第二节 无线电广播和电视

电磁波的损耗

　　损耗从哪里来

　　卫星通信是在空间技术和地面微波中继通信技术的基础上发展起来的，靠大气外卫星的中继实现远程通信.其载荷信息的无线电波要穿越大气层，经过很长的距离在地面站和卫星之间传播，因此它受到多种因素的影响.传播问题会影响到信号质量和系统性能，这也是造成系统运转中断的一个原因，因此电波传播特性是卫星通信以及其他无线通信系统进行系统设计和线路设计时必须考虑的基本特性.

　　卫星通信的电波要经过对流层（含云层和雨层）、平流层、电离层和外层空间，跨越距离大，因此影响电波的传播因素很多.下表列出了有关的传播问题.

　　卫星通信的电波在传播中要受到损耗，其中最主要的是自由空间传播损耗，它占总损耗的大部分.其他损耗还有大气，雨，云，雪，雾等造成的吸收和散射损耗等.卫星移动通信系统还会因为受到某种阴影遮蔽（例如树木、建筑物的遮挡等）而增加额外的损耗，固定业务卫星通信系统则可通过适当选址避免这一额外的损耗.

　　卫星移动通信系统中，由于移动用户的特点，使接收电波不可避免地受到山，植被，建筑物的遮挡反射、折射引起的多径衰落，这是不同于固定业务卫星通信的地方.海面上的船舶、海面上空的飞机还会受到海面反射等引起的多径衰落影响.固定站通信的时候，虽然存在多径传播，但是信号不会快衰落，只有由温度等引起的信号包络相对时间的缓慢变化，当然条件是不能有其他移动物体造成电波的发射等情况发生.

　　自由空间传播损耗

　　自由空间电波传播是无线电波最基本、最简单的传播方式.自由空间是一个理想化的概念，实际上电波是不可能在真空中传播的，自由空间为人们研究电波传播提供了一个简化的计算环境.

　　电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面上.如用定向天线，电波将向某一方向汇聚，在此方向上获得增益，那么到达接收点的信号功率是：

　　其中P_T为发射功率
　　G_T为发射天线增益
　　G_R为接收天线增益
　　L_p自由空间传播损耗

　　d为传播距离
　　λ为工作波长
　　c为光速
　　f为工作电波频率

　　自由空间传播损耗L_p是传播损耗中最基本的损耗，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了.工作距离越远，球面积越大，接收点截获的功率越小，即传播损耗加大.电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播.

　　如果低轨道卫星系统卫星高1000Km，最小仰角为10°，最大路径长为2763Km，上行频率1600MHz，则上行空间传播损耗为165.3dB；下行频率1500MHz，传播损耗为164.8dB.若静止轨道卫星系统上行频率6GHz,下行频率4GHz，地球站与卫星相距40000Km，则上行和下行的空间传播损耗为200.05dB和196.53dB.低轨和高轨的传播损耗相差可达30dB，显然低轨道方案在传播损耗上具有优势，可放松对天线、发射功率等的要求，方便地实现卫星与手持机之间的通信.

　　其他传播损耗

　　一、大气、降雨、云、雾损耗

　　电波在往返大气层的时候，要受到大气气体、云、雾、雪、降雨等的损耗.这些损耗附加在自由空间传播损耗上，随天气的变化比较明显.

　　1．大气气体吸收衰减

　　在大气各种气体中，氧气、水蒸汽对电波的吸收衰减起主要作用，水蒸汽的第一吸收峰值（吸收最强处）是22.3GHz，氧气在60GHz左右.对非常低的水蒸汽密度，衰减可以假定与水蒸汽密度成正比.在0.3～100GHz的频段，大气损耗小，适合于电波传播，这一频段是当前应用最多的频段.30GHz附近也有一个低损耗区.

　　2．降雨、云、雾等衰减

　　降雨衰减是电波在雨中传播的时候由于雨点吸收和散射而产生的衰减，在1～50GHz的频带内，降雨衰减与降雨强度成正比.当电波的波长远大于雨点的直径的时候，衰减主要由雨点的吸收引起，当电波的波长变小或雨点的直径增大时，散射衰减的作用就增大.
仰角为θ的传播路径上的降雨衰减量为：
L_R =γ_R·l_R(θ)dB
　　γ_R是降雨衰减系数，定义为由雨点引起的单位长度上的衰减，单位为dB/km，l_R(θ)是降雨地区的等效路径长度，定义为当仰角为θ时传播路径上产生的总降雨衰减(dB)与对应于地球站所在地降雨强度的降雨衰减系数（dB/km）比，单位为km.

　　二、树木遮挡损耗

　　与固定业务卫星通信不同，卫星移动通信的通信地点无法预先选择，因此电波传播途中可能会遇到树木阻挡，被阴影遮蔽而受到衰减.阴影效应在卫星移动通信信道分析模型中的作用会在后面讲到.

　　树木阻挡的衰减量决定于树叶和枝干的浓密度以及电波穿过树冠的路径长度.有数据表明，单颗树木在870MHz（右旋圆极化传播）的衰减量为：最大衰减量14.3dB，平均衰减量10.6dB,最大衰减系数为1.8dB/m，平均衰减系数为1.3dB/m，这些数据是用电波穿越树冠的路径长度计算，路径长度用测试仰角、树的大小以及接收天线的相对几何关系估算出来的.