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编者注：随着毫米波技术的快速应用，尤其是毫米波相控阵雷达及5G毫米波基站等应用，将毫米波技术应用推向新的台阶，毫米波在大气中的传播特性在整个系统链路计算中尤为重要，是一个不得不考虑的重要因素。今天我们就来介绍下该方面的知识点。
第九讲 毫米波在大气中的传播特性
1、毫米波及其特点
微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亚毫米波。其中，毫米波（millimeter wave），通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间，因此兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。图1.1中直观地展示出毫米波在整个光谱之中的具体位置。
图 1. 1 毫米波工作频率范围示意图
由于毫米波的波长范围在微波与远红外波相交叠处，因此它兼有二者的优点。（1）毫米波相对于微波波段，由于波长较短，所以对于给定的天线尺寸（孔径），波束宽度较窄，增益较高，能获得较高的空间分辨率和精度；（2）因为毫米波系统天线波束窄，其信号的空间立体角小，不易受到干扰，同时信号也不易被截获，所以毫米波还具有保密性好、抗干扰能力强、具有很强的侦查和反侦察能力的特点；（3）毫米波波段可用频带较宽，在每个毫米波大气传播窗口都具有极大的带宽可供使用，由于大气电磁波具有选择性吸收，故可以充分利用“大气窗口”丰富的频谱资源用于通信、雷达等保密通信，还可利用其带宽光谱能力来抑制多径效应和杂乱回波，消除系统间的相互干扰；（4）毫米波穿透能力强，在“大气窗口”频率传播时，其衰减虽然比微波大，但却比红外和激光小很多，它具有穿透云、雾、烟尘以及等离子体的能力，它能对抗恶劣天气，进行全天候工作，这一特点对环境遥感和军事侦察等应用是十分重要的；（5）毫米波器件具有体积小、重量轻的特点。毫米波波长短，这使得工作于毫米波段的系统天线尺寸可以做得较小，可缩小毫米波原件的尺寸，并且易于集成化、单片化，从而减小毫米波系统的体积和重量。自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来，人们充分利用电磁资源在拓宽平铺方面作了大量的工作。对于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一个世纪的漫长岁月。毫米波的发展一直时起时落，但对毫米波的研究总是吸引着很多的学者，从而获得了大量的基本知识。研究毫米波必须有相应的技术作为支撑，所以此领域的研究一直比较缓慢，可以说一波三折。但随着相应技术的发展以及在一些重要场合下红外和可见光技术不能提供最佳解决方案的时候，毫米波由于其区别于普通微波的特点，其潜在的研究和应用价值日益突出，所以近年来对毫米波的研究掀起高潮。毫米波在通信、雷达、遥感和射电天文等领域有大量的应用。要想成功地设计并研制出性能优良的毫米波系统，必须了解毫米波在不同气象条件下的大气传播特性。影响毫米波传播特性的因素主要有：构成大气成分的分子吸收（氧气、水蒸气等）、降水（包括雨、雾、雪、雹、云等）、大气中的悬浮物（尘埃、烟雾等）以及环境（包括植被、地面、障碍物等），这些因素的共同作用，会使毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径，进而在毫米波系统中引进新的噪声，着诸多因素将对毫米波系统的工作造成极大地影响，因此我们必须详细研究毫米波的传播特性。毫米波在近地大气层中的衰减一般要比微波频段严重的多，特别是在大气成分的吸收谱线附近。在毫米波频段，大气衰减的极值出现在60GHz、119GHz（这是氧气分子的两条吸收谱线）和183GHz（这是水蒸气的吸收谱线）等频率处。水蒸气和氧气之所以造成这么大的影响，是应为它们的分子具有极化结构。水蒸气是电极化分子，氧气是磁极化分子，这些极化分子与入射波作用产生强烈的吸收，吸收的强弱与环境的大气压力、温度以及海拔高度有关。随着高度的增加，大气变得稀薄，吸收系数也迅速减少，即使是同一高度，也会因地区和时间不同，吸收系数变化1倍以上，图2.1给出了毫米波大气吸收的平均幅值，其中实线是海平面处的吸收系数，虚线是海拔4km处的吸收系数。
