基于降雨特性测量数据和等效介电常数修正特征衰减模型参数

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安电子科技大学理学院 作者:郑天成

  提出一种修正降雨特征衰减计算模型所需参数简单有效的分析方法,基于西安地区降雨物理特性测量结果和等效介电常数模型,利用文中的方法计算得到了20GHz~50GHz的参数,和ITU推荐的数据作了比较并进行了分析讨论,研究结果对精确评估降雨衰减特性有重要的理论意义和实用价值。

  Ka 频段通信具有通信容量大、波束窄、终端尺寸小和抗干扰能力强、电磁兼容性好、设备更易小型化、天线可以减小等优势,Ka 频段通信将成为未来无线通信系统的主流方式。Ka 频段无线通信系统遇到的难点之一是如何评估与克服对流层大气对信号带来的衰减问题,例如沙尘暴以及云、雨、雪、雾等水凝物产生的衰减效应,其中降雨产生的衰减尤为严重,降雨衰减甚至可以引起高达数十分贝的信号衰减,导致信号中断,影响无线系统工作的有效性和可靠性。降雨衰减成为制约Ka波段电磁波开发、应用的一个显著问题。

  降雨衰减的评估精度依赖于特征衰减和等效路径的精确评估,关于雨衰的预报模型不同国家的学者作了大量研究工作,文献进行了详细的描述。等效路径评估主要依赖于雨胞的空间分布特性,而特征衰减计算模型所需参数与温度、雨滴谱特征、频率、仰角、极化等参数有关,由于降雨特性具有较强的地域性,不同的地貌、不同的气候均有很大的差异,研究结果表明不同国家地区研究结果的差别较大,为了精确评估降雨衰减为对抗雨衰和降雨带来的其他方面的影响,例如噪声、去极化等其他效应,需要针对不同的地区开展特征衰减计算模型参数及等效路径模型的研究。

  本文提出一种在特定地区确定降雨特征衰减计算模型所需参数简单有效的方法,结合西安地区降雨物理特征测量结果,利用等效介电常数模型计算的降雨衰减率和文中提出的方法,计算得到了20GHz~50GHz 特征衰减模型所需的参数,和ITU-R推荐的数据作了比较并且进行了分析讨论,对精确评估降雨衰减特性有重要的理论意义和实用价值。

1、特征衰减率计算模型及参数修正的必要性

  由Olsen 等把Mie 系数进行级数展开,在负指数雨滴谱尺寸分布下,得到了雨致特征衰减与降雨率的关系式中ah 、av 和bh 、bv 是水平极化和垂直极化的系数,θ 为链路仰角τ 为极化倾角。其中ah 、av 和bh 、bv 的取值与频率、环境温度、雨滴谱分布特征等参数有关,但是受频率和雨滴谱分布特征的影响最为明显,不同国家地区开展了确定这些参数的工作并给出了相应的结果,例如ITU-R、IEEE802.16cc-99/24、Din、Ajayi 等组织和学者研究给出了适用于不同雨滴谱的参数列表,图1-图4 是部分参数结果对比,从图1-图4 可以看出,不同组织和学者研究结果差别较大,这是由于降雨特性的地区差异特性所致的结果。

ah 随频率的变化关系

图1 ah 随频率的变化关系

4、结论

  计算降雨特征衰减的参数ah 、av 和bh 、bv 的取值与频率、环境温度、雨滴谱分布特征等参数有关,但是受频率和雨滴谱分布特征的影响最为明显,通过本文的测量、分析和计算结果可以看出,ITU-R推荐的参数计算其他地区相同降雨率的降雨衰减率差别较大,而且随着频率和降雨率的增加差别越来越大。以西安地区为例50 GHz 的信号在降雨率为50 mm/h 时特征衰减率差异可达到约6 dB,25 mm/h降雨率时特征衰减率差别可达3 dB。可以说明用ITU-R 推荐的参数计算其他地区的降雨衰减误差不可忽略,为了更好地评估降雨衰减特性,非常有必要根据当地降雨特征进行参数修正。本文提出一种确定降雨特征衰减计算模型所需参数简单有效的分析方法,结合西安地区降雨物理特性测量果,利用等效介电常数模型计算的降雨衰减率和文中提出的方法,计算得到了20 GHz~50 GHz 的参数,和ITU-R推荐的数据作了比较并且进行了分析讨论,对精确评估降雨衰减特性有重要的理论意义和实用价值。

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