留频率相关性(色散)对计算结果存在边际效应(约为1,)，可采用《ITU-R射电天文手册》中给 出的方法计算。 总衰减值计算如下: k (20) A,a,dB,gasnn,1n 其中,为从公式(1)导出的特征衰减。 n 为了准确地计算路径衰减，在最低层(地面)为10 cm 到在100 km高度时为1 km，各层的厚度应以 指数级增大，通过下式: i,1,, (21) ,,0.0001expkm,,i100,, 922当i , 1到922时，计算可得, , 1.0 km，。 ,,100km.922,ii,1 对于地对空的情况，累计应至少到30 km，在氧气线中心频率可以到100 km。 12 图4 3 色散的影响 《ITU-R射电天文手册》讨论了关于色散的影响，其包括基于逐线计算的方法计算色散的模式。在实际的应用中，色散的影响对短距离(如不超过20 km)、几百MHz频带的毫米波地面通信系统不会产生严重的影响。特别在频谱的窗口区域，在远离主吸收线中心的频率上。对于卫星通信系统，大气衰减及相应的色散都很低，通过大气层的很长的路径将工作频率制约在窗口区域。 13 附 件 2 对1-350 GHz频率范围的无线电波在大气气体中衰减的近似计算 对于有限范围的大气条件和有限数量的几何外形，本附件提供了简化算法，以便于快速、近似地计算无线电波在大气气体中的衰减。 1 特征衰减 从海平面到10 km高度范围内，由干燥空气和水汽造成的无线电波特征衰减，可采用下列简化算法进行估算。这一方法是基于逐线计算的曲线拟合，并同意更准确的计算是在距主吸收线中心的频率偏移平均,10,之内。采用这种算法和采用逐线计算所得结果之间的绝对差值不超过0.1 dB/km，在60 GHz附近时达到最大为0.7 dB/km。当超过10 km高度时，由于要求更高的精确度，应当采用逐线计算的方法。 对干燥空气，大气衰减,(dB/km)计算如下: o 对于f , 54 GHz: 2.8，，7.2r0.62,t22,33 (22a) ,,，fr，10,,op221.61.16,1f，0.34rr(54,f)，0.83,,,pt2，， 对于54 GHz < f , 60 GHz: ln,ln,ln,，，545860 (22b) ,,exp(,58)(,60),(,54)(,60)，(,54)(,58)ffffffo,,24812，， 对于60 GHz < f , 62 GHz: 60f,() (22c) ,,,，,,,o6062602 对于62 GHz < f , 66 GHz: ln,ln,ln,，，626466 (22d) ,,exp(,64)(,66),(,62)(,66)，(,62)(,64)ffffffo,,848，， 对于66 GHz < f , 120 GHz: 3.8,,,,,,0.283r0.502[10.0163(f66)],,43.522,3t67,,，，，， (22e) 3.0210rfr10,,otp221.61.4346,4,，,，,(f118.75)2.91rr(f66)1.15,pt,5, 对于120 GHz < f , 350 GHz: 0.3,4，，0.283r3.02，10223.5,3t (22f) ,,，frr，10，,,,opt,51.5221.61，1.9，10f(f,118.75)，2.91rr,,pt，， 14 其中: (22g) ,,,(r,r,0.0717,,1.8132,0.0156,,1.6515)1pt (22h) ,,,(r,r,0.5146,,4.6368,,0.1921,,5.7416)2pt (22i) ,,,(r,r,0.3414,,6.5851,0.2130,,8.5854)3pt (22j) ,,,(r,r,,0.0112,0.0092,,0.1033,,0.0009)4pt (22k) ,,,(r,r,0.2705,,2.7192,,0.3016,,4.1033)5pt (22l) ,,,(r,r,0.2445,,5.9191,0.0422,,8.0719)6pt (22m) ,,,(r,r,,0.1833,6.5589,,0.2402,6.131)7pt (22n) ,,2.192,(r,r,1.8286,,1.9487,0.4051,,2.8509)54pt (22o) ,,12.59,(r,r,1.0045,3.5610,0.1588,1.2834)58pt (22p) ,,15.0,(r,r,0.9003,4.1335,0.0427,1.6088)60pt (22q) ,,14.28,(r,r,0.9886,3.4176,0.1827,1.3429)62pt (22r) ,,6.819,(r,r,1.4320,0.6258,0.3177,,0.5914)64pt (22s) ,,1.908,(r,r,2.0717,,4.1404,0.4910,,4.8718)66pt ，， (22t) ,,,0.00306,r,r,3.211,,14.94,1.583,,16.37pt ab (22u) ,(r,r,a,b,c,d),rrexp[c(1,r)，d(1,r)]ptptpt 其中: f :(GHz)频率 r, p/1013 p r, 288/(273 ， t) t p :(hPa)压力 t :温度，当缺少当地的温度数据时，可从ITU-R P.1510 建议书中的地图上获取温度中 值。 