图 2. 1晴朗天气水平传播的毫米波的单程衰减
可以看出，随着高度的增加，吸收明显减弱。在r0(km)的路径中，总的大气吸收系数为
(2.1)
式中：α0是氧气的吸收系数（dB/km）；αu是水蒸气的吸收系数。水蒸气对总吸收系数的贡献取决于水蒸气的含量和温度。对于一个给定频率，有
(dB/km) (2.2)
式中：a(f)是海平面的衰减系数，dB/km；ρ是水蒸气的浓度，g/m3；T是摄氏温度，C0。
a( f )、b( f )、c( f )使用多回归分析导出的与频率有关的经验系数，它们在表2.1中给出，其中地面空气温度为14.6C0，平均水蒸气浓度为11.1g/m3。对地面路径或靠近地面稍微倾斜的路径，路径衰减可表示为：
αd=αr0 (2.3)
式中：r0是靠近地面的路径长度公里数。
表2. 1计算大气吸收用的经验系数 （h=0,T=14.6C,ρ=11.1g/m3）
频率 | 经验系数 |
f(GHz) | a( f )×10-2 | b( f )×10-2 | c( f )×10-4 |
30 | 1.7869 | 1.0019 | 2.8032 |
35 | 2.6386 | 1.0067 | 3.6935 |
41 | 4.9874 | 1.2104 | 6.2036 |
45 | 8.9245 | 1.4038 | 10.183 |
50 | 26.56 | 1.7100 | 25.108 |
55 | 392.65 | 2.2016 | 158.46 |
70 | 44.894 | 3.1895 | 44.260 |
80 | 16.011 | 3.9123 | 12.984 |
90 | 11.318 | 4.9472 | 7.4397 |
94 | 10.650 | 5.4034 | 6.4083 |
110 | 11.598 | 7.4860 | 18.530 |
115 | 20.575 | 8.2626 | 18.530 |
120 | 98.510 | 9.3120 | 115.19 |
140 | 12.318 | 12.932 | 3.7151 |
160 | 15.263 | 20.618 | 7.8427 |
180 | 112.96 | 179.17 | -23.755 |
200 | 22.599 | 36.578 | 16.717 |
220 | 22.720 | 31.566 | 1.7356 |
240 | 25.803 | 35.654 | -1.1886 |
280 | 33.657 | 49.670 | -0.66397 |
300 | 37.908 | 62.912 | 8.0767 |
同样，可用多回归分析给出从地面到大气顶层的天顶衰减，对于给定频率有
(2.4)
式中：a1(f )、b1(f )、c1(f )是经验系数。因上述结果是用全球数据导出的，结果结合本地条件，将大大降低计算的不确定性。
对于从地面到外层空间的倾斜路径，就必须在整个路径上对式(2.1)积分来得到衰减。若仰角为θ，穿过整个大气层的衰减α(θ)可用天顶衰减乘以仰角的余割函数得到
是包括绕射在内的斜路径总长度，单位是km；h=3.2km，是综合水蒸气和氧气吸收衰减后大气层的标称高度；Re=8.5*103km，是包括绕射在内的地球有效半径；仰角必须大于60，由于地球表面的弯曲和绕射作用，当θ＜6°时，式(2.5)不适用。
图2.2(a)是计算斜路径长度的参考图，图2.2(b)给出了垂直路径、仰角θ=6°的斜路径和水平路径的单程衰减。这一衰减模型与实验数据吻合的很好，基本理论已被学术界广泛接受。这些数据可用来作系统分析，再结合本地条件就能够做出可靠设计。
