ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施

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1、Ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施庞宗山路平（军械工程学院光学与电子工程系　石家庄　050003）摘要：雨衰是影响Ku波段卫星通信系统传输质量及系统性能的主要因素之一。介绍了Ku波段卫星通信中雨衰产生的机理及其对信道的影响，并提出了有效减少雨衰对Ku波段卫星通信不利影响的措施。关键词：Ku波段　卫星通信　雨衰中图法分类号：TN927；文献标识码：A　1　雨衰的机理及影响1.1雨衰的产生当电波穿过降雨的区域时，雨不仅吸收电波能量，而且对电波产生散射。这种吸收和散射共同形成电波衰减，散射还能导致大范围无线电干扰，并对电波存在去极化效应，我们称这些衰减和干扰为雨衰。

2、这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素，因此雨衰问题也就成为系统设计过程中必须考虑的重要问题。雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用，当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用，无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减；当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，Ｃ波段信号受雨衰的影响也可以忽略。对于10GHz以上的电磁波，雨衰的影响就非常明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高雨衰

3、的影响越大，大雨和暴雨的对电磁波的衰减要比小雨大得多。图１是国际无线电咨询委员会（ＣＣＩＲ）（现为国际电联（ＩＴＵ））提供的雨衰与频率和降雨大小的关系图，从图中可以很清楚地看出Ｋｕ波段信号受雨衰的影响如图1所示。降雨对电波的衰耗为实线，而云、雾引起的衰减为虚线。Ku波段频率较高(12GHz－18GHz),波长与雨滴的大小可比拟，受雨衰的影响比较严重。由图1和图2可看出，在Ku波段，中雨(雨量为4mm/h)以上的降雨引起的衰耗相当严重，若电波穿过雨区路径长度为10km图1：雨、云、雾引起的衰耗图2：降雨衰减系数与降雨量、工作频率的关系曲线时，对于Ku波段上行线路

4、，衰耗为2dB左右，下行线路的衰耗为1dB左右；在暴雨(雨量为100mm/h)情况下，每公里的损耗强度较大，但雨区高度一般小于2km，暴雨引起的衰耗将超过10dB以上。随着降雨强度的加大，在Ku波段降雨衰减系数也急剧增加，其降雨衰减量与降雨强度几乎成正比。而对于C波段(4GHz-6GHz)来说，雨衰的影响就不是很明显，中雨区上行线路的衰耗为1dB左右，下行衰耗仅为0.4dB左右，即使是暴雨区上行线路总衰耗值也仅为1dB左右。1.2降雨噪声降雨引起的对电磁波吸收衰减也会对地球站产生热噪声影响，这种降雨噪声折合到接收天线输入端就等效为天线热噪声，对接收信号的载噪比

5、有很大的影响，这种影响与衰减量的大小和天线结构有关，根据经验，每衰减0.1dB，噪声温度增加约6.7K。一般情况下，天线的仰角越高降雨噪声的影响越小，这是因为电磁波穿过降雨路径较短，衰减量就小一些。降雨噪声可以用下面的公式来计算：其中：R为雨衰值(dB)；W为馈源到LNB间的波导损耗(dB)；Train为雨的温度(K)。由计算公式可以看出：在没有雨衰时，噪声温度不增加；在没有波导损耗时，噪声温度只和降雨衰减量有关。由于噪声温度的增加直接影响到接收系统的G/T值，也就是直接影响到接收信号的载噪比，对信号可用度的影响甚至比降雨衰减更明显，在链路计算时必须考虑其影响

6、。1.3去极化现象降雨不仅会使电波衰减，还会产生去极化作用，所以降雨对电波的吸收和散射特性也与人射波的极化波面有关。由于空气阻力使雨滴变成略微扁平的形状，在雨滴的两个轴向引起的衰减称为微分衰减，相位移称为微分相移。这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大。这种降雨引起的去极化现象，对线极化和圆极化都有影响。我们常使用交叉极化鉴别度来表示极化纯度，一般情况下，当天线仰角大于１５度时，交叉极化鉴别度在超过年平均时间的0.1%时可望达到27dB，0.01%时为20dB，0.001%时

7、为15dB。如图3所示。暴雨区Ku波段的微分衰减可达2dB左右(雨区高度按2km计算)。对于正交极化复用的卫星系统，降雨引起的去极化作用会使极化隔离度降低，产生极化误差，导致干扰增加。图3：由降雨引起的微分衰减与频率的关系2降低雨衰影响的措施考虑Ku频段抗雨衰策略时，首先应准确得到某一特定区域的降雨衰减。它要求进行长期的观察测量，得到长期连续的降雨实测数据(如连续多年的分钟降雨率)，获取该区域精确的降雨统计特性，并通过实测数据，计算该区域的降雨衰减，通过迭代，补充完善降雨统计特性，以获取该区域在各种条件下降雨衰减的真实情况。在此基础上可以采取如下抗雨衰策略：2

8、.1链路的备余量。它是传统通信链路设计