衛(wèi)星通信電波傳播特點(diǎn)

隨著無線通信業(yè)務(wù)的不斷增多，人們在不斷地開發(fā)新的工作頻段，目前己確定將宇宙通信的頻段擴(kuò)展到275GHz。

衛(wèi)星通信中收、發(fā)天線間的距離約為40000km，而大氣層的厚度一般認(rèn)為約16km，電磁波主要在大氣層以外的自由空間中傳播。所以，一般把衛(wèi)星通信中的電波先按在自由空間中傳播，然后再考慮大氣層的影響，最后對自由空間傳播中的衰耗加以修正。

在自由空間的傳播損耗為

L_S＝92.44 + 20 1og d (km) + 20 1og f (GHz)

同步衛(wèi)星與地面站之間單程(d約為4000km)的衰減量可達(dá)200dB以上。

衛(wèi)星通信的電波傳播大部分行程為自由空間，但也必須通過地球周圍的大氣層，因此要受到電離層中自由電子和離子的吸收，受到對流層中的氧分子、水蒸氣分子和雨、霧、云、雪和冰雹等的吸收和散射，從而形成損耗。這種損耗與電波的頻率、波束的仰角以及氣候條件有密切的關(guān)系。人們通過大量的分析和實(shí)測，給出了在晴朗天氣條件下，大氣吸收損耗與頻率的關(guān)系曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，0.1GHz以下自由電子或離子吸收起主要作用，頻率越低越嚴(yán)重，頻率高于0.3GHz時(shí)，其影響可以忽略。水蒸氣分子在21GHz左右發(fā)生諧振吸收出現(xiàn)一個(gè)更大的損耗峰。氮沒有諧振峰，二氧化碳的諧振峰在300GHz。地球站所處位置使天線波束仰角越大，無線電波通過大氣層的路徑越短，則吸收損耗越小。頻率低于l0GHz，仰角大于50°時(shí)，其影響基本可以忽略。

圖1：大氣中電子、離子、氧分子和水蒸氣分子對電波的吸收

    由圖1可見，在0.3GHz~l0GHz頻段，大氣損耗最小，故稱此頻段為“無線電窗口”。另外在30GHz附近也有一個(gè)損耗低谷，通常稱此頻段為“半透明無線電窗口”。選擇工作頻段時(shí)應(yīng)考慮選在這些“窗口”附近。

另外，從外界噪聲影響來考慮，當(dāng)頻率降低到0.1GHz以下時(shí)，宇宙噪聲會(huì)迅速增加，如圖2所示。所以最低頻率不能低于0.1GHz。通常在1GHz以上，宇宙噪聲和人為噪聲對通信影響較小；而大氣噪聲，其中包括氧氣、水蒸氣、雨、云、霧噪聲等在l0GHz以上，對通信影響較大。因此，從降低接收系統(tǒng)噪聲角度來考慮，衛(wèi)星通信工作頻段最好選在1GHz~l0GHz之間。

圖2：外部噪聲對接收信號的影響

包圍地球的大氣層，其厚度達(dá)5000km左右，根據(jù)其特征可把大氣細(xì)分為5層，如圖3所示。

圖3：地球外大氣層分布圖

對流層離地面0~l0km，同溫層l0km~50km，中間層50km~70km，熱層70km~500km，外大氣層500km~3000km。距地面40km~800km高度的大氣層里是被電離的空氣層，稱為電離層，共有4層：D層為60~80km；E層為100km~140km；F₁層為160km~200km；F₂層為220km~400km。

電波在地球外層空間傳播時(shí)要受到各層影響，具體如下，

1）對流層的影響：在對流層中傳播的電波，受到氧氣及水蒸氣分子的吸收而產(chǎn)生衰減。在1GHz~l0GHz的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€仰角為3°時(shí)，其衰減量在1. 5dB以下；仰角為0°時(shí)，其衰減在5dB以下。由于云霧等引起的衰減，在4GHz時(shí)為ldB以下，在l0GHz時(shí)為6dB以下。降雨引起的衰減，頻率為4GHz時(shí)，降雨量為2. 5mm/h，其衰減量為0. 3 dB左右。

2）電離層的影響：電波穿過電離層時(shí)，其衰減隨入射角而變化，垂直入射時(shí)，衰減量在(50l f)²以下，其中f的單位為MHz。

3）外層空間的影響：衛(wèi)星通信的電波，主要在外層空間傳播，大氣層的衰減與外層空間傳播衰減相比是很小的。在靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中電波傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離約為8.4×10⁴ km（發(fā)與收的距離），其衰減約在400dB左右。