2.2 降水引起的毫米波衰减
2.2.1 雨衰减
雨对毫米波的吸收和散射会引起毫米波的严重衰减。大雨的时空分布是变化多端而且难以预测的。处理雨衰减必须考虑随机过程。研究雨这类媒质对电磁波的衰减和散射，必须了解单粒子的各种效应。对于非吸收媒质，根据粒子尺寸大小，需要用不同的理论来分析：雨滴直径小于0.06λ时，用Royleigh理论分析；当雨滴直径大于0.06λ时，用Mei理论分析。
在平面波的传播路径上有单个介质球时将产生散射和吸收。下面用几种“截面”来描述它们的效应。
散射截面Q0＝总散射功率/人射功率密度 (2.6)吸收截面Q1=转变为热的总吸收功率/人射功率密度 (2.7)消光截面Qr=人射波总损耗功率/人射功率密度 (2.8)式中：Q是用来描述单个粒子对入射波产生的能量损失，而衰减用来描述大量连续粒子产生的能量损失。
根据上述定义和能量守恒可知
Qr=Q0+Q1 (2.9)
再定义后向散射面σ：
σ=后向散射功率（沿入射线方向）/入射功率密度 (2.10)单个粒子的Q0和Q1是粒子尺寸、形状和折射系数的复杂函数，同时与入射波的频率有关。图2.3给出了T=18C、波长为4.3mm、水滴直径为0.04mm~6mm的各种截面的计算结果。
事实上我们感兴趣的是，在一个给定区域内，粒子尺寸连续分布情况下所产生的反射截面和衰减截面。如果粒子尺寸的分布已知的话，我们就可用相应的理论来计算了。表2.2给出了各种气象条件下水滴的尺寸范围。因为雨是由包括258μm及更大尺寸的水滴组成的，所以对毫米波来说，必须用Mei 散射理沦，霾、雾、云的水滴很小，可用Royleigh 近似。根据Mei 散射理论，雨的后向散射截面为
(2.11)
式中：σ(D)是直径为D的单粒子后向散射截面；N(D)dD是直径在(D，D+dD)范围内的单位体积粒子数；η是单位体积的后向散射截面。
表2. 2各种气象条件下水滴尺寸的范围
气象条件 | 水滴尺寸范围(μm) |
霾 | 0.01~3 |
雾 | 0.01~100 |
云 | 1~5 |
毛毛雨 0.25mm/hr | 3~800 |
中雨 4.2mm/hr | 3~1500 |
大雨 16mm/hr | 3~3000 |
类似地，衰减定义为
(2.12)
式中：Qr(D)是直径为D的单个粒子的消光面积，雨滴尺寸分布图在图2.4中给出，它与测量结果非常吻合。
αr=aRb (2.13)
式中：αr是衰减率(dB/km)，对于给定频率的雨温度，a和b是常数，R是降雨量（mm/hr）。为了计算αr需要知道在特定雨温度、雨滴末速度和雨滴尺寸分布下的水复折射率。Ray给出了冰和水复折射率的公式在3MHz~1000GHz频率范围内、-20C~+50C温度范围内都是有效地，用球形介质模型可得到准确值，如图2.4所示的雨滴尺寸谱是统计平均值，已被广泛测量和证明。
降雨量和雨滴尺寸之间有很好的相关性，在各种大气条件下典型的雨滴尺寸见表2.3，降雨量可表示为
(2.14)
式中：N(D)是雨滴数密度（滴/cm3），υ(D)是末速度（cm/s）。D是雨滴直径（cm）。Gunn和Kinzer精确测量了标准温度和压强下静止空气中水滴的降速，也可以解析表示υ(D)：
(2.15)
式中：C是用最小二乘法确定的，在表2.3中给出了三种多项式C值以及0.1≤D≤5.8mm的最大误差。
表2. 3雨滴末速度的多项式系数
C |
i | M=3 | M=5 | M=9 |
0 | -0.19274 | -0.31682 | -0.085731540 |
1 | 4.9625 | 5.4506 | 3.3265862 |
2 | -0.90441 | 1.3806 | 4.3843578 |
3 | 0.06584 | 0.23612 | -6.8813414 |
4 |
| -0.028781 | 4.7570205 |
5 |
| -0.006486 | -1.9046601 |
6 |
|
| -0.46339978 |
