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摘要：對Ku波段電波傳播的特點進行了分析，根據(jù)CCIR建議的方法和接收天線的仰角及電波的極化角數(shù)值，對Ku波段的雨衰進行了定量計算，并將雨衰曲線標(biāo)在全國地圖之上。根據(jù)雨衰曲線可以對衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器天線的波束圖進行優(yōu)化設(shè)計，也可以對衛(wèi)星接收系統(tǒng)進行合理的設(shè)計以減少降雨產(chǎn)生的影響。
關(guān)鍵詞：雨衰；Ku波段衛(wèi)星廣播； 天線波束圖
96年2月以來，隨著亞洲二號衛(wèi)星的開通使用，我國也已經(jīng)開始使用Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器來進行衛(wèi)星電視廣播，同時Ku波段直播衛(wèi)星也計劃在近期使用。由于Ku波段的波長僅為2.5cm與雨滴的線度接近，雨衰問題就顯得格外突出，故確有必要對Ku波段衛(wèi)星電波傳播中雨衰量大小進行預(yù)測估計，以便給衛(wèi)星上行站和各地衛(wèi)星接收系統(tǒng)的工程設(shè)計提供必要的參考數(shù)據(jù)。
雨衰的估算對于Ku波段衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的工程設(shè)計，特別是直播衛(wèi)星系統(tǒng)的工程設(shè)計，有著非常重要的意義。
1 雨衰的機理及影響
當(dāng)電波穿過降雨的區(qū)域時，雨滴會對電波產(chǎn)生吸收和散射，故而造成衰減。雨衰的大小與雨滴半徑與波長的比值有著密切的關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。實測結(jié)果表明雨滴的半徑約在0.025cm～0.3cm之間，在Ku波段內(nèi)電波的波長在2.5cm左右，故雨衰對電波產(chǎn)生的影響主要是吸收衰減，大部分表現(xiàn)為熱損耗［1］。雨衰的大小與雨滴的物理模型、電波的極化方向、工作波長，接收地點的位置及海撥高度等諸多因素有關(guān)，而雨滴的模型在世界各國乃至國內(nèi)各地是不大相同的，故雨衰數(shù)值的估算是一項十分復(fù)雜的工作。
與C波段相比，Ku波段內(nèi)雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星電視廣播產(chǎn)生的影響是十分顯著的。降雨產(chǎn)生的衰減隨著降雨率的增大而增大，根據(jù)實測和估算在Ku波段內(nèi)短時間內(nèi)(數(shù)分鐘)降雨的衰減可高達20dB，顯然如此大的衰減量將使廣播線路暫時中斷；因此在Ku波段廣播衛(wèi)星設(shè)計工作中，應(yīng)該考慮到雨衰的影響，對轉(zhuǎn)發(fā)器天線的波束圖進行優(yōu)化設(shè)計，同時采用較大口徑的接收天線可在一定程度上解決雨衰的問題。另外，需認(rèn)真對待的另一個問題是雨衰對數(shù)字式衛(wèi)星廣播線路的影響。對模擬式衛(wèi)星線路來說，在雨衰不是很大的情況下廣播線路不至于中斷，而對于數(shù)字式衛(wèi)星線路來說情況就有所不同了，有時僅僅增加幾個dB的衰減就會產(chǎn)生很大的誤碼率，從而使衛(wèi)星線路中斷，此種現(xiàn)象被稱為“峭壁效應(yīng)”，這是數(shù)字信號傳輸過程中所特有的現(xiàn)象。為了保證高達99.9%的使用率(與0.01%的中斷率等價)，考慮到雨衰現(xiàn)象，在Ku波段中整個系統(tǒng)的G／T值就要留有較大的裕量。
2 雨衰的預(yù)測方法
理論上嚴(yán)格分析降雨產(chǎn)生的衰減問題是十分困難和復(fù)雜的，國際上一般采用實際測量和近似理論相結(jié)合的方法進行研究和分析。文獻［2］中詳細(xì)地介紹了目前使用的幾種較為成熟的計算方法，如CCIR、Lin、SAM、Crane、Bothias等方法。
CCIR(現(xiàn)為ITU-R)針對衛(wèi)星廣播與通信的工程計算問題提出了一系列的建議書［3］：Rec.618-3、Rec.679-1、Rec.837和Rec.838。經(jīng)過對上述的方法進行比較之后，我們認(rèn)為在我國采用CCIR的半經(jīng)驗公式對雨衰問題進行工程預(yù)測是一種較為實際且可行的方法，另外在837建議書中進行遠(yuǎn)東雨區(qū)的劃分時，已經(jīng)采納了我國科研人員的研究成果，故比較符合我國的實際情況。