15 对在水汽中的衰减，大气衰减值, (dB/km)计算如下: w ,3.98,exp[2.23(1,r)]11.96,exp[0.7(1,r)]tt11,,g(f,22)，,w2222(f,22.235)，9.42,(f,183.31)，11.14,11, 0.081,exp[6.44(1,r)]3.66,exp[1.6(1,r)]tt11 ，，2222(f,321.226)，6.29,(f,325.153)，9.22,11 25.37,exp[1.09(1,r)]17.4,exp[1.46(1,r)]1t1t (23a) ，，22(f,380)(f,448) 844.6,exp[0.17(1,r)]290,exp[0.41(1,r)]tt11 ，g(f,557)，g(f,752)22(f,557)(f,752) 4,8.3328，10,exp[0.99(1,r)]22.5,42t ，g(f,1780)fr,，10,t2(f,1780),其中: 0.68 (23b) ,,0.955rr，0.006,1pt 0.54 (23c) ,,0.735rr，0.0353r,ptt2 2,,ff,i,,gff (23d) (,),1，i,,ff，i,, 3,是水汽密度，单位为g/m 3图5表示了在海平面上干燥空气和湿润空气(水汽密度为7.5 g/m)两种条件下，1到350 GHz频带内 的特征衰减值。 2 路径衰减 2.1 地面路径衰减 对水平路径，或者是微小倾斜的接近于地面的倾斜路径，其路径衰减值A可由如下表示: (24) A,,r,(,，,)rdB0ow0其中r为路径长度，单位为km。 0 16 图5 由于大气气体造成的特征衰减 3压力:1 013 hPa;温度:15 ?;水汽密度:7.5 g/m 17 2.2 倾斜路径衰减 对穿过地球大气层的倾斜路径的无线电波在大气中的衰减，本节给出简化算法:定义一个等效高度将?1中得出的特征衰减与之相乘得到天顶衰减。等效高度取决于气压，用它可计算从海平面到10 km高度范围 天顶衰减。采用该高度准确的气压、温度和水汽密度，从海平面到10千米高度范围内，计算得到的最内的 终天顶衰减在干燥空气条件下误差不超过10,，在水汽条件下不超过5,。当高度大于10 km时，特别是对于任何高度上谐振线中心的0.5 GHz内的频率，应采用附件1的过程。注意在公式(25b)中的高斯函数所表示的在60 GHz频带中氧气等效高度在某些频率上会产生超过10,的误差，这是因为该程序不能重现如图7的结构。下列公式来源于采用附件1过程计算得到的天顶衰减，数量上累积在500 MHz带宽上的各衰减;因此最终衰减值有效地表示在50-70 GHz频带内的近似最小值。除了天顶以外，其他仰角条件下的路径衰减可采用本节随后描述的方法计算。 对干燥空气，等效高度计算如下: 6.1 (25a) ，，h,1，t，t，to123,1.11，0.17rp 其中: 2，，,,4.64f,59.7,,,, (25b) t,exp,1,2.3,,，，,,2.87，12.4exp,7.9r1，0.066rpp,,，， 0.14exp2.12r，，p (25c) t,22，，，，f,118.75，0.031exp2.2rp ,620.0114,0.0247，0.0001f，1.61,10f (25d) t,f3,,,2.652731，0.14r1,0.0169f，4.1,10f，3.2,10fp 0.3 (25e) h,10.7r 对于 f,70 GHzop 对水汽，等效高度计算如下: ,,1.393.371.58,,,www,, h1.661 (26a) ,，，，w222,,，，f22.2352.56f183.，，314.69f325.12.89，，,，,,，,,，,www,, 对于 f , 350 GHz 1.013 ,, (26b) w,,，，1，exp,8.6r,0.57p 18 如图7所示，50-70 GHz频带的天顶衰减是一个复杂的频率的函数。上述的等效高度的方法仅能够提供一个近似的结果。总的来说，最小衰减会出现在这个频率范围。为了更准确的计算，应采用附件1的方法。 等效高度的概念是建立在一个采用标尺高度来描述密度随高度而变的理想大气的理论假设之上。需要注意的是，干燥空气和水汽的标尺高度随着高度、季节和气候的变化而变化。尤其是水汽在大气中的实际密度与理论值常常相差较大，此时对应的等效高度应随之变化。上述的方法适用于10 km高度以内。 总的天顶衰减: (27) A,,h，,hdBooww 如图6给出了在海平面的总的天顶衰减以及由于干燥空气和水汽所造成的衰减，采用了ITU-R P.835建议书所给出的年平均全球参考大气。在50-70 GHz，可以从图7的0 km曲线得到更准确的结果，该结果是采用附件的逐线计算得出的。 19 图6 海平面的干燥空气和水汽造成的总的天顶衰减 3地球表面压力:1 013 hPa;地球表面温度:15 ?，地球表面水汽密度:7.5 g/m 20 图7 所示不同高度的氧气天顶衰减，以50 MHz步长计算，包括线中心 (0 km，5 km，10 km，15 km 和 20 km) 21 2.2.1 5:-90:之间的仰角 2.2.1.1 地对空路径 当仰角在5:-90:之间时，路径衰减可采用余割法计算如下: 根据地表面气象数据得到路径衰减为: ，AAow (28) ,dBAsin, 其中A=h, 而A=h, ooowww 由累计的水汽得到的路径衰减为: A，A(p)ow (29) A(p),dBsin, 其中A(p)由?2.3给出。 w 2.2.1.2 倾斜路径 为了确定位于高度h和高度h的两个电台间倾斜路径的衰减值，h