卫星通信电波传播特点

随着无线通信业务的不断增多，人们在不断地开发新的工作频段，目前己确定将宇宙通信的频段扩展到275GHz。

卫星通信中收、发天线间的距离约为40000km，而大气层的厚度一般认为约16km，电磁波主要在大气层以外的自由空间中传播。所以，一般把卫星通信中的电波先按在自由空间中传播，然后再考虑大气层的影响，最后对自由空间传播中的衰耗加以修正。

在自由空间的传播损耗为

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

同步卫星与地面站之间单程(d约为4000km)的衰减量可达200dB以上。

卫星通信的电波传播大部分行程为自由空间，但也必须通过地球周围的大气层，因此要受到电离层中自由电子和离子的吸收，受到对流层中的氧分子、水蒸气分子和雨、雾、云、雪和冰雹等的吸收和散射，从而形成损耗。这种损耗与电波的频率、波束的仰角以及气候条件有密切的关系。人们通过大量的分析和实测，给出了在晴朗天气条件下，大气吸收损耗与频率的关系曲线，如图1所示。从图中可以看出，0.1GHz以下自由电子或离子吸收起主要作用，频率越低越严重，频率高于0.3GHz时，其影响可以忽略。水蒸气分子在21GHz左右发生谐振吸收出现一个更大的损耗峰。氮没有谐振峰，二氧化碳的谐振峰在300GHz。地球站所处位置使天线波束仰角越大，无线电波通过大气层的路径越短，则吸收损耗越小。频率低于l0GHz，仰角大于50°时，其影响基本可以忽略。

图1：大气中电子、离子、氧分子和水蒸气分子对电波的吸收

    由图1可见，在0.3GHz~l0GHz频段，大气损耗最小，故称此频段为“无线电窗口”。另外在30GHz附近也有一个损耗低谷，通常称此频段为“半透明无线电窗口”。选择工作频段时应考虑选在这些“窗口”附近。

另外，从外界噪声影响来考虑，当频率降低到0.1GHz以下时，宇宙噪声会迅速增加，如图2所示。所以最低频率不能低于0.1GHz。通常在1GHz以上，宇宙噪声和人为噪声对通信影响较小；而大气噪声，其中包括氧气、水蒸气、雨、云、雾噪声等在l0GHz以上，对通信影响较大。因此，从降低接收系统噪声角度来考虑，卫星通信工作频段最好选在1GHz~l0GHz之间。

图2：外部噪声对接收信号的影响

包围地球的大气层，其厚度达5000km左右，根据其特征可把大气细分为5层，如图3所示。

图3：地球外大气层分布图

对流层离地面0~l0km，同温层l0km~50km，中间层50km~70km，热层70km~500km，外大气层500km~3000km。距地面40km~800km高度的大气层里是被电离的空气层，称为电离层，共有4层：D层为60~80km；E层为100km~140km；F₁层为160km~200km；F₂层为220km~400km。

电波在地球外层空间传播时要受到各层影响，具体如下，

1）对流层的影响：在对流层中传播的电波，受到氧气及水蒸气分子的吸收而产生衰减。在1GHz~l0GHz的频率范围内，当地球站天线仰角为3°时，其衰减量在1. 5dB以下；仰角为0°时，其衰减在5dB以下。由于云雾等引起的衰减，在4GHz时为ldB以下，在l0GHz时为6dB以下。降雨引起的衰减，频率为4GHz时，降雨量为2. 5mm/h，其衰减量为0. 3 dB左右。

2）电离层的影响：电波穿过电离层时，其衰减随入射角而变化，垂直入射时，衰减量在(50l f)²以下，其中f的单位为MHz。

3）外层空间的影响：卫星通信的电波，主要在外层空间传播，大气层的衰减与外层空间传播衰减相比是很小的。在静止轨道卫星通信系统中电波传输的最远距离约为8.4×10⁴ km（发与收的距离），其衰减约在400dB左右。