7 |
|
| -0.067607898 |
8 |
|
| -0.0054455480 |
9 |
|
| -0.00018631087 |
最大误差 | 0.11m/sec | 0.07m/sec | 0.03m/sec |
Olsen等计算了各种情况下毫米波频段式(2.13)中的a和b 的值。对于偏球形雨滴，T=20C 和Laws与Parsons分布条件下，水平极化波a 和b 的近似值ah和bh、垂直极化波的a和b 的近似值aυ和bυ在表2.5中给出。其他频率下的a和b 的值可用线性内插法得到。对于线极化和圆极化波用下式计算，而ah、bh、aυ和bυ用表2.5中的数值给出：
(2.16)
(2.17)
式中：θ是路径仰角，φ是相对于水平方向的极化倾角（对圆极化波，φ=45°）。频率（GHz） | ah | bh | aυ | bυ |
30 | 0.187 | 1.02 | 0.167 | 1.00 |
35 | 0.263 | 0.970 | 0.233 | 0.963 |
40 | 0.250 | 0.931 | 0.310 | 0.929 |
45 | 0.442 | 0.903 | 0.393 | 0.897 |
50 | 0.536 | 0.873 | 0.479 | 0.868 |
60 | 0.707 | 0.826 | 0.642 | 0.824 |
70 | 0.851 | 0.793 | 0.784 | 0.793 |
80 | 0.975 | 0.769 | 0.906 | 0.769 |
90 | 1.06 | 0.753 | 0.999 | 0.754 |
100 | 1.12 | 0.743 | 1.06 | 0.744 |
120 | 1.18 | 0.731 | 1.13 | 0.732 |
150 | 1.31 | 0.710 | 1.27 | 0.711 |
200 | 1.45 | 0.689 | 1.12 | 0.690 |
300 | 1.36 | 0.688 | 1.35 | 0.689 |
1945 年Ryde 等第一次深人研究了雨衰减问题。图2.6给出了70GH毫米波的雨单程衰减。图中还给出了Grane 用Mei 散射理论计算的结果，与Hogg 所给的测量结果比较表明，理论预测与实测结果吻合得很好。在一般情况下可以用理论值作系统设计。
图2.7给出了35GHz、70GHz和94GHz等几个窗口频率下的雨中单程衰减，图中还给出了频率为15.5GHz的雨中衰减曲线作以比较。在4mm/hr的雨中，94GHz的单程衰减约为28dB，70GHz的衰减约为23dB，35GHz的衰减约为10dB，而15.5GHz的衰减不到0.2dB。降雨使毫米波不可能传播的很远。降雨的后向散射截面，在X频段一下，一般用Rayleigh散射近似可以得到很好的结果，当频率高于X频段时，Rayleigh近似的误差比较大。图2.8给出了Grane用Mei散射理论得到的结果，其中还包括2mm/hr和3.8mm/hr的测量结果。
尽管粗看起来雨衰减妨碍毫米波高可靠性通信联络，事实上在60GHz、25mm/hr的大雨中，雨衰减仅为10dB/km，考虑到并不是经常碰到降大雨的情况，而且降大雨区域在水平区域的延伸仅为2公里~3公里，因此一个毫米波链路并不会遭受过高的雨衰减。需要指出的是：理论预测仅是粗略的倾向性估计，并是长期的统计平均结果，不能够揭示任何短期行为，设计者在用这些结果时应结合具体环境和应用要求作适当修正。分析雨衰减还必须考虑诸如反向多径散射、温度变化、雨滴变形以及有限波束宽度等因素的影响，在毫米波频段，由于雨滴稀疏分布的物理间距（用波长表示）变化范围相当大，背景多径散射分量的相位近似是随机均匀的。散射过程实际上是不相关的，多径散射对衰减的影响与10C~20C温度变化产生的影响相比小几个数量级。雨衰减对温度的依赖性要强得多，特别是频率较低时温度的影响更大。在30GHz~100GHz范围内的变化有几个dB，在更高频段的变化要远低于这个值。