各種雨衰的計算方法都試圖建立起一種地面降雨率Rp與衰減率γ的對應(yīng)關(guān)系，采用相關(guān)散射模型后，衰減率可簡捷地表示為
(1)其中，a和b為待定系數(shù)，它們主要由雨滴的模型、電波的極化方式、接收地點的位置和工作頻率來決定，很多學(xué)者給出了系數(shù)a和b的不同計算方法。Rec.838中給出的計算方法如下：
a=［aH+aV+(aH-aV)cos2 θcos (2τ)］／2 (2)
b=［aHbH+aVbV+(aHbH-aVbV)cos 2θcos (2τ)］／(2a) (3)
其中，aH,bH,aV,bV分別為水平極化和垂直極化時的系數(shù)，它們與頻率相關(guān)，而θ為接收天線仰角，τ為接收點電波的極化角。
接收點電波的極化角可以表示為［4］：
(4)其中，ψ為接收點的相對經(jīng)度(相對經(jīng)度=接收點經(jīng)度-衛(wèi)星經(jīng)度)，δ為接收點的緯度；衛(wèi)星上天線的波束中心緯度為δ0相對經(jīng)度為ψ0。
在Ku波段，廣播衛(wèi)星的工作頻率范圍為11.7～12.5GHz，根據(jù)(2)式和(3)式計算出的系數(shù)見圖1，顯然它們與天線仰角和電波的極化方式密切相關(guān)，因此在全國范圍內(nèi)不同的接收地點，系數(shù)a和b是存在明顯差異，在計算雨衰的過程中必須予以考慮。同時，從圖1可以清楚地看出水平極化波的衰減量大，圓極化波的衰減居于兩種線極化波之間。
Fig.1 Coefficients for calculating specific attenuation
我國各地的降雨率RP可根據(jù)Rec.837建議書［3］得到，見圖2和表1，其中，Rp為每年內(nèi)p%時間內(nèi)可達到的降雨率，其中對亞洲東部雨區(qū)的劃分采納了我國武漢大學(xué)學(xué)者的研究成果。
每年0.01%時間內(nèi)可超過的衰減量A0.01可由下式求出［3］
A0.01=γLsr0.01 (5)
其中，Ls為穿過雨區(qū)電波傳播的斜路徑長度(km)，r0.01為縮小因子，它們分別由以下公式給出。
Ls=(hr-hs)／sin θ (km) (6)
式中，hr為雨區(qū)的有效高度(km)，它與接收地點的緯度δ有關(guān)，hs為接收地點的海拔高度(km)，θ為接收天線仰角。
0＜δ＜36°時， hr=3+0.028δ (7a)
δ≥36°時，hr=4-0.075(δ-36) (7b)
r0.01=1／［1+(Lscos θ／L0)］ (8)
式中，L0=35exp(-0.015R0.01) (9)
每年p%時間內(nèi)可超過的衰減量Ap則可由下式求出
Ap／A0.01=0.12p-(0.546+0.043log p) (dB) (10)
其中，0.001＜p＜1。
3 Ku波段衛(wèi)星廣播線路中雨衰計算的實例
按1°的間隔，將全國各地的經(jīng)緯度及海拔高度輸入計算機，然后根據(jù)上述公式進行編程，針對所接衛(wèi)星的位置將各接收地點的天線仰角和電波的極化角求出，然后可將雨衰的數(shù)值表示為接收點經(jīng)度、緯度的二元函數(shù)，求出雨衰數(shù)值的等高線。為了便于使用，采用等角圓錐投影的方法，將計算結(jié)果標(biāo)于全國地圖之上，即得到最終的計算結(jié)果。
我國可以使用的同步衛(wèi)星軌道位置有87.5°E,110.5°E,115.5°E等，鑫諾一號的位置為110.5°E，中星八號的預(yù)定軌道位置為115.5°E。我們分別計算了亞洲一號、亞太一號、鑫諾一號、中星八號及87.5°E衛(wèi)星Ku波段水平極化波雨衰的數(shù)值，因水平極化的衰減最顯著。顯然當(dāng)兩顆衛(wèi)星的位置相距不遠(yuǎn)時，由于接收天線的仰角和電波的極化角相差不大，可以估計到雨衰的數(shù)值也會比較接近。
圖3為鑫諾一號(SINOSAT-1)Ku波段的雨衰曲線，其中99.99%的字樣意味著全年內(nèi)99.99%的時間內(nèi)雨衰量不會超出的上限數(shù)值，或在一年的0.01%時間內(nèi)(約52min36s)雨衰可能達到的數(shù)值。圖4為87.5°E位置上的衛(wèi)星Ku波段的雨衰曲線。根據(jù)這些曲線對衛(wèi)星天線的波束進行優(yōu)化設(shè)計，可減少雨衰對廣播線路的影響。
Fig.3 Rain attenuation curve of SINOSAT-I
Fig.4 Rain attenuation curve of 87.5°E satellite