雨衰减还与雨滴的形状有关，非球形雨滴的衰减要大于同体积球形雨滴的衰减，例如主轴在水平方向的扁雨滴，在50GHz~100GHz频率范围内对水平极化波的衰减比垂直极化波大10%~15%，当雨滴尺寸变大时，其形状更加偏离球形。这一畸变对两种极化波的影响，使二者的衰减之差最大可达到20%，只有当频率比较高时可以忽略雨滴的形状畸变。另外，图2.5中的曲线是假定在平面波照射下得到的。实际上，天线辐射波束都是有限宽的。Lin和Ishimaru 证明，在同样降雨量和相同雨滴尺寸分布情况下，高斯波束的衰减大于平面波的衰减，这是比较了降雨量（直到100mm / hr）、频率（直到100GHz）等各种情况得到的结论，例如频率为33GHz的高斯波束比平面波的衰减大30%以上。
2.2.2 雾
雾是大气中水蒸气凝结为水滴并仍然悬浮在空气中的一种状态，它所产生的云、水滴或冰晶包围观察者，并且水平可视距离不超过1km。蒸发和冷却是形成雾的主要过程。雾主要分为两类，即对流雾和辐射雾。对流雾是由温度或其他物理参数变化产生的空气水平运动形成的（又称海岸雾）。辐射雾又称内陆雾，是白天地面附近空气受热，晚上失去辐射热而形成的，经常在低凹沼泽地带、平静的河流附近形成。这两类雾的特性在表2.5中给出，注意到对流雾有较高的液态水含量，而其能见度又较辐射雾要大。一般来说，水含量是在一个很大范围内变化的，一般不超过0.25g/m3，在极少情况下会超过0.49 /m3甚至达到1g/m3。表2. 5雾的物理特性
| 辐射雾 | 对流雾 |
平均水滴直径 | 10um | 20um |
水滴尺寸范围 | 5um-35um | 7um-65um |
液态水含量 | 0.11g/m3 | 0.17g/m3 |
水滴浓度 | 200cm-3 | 40cm |
能见度 | 100m | 200m |
因为形成雾的水滴尺寸很小，因此可以用Rayleigh近似理论，Altlas用Rayleigh散射给出单程衰减系数α为
(2.18)
式中：M是雾单位体积内的水分含量，g/m3；Im(-k)是吸收系数；k=(m2-1)/( m2+2)；m是复折射系数；λ是波长，单位为mm；ρ是水滴密度，单位为g/cm4。在各种温度条件下，一般假定ρ=1g/cm3，因此在0~40C范围内，其变化不大于0.78%。
在Rayleigh散射区域，衰减主要是吸收造成的。为了计算雾的吸收系数，必须先确定毫米波区域水的折射系数，复折射系数m可用复介电常数εc给出：
(2.19)
(2.20)
表2.6中给出根据式(2.19)和(2.20)计算的在35GHz、70GHz和94GHz不同频率下水的复射系数。表2. 6不同频率水下的复射系数
| | | |
0 | 3.947-j2.367 | 3.039-j1.603 | 2.801-j1.302 |
10 | 4.802-j2.735 | 33.543-j2.059 | 3.173-j1.732 |
20 | 5.607-j2.838 | 4.077-j2.380 | 3.596-j2.076 |
30 | 6.266-j2.733 | 4.608-j2.574 | 4.031-j2.323 |
40 | 6.748-j2.501 | 5.108-j2.619 | 4.457-j2.477 |
将表2.6给出的复射系数带入Im(-k)就可以得到35GHz、70GHz和94GHz在0~40C范围内的吸收系数。计算结果在表2.7中给出。 表2. 7不同和频率下水的吸收系数
温度 （℃） | 吸收系数 Im(-k) |
35GHz | 70GHz | 94GHz |
0 | 0.114 | 0.172 | 0.183 |
10 | 0.079 | 0.137 | 0.162 |
20 | 0.058 | 0.107 | 0.133 |
30 | 0.014 | 0.085 | 0.109 |
40 | 0.036 | 0.069 | 0.090 |
从表2.7中可以看出，吸收系数对温度的变化还是很敏感的。假设水的含量为1g/m3，则各频率下雾的衰减系数为
根据式(2.21)~式(2.23)的计算结果（在图2.9中给出）可以看到0C时的衰减要比10C时的衰减要大；另一方面，频率愈高，雾引起的衰减也愈大。雾通常用光学的能见度表示，对于毫米波的衰减特性，最有用的还是雾中液态水的含量。
根据Rayleigh散射理论近似可以得到雾的反向散射截面为
式中：|k|2是反射系数；λ是波长(mm)；Z是反射因子。
对于流雾：
式中：M是雾的液态水含量，单位为g/m3；Z的单位为g2/m3。从上述关系可以得到，对流雾会出现最大反射截面，在35GHz~94GHz的毫米波频段，雾的最大反射截面小于1.0mm2/m3。它比雨的反射截面小两个数量级，因此在系统设计时可以忽略雾对系统性能的影响。
2.2.3 雪、雹和极化
尽管雨衰减是影响毫米波传播的主要因素，但是还需要了解其他水象对毫米波传播的影响，如雪、雹等。因为冰的介电常数比液态水要小许多，所以雪花、冰晶、冰雹等等的散射截面比同尺寸的液态水滴的散射截面小许多。冰颗粒的吸收也比同体积的雨滴小许多，因此在相同降水量的情况下，雪和雹产生的衰减比雨衰减小很多。可以预计湿雪产生的衰减比冰高许多，特别是在融化区域，雪花表面有一层水，其反向散射比雨高10dB~15dB。在毫米波谱的低端，干雪的衰减作用很小，测量表明只是在较高的频率上雪衰减才有一定的作用。一般来说，无沦是测量结果还是理论预测，对下雪来说都还不是十分有效的。有一点可以肯定，实验表明，雪和冰雹的形状都不是球形，因此它使得毫米波去极化。去极化效应是由于雨、雪、雹的形状是非球形的，而传播的波又是各种极化的。交叉极化对于通信应用非常重要，在通信中用了两种线极化，交叉极化会引起交叉调制，在雷达系统中情况类似。对于各种降水现象，极化改变程度是与入射波的极化、降水量的大小、形状和指向等因素有关的。关于雨的去极化作用，已有很好的分析及实验数据可用。高空冰粒子也会对毫米波产生去极化作用，已观察到云雾中冰粒子产生的不规则去极化现象。发生去极化时一般并不伴随着信号衰减。还观察到冰粒子去极化作用快速变化时与雷电有关，这是因为冰粒子的指向受到雷电电场的作用。云也会产生去极化，这是因为云中有水滴和冰粒子。在雷雨云以及积雨云中也观察到显著的不规则去极化现象，一般它们都含有大量冰粒子，冰雹的去极化作用与之类似。去极化作用可用交叉极化比来描述．它定义为CPR=20lg(交叉极化信号幅值/共极化信号幅值) (2.27)理论上计算雨的去极化作用，需要知道雨滴尺寸、形状、斜角以及形状分布等参数。当然要给出一个正确的模型是非常困难的,但交叉极化比(CPR)很容易根据实验数据来计算。2.3 其他大气效应
除了大气成分气体（O2、H2O等）、雨、雪、雹、云等的吸收和散射造成毫米波衰减和去极化外，还有一些大气现象是我们所关心的，这包括各种晴空效应，如大气波导、超折射、折射率变化、雨和云的反射、大气热噪声等。这些因素单独作用与雨衰减比较或许其影响并不显著，为了正确设计毫米波系统，就必须充分了解它们。2.3.1 晴空效应
P是大气压强（毫帕）；T是绝对温度(K)；e是水蒸气的压强（毫帕）。
对于海平面标准大气压，N随高度的增加面降低，其降低速率为0.04/m，M(z)与高度是线性关系。对于干燥大气，在整个电磁频谱范围内折射率差不多是常数。然而水蒸气是极化分子，其分子偶极矩会随电场而改变，它引起了折射率的改变。随着气象条件的变化，折射效应的变化范围非常宽。在某些异常情况下，波急剧向下弯曲（超折射）、向上弯曲（亚折射）或被导入大气波导。折射引起的信号损失完全不同于大气衰减，因为直线传播的波被弯曲，改变了波的到达角，如果预先知道波的弯曲，它是可以补偿回来的。Richter等用波导模式理论分析过大气表面波导的传播，Fruchtenicht 用几何光学分析过大气表面波导的传播。一个典型的大气波导高约10m，它可以支持数百个毫米波模式，用波导模式理论计算是十分困难的。当波长较短时，用射线理论分析大气波导中毫米波的传播要更精确一些。