由圖3可以看出，對于鑫諾一號衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器來說，雨衰最大的地區(qū)為浙江的舟山群島，雨衰可高達16dB；其原因在于該地區(qū)位于N區(qū)之內(nèi)，降雨率最大，同時與同位于N區(qū)內(nèi)的廣州相比，舟山群島的緯度較高，故天線仰角較低，從而穿過雨層的路徑較長，因此該處的雨衰現(xiàn)象最為嚴(yán)重。北京地區(qū)的雨衰約為6dB，在全國范圍內(nèi)受降雨的影響大致為中等程度；西北受雨衰的影響最小，其主要原因為降雨率小。需要特別指出的是，圖2中不同雨區(qū)間的變化是比較突然的，如四川省被分別歸屬在D區(qū)和M區(qū)中，從表1可看出兩區(qū)內(nèi)降雨率差別是很大的，為了消除雨衰數(shù)值在相鄰地區(qū)的突變，則需要進行大最、長期和細(xì)致的工作。
鑫諾一號衛(wèi)星Ku波段天線波束的設(shè)計工作考慮到了雨衰的影響，它的波束中心大致位于福州［5］，EIRP為53dBW；在浙江、福建、江西、廣東、廣西、海南等省的EIRP為52dBW；在北京的EIRP為46dBW。由圖3可以看出北京雨衰為6dB，福州為15dB，兩者相差9dB；而衛(wèi)星的等效全向輻射功率在兩地相差7dB，兩種差別可大致相互抵銷掉，因此在進行衛(wèi)星接收系統(tǒng)的工程設(shè)計過程中，可按北京的參數(shù)計算，這樣得到的結(jié)果用于降雨較大的華東和華南沿海地區(qū)，可有效地減輕降雨對衛(wèi)星線路造成的影響。與亞洲二號相比，鑫諾一號衛(wèi)星Ku波段天線波束的設(shè)計是比較成功的。同時，根據(jù)圖3中的曲線，若將天線的波束中心轉(zhuǎn)移到杭州或?qū)幉▌t更為合理一些，更有利于抗雨衰。
圖4為位于軌道位置為87.5°E衛(wèi)星Ku波段的雨衰曲線，與圖3進行比較可以清楚地看出兩者的區(qū)別。由于這兩顆衛(wèi)星的位置相差23°，所以接收天線的仰角和電波的極化角存在著較明顯的差別，對于舟山群島地區(qū)來說，天線的仰角要更低一些，因此雨衰可高達17dB。對位于138°E的亞太一號衛(wèi)星來說，計算結(jié)果表明雨衰的影響也可高達16dB。歸納起來說，南面的衛(wèi)星受雨衰的影響相對比較小，而東南面或西南面的衛(wèi)星受雨衰的影響相對比較大。
4 結(jié)論
根據(jù)CCIR建議的方法和接收天線的仰角和電波的極化角數(shù)值，可以得到Ku波段的雨衰曲線。計算結(jié)果表明，在我國雨衰影響最為嚴(yán)重的地區(qū)為浙江的舟山群島，其次為浙江、福建、廣東、香港、海南等地區(qū)，華北和東北地區(qū)雨衰的影響為中等程度，廣大西北地區(qū)基本上不受降雨的影響。根據(jù)雨衰曲線，可以對衛(wèi)星天線的波束圖進行優(yōu)化設(shè)計，也可以對衛(wèi)星接收系統(tǒng)進行合理的設(shè)計以減少降雨產(chǎn)生的影響。
致謝：在此，本文作者謹(jǐn)對潘振中教授給予的熱情幫助表示衷心的謝意。
作者簡介：車 晴 (1953-)，男，副教授，中國電子學(xué)會高級會員，84年畢業(yè)于北京廣播學(xué)院無線系，獲工學(xué)碩士；主要從事電磁場、天線與電波、衛(wèi)星廣播和有線電視方面的教學(xué)和科研工作。
毛志 (1938-)，男，教授，中國電子學(xué)會會士，59年畢業(yè)于南開大學(xué)物理系，80年代在美國Syracuse大學(xué)進修兩年；主要從事計算電磁學(xué)、電磁輻射和散射、天線與電波、數(shù)學(xué)通信系統(tǒng)方面的教學(xué)和科研工作。
作者單位：北京廣播學(xué)院通信工程系， 100024
參考文獻
［1］(蘇) 阿爾別爾特Ял.無線電波傳播和電離層(第二卷).袁翊譯.北京：人民郵電出版社，1981.
［2］G.Brussaard etc. Atmospheric Modelling & Millimetre Wave Propatation (Final Report) Eindhoven University of Technology, Netherlands, 1991.
［3］ITU-R Recommendations, PN Series. Geneva, 1994.
［4］車晴.衛(wèi)星廣播中線極化匹配問題的理論分析. 北京廣播學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，1998,(2):12.
［5］中國衛(wèi)星地球站設(shè)備質(zhì)量認(rèn)證委員會秘書處.衛(wèi)星地球站設(shè)備質(zhì)量認(rèn)證，1997,(2):10.
摘自《北極星電力電信網(wǎng)》