大气折射率的变化会引起多径效应，当不同路径相差半波长时会产生严重的衰落，对于长度仅有几公里的毫米波链路，这个问题不是非常严重。Ruthroff分析过折射衰落理论，对于超过10km的路径，大气异常引起衰落20dB的概率在37.5GHz时为2.25*10-4在75GHz时为4.5*10-4，分别相应于2小时和4小时时间周期。衰落达30dB的概率约为衰落20dB概率的十分之一。折射率小范围不规则起伏会产生很大的相位和幅度变化，造成闪烁效应，使可用带宽明显变窄。穿过主波束的水蒸气云层也会造成闪烁。随着频率增加，闪烁作用趋强，但是缺乏毫米波频段的有关数据，闪烁型衰落在潮湿条件下特别重要。传播路径的地上高度、当地的地形特性以及大气特征将决定衰落的强弱。相位闪烁可能很强．引起接收天线增益降低，在大多数晴朗天气，相位闪烁一般不是太严重，并且随高度的增加而迅速降低。
2.3.2 大气热噪声
大气中气体和沉降物辐射的热噪声称为天空噪声。天空噪声可用天线温度或天空温度来表示。对热平衡下的平均媒质，黑体辐射理论表明，良好的吸收体也是一个良好的发射体，大气就可近似为这类媒质。绝对温度为T的理想吸收体或发射体辐射的噪声功率为P：
P=kTB (2.30)
式中：αm是媒质的吸收系数；αmT 则是天空额噪声温度。当T=300K，理想吸收辐射的噪声功率约为4×10-15W/MHz，对非理想吸收体，αmT将在0~300K之间变化，αmT=0K相应于无吸收和辐射，αmT=300K相应于强吸收核和辐射。αmT可由已知的αm和T的值计算或用辐射计测量得到。图2.10给出了窄波束系统各种仰角时的天空噪声温度，其中理论模型为晴朗天气，地面湿度为20C，地平面上水蒸气含量为10g/m3。如果出现降雨或潮湿云层，噪声功率将会显著增加，测量天空噪声和传播路径上的温度分布，就可以计算出大气造成的总衰减。
大气热噪声给高灵敏接收机的射电天文用的低噪声辐射计设置了一个灵敏度极限，还会影响到探测车辆位置和地形的热成像系统的性能。其他一些因素如目标噪声、温度及其在目标上的分布，目标对噪声的散射和反射，大气辐射的噪声以及大气对目标噪声的衰减等都需要考虑。金属表面的噪声温度约为几度（K），水表面的噪声温度约为170K，大多数自然物体（树木、草地、混凝土等等）的噪声温度约为230K~290K，因此在低噪声温度目标检测中，大气或天空噪声就成为重要的限制因素。2.3.3 雨、雾、云的反射
对于气象雷达和其他雷达应用，雨、雾和云的反射还是很总要的。图2.11给出了不同降雨量下雨的反射系数。图中给出了几个重要毫米波频率35GHz、70GHz和95GHz降雨的反射系数，还给出了频率为9.375GHz降雨的反射系数作为比较。
Crane应用Mei散射理论对降雨反射做了分析，如图2.12所示。理论预测35GHz、70GHz和95GHz三条曲线在9mm/hr降雨量交于一点，实测35GHz与95GHz的曲线交于20mm/hr，35GHz与70GHz的曲线交于70mm/hr，而且实测反射曲线中70GHz的曲线始终比95GHz高。从这里可以看出Mei散射理论的局限性，在定量的估算上理论值与实测值还是基本吻合的。图2.13给出了5种降雨量下频率从10GHz到1000GHz降雨的反射系数的计算值，并给出了少数实测结果，可作为系统设计应用。云的反射取决于云中含液态水的多少，总的来说，云的反射比降雨反射小许多。雾的反射比降雨的反射在幅度上低两倍。对系统性能影响很小。在同样降水量情况下，雪的反射与雨的反射相当或稍大一些。由于测量困难，其他大气粒子的信息很少，即使有些测量数据也只是针对少数频率或特定的极化形式。
2.4 烟、尘和多径效应
降雨的吸收和衰减时毫米波大气传播碰到的主要问题。大气中的悬浮物如砂、尘粒子、地面和障碍物对毫米波的影响、毫米波在植被中的传播等问题对毫米波系统的应用也是非常重要的。2.4.1 烟、尘引起的衰减
砂、尘和烟对毫米波传播的作用可用Mei散射理论来估算。直径为a、介电常数为ε的粒子其散射截面σ(a)为
(2.32)
式中：λ0是工作波长。
若单位体积内有δ(a)个粒子，则单位长度上的衰减(dB)为
把式(2.32)代入式(2.33)并用
式中：μ是质量浓度；ρ是密度；V是直径为D的粒子体积。于是有
式中：μ的单位是μg/cm3。
在毫米波频段各种悬浮粒子产生的衰减都是可以忽略的。只有在强风暴中和掠射情况下的链路衰减可能要大些。毫米波实际上能无衰减地穿过各种烟、尘和岩屑传播是它的主要优点之一，因为在战场条件下就希望系统有这种能力。甚至在有爆炸和金属屑产生的高密度散射分布情况下，如果有衰落的话，其持续期也很短，随着粒子散开和安定下来，不会产生明显的阻断。车辆产生的飞尘对毫米波的衰减和上述情况类似，其衰减较小可以忽略。Lindbert还研究过近地核爆炸产生的大气离子、折射率起伏、尘埃、污染和岩屑对毫米波传播的影响。这些结果表明在大多数剧烈战场条件下，采用毫米波系统信号损失仅是很短暂的（几秒到几分钟）。在典型战场烟雾和模糊条件下，对雷达在各种工作频率的传输性能作了广泛的测试研究，这包括六氯乙烷、白磷和红磷的晶体、雾、油、塑性白磷、白磷和磷碎片、强烈爆炸产生的尘埃等等。测量表明，这些一般都不能妨碍毫米波传感器工作。实际上不可能对每一种情况都加以分析计算，这方面还需要做很多工作。94GHz雷达在典型炮火密度情况下计算得到的检测时间百分比在表2.8中给出，这些数据已被实验所证明。这些数据表明在战场环境下，毫米波雷达检测能力的下降是很小的，证明了毫米波传感器在真实战场条件下的优良特性。2.4.2 植被
对于雷达应用来说，覆盖在地面上的雪或树叶等会衰减毫米波的能量，使目标披上一层伪装；同时雷达回波信号的变化也反映了整个植被类型的改变，从而提供了一个描述自然界各种植物结构类型的方法。地面散射受表面粗糙程度、复介电常数、频率和入射角的影响，其中表面粗糙程度和复介电常数直接与反射地面有关。一般表面粗糙程度对散射的影响要大一些。因为它指定了散射范围。实验数据表明，稠密植物覆盖区域是漫散射表面，其行为类似于粗糙表面。关于毫米波频段树叶的渗透性和衰减的数据比较少。Currie等给出了一些掠射角为30的结果。图2.14给出了频率为35GHz 和95GHz 时树叶造成的双程衰减，可以看到，随着树叶深度的增加，总衰减是加速增加的，即曲线斜率也增加了。必须指明的是：图2.14是一组平均结果，而且会随气候、环境等条件不同而变化。
2.4.3 多径效应
对于毫米波雷达和毫米波通信，必须考虑电磁波传播路径中地面和障碍物造成的多径效应。在雷达系统中多径效应会造成后向散射起伏和前向散射干扰，在通信系统中多径效应一般都要产生干扰。干扰效果一般与表面粗糙因子R有关：
式中：σ是反射点附近的路径上表面不规则，相对于平均表面高度的标准偏差；θ是法线和入射线之间的入射角；λ0是工作波长。
对于小反射系数来说，当R<0.1时，认为表面是光滑的；当R>10时，表面是粗糙表面。在毫米波范围内，地面一般表现为粗糙表面，因此对视线传播系统，绕射损耗是很大的。在粗糙表面上，频率愈高，信号损失愈显著。折射率变化形成的大气波导效应也会造成实现传播系统信号电平的削弱。如海面上大气波导现象更经常、范围更广泛，产生很大的干扰。大气波导泄漏造成的信号损失、粗糙海面散射造成的信号损失以及海面高湿度造成的信号损失都随频率而增加。对于雷达应用，背景杂散干扰是相当明显的。表2.9和表2.10给出了不同地面和海面的平均反射。 表2. 10海面平均后向散射特性（1.4°下降角）一般来说，毫米波频段干扰杂波是随频率和下降角（入射线与地平线的夹角）的增加而增加的，对于海面杂波干扰也是这样。海面杂波特性与地面杂波特性不同，海面气象以及雷达接收机噪声也不相同，海面杂波包括非瑞利振幅分布、极化因素、距离因素、自协方差和频谱、海面前向散射以及风向和频率等因素。尽管有一些关于陆地和海面杂波的数据，这些数据还需要大大扩展。关于树林掠入射的反射数据，关于道路、建筑物、河流、不同水面情况下的湖泊、风速、树叶深度以及目标的几何形状等等的数据，对于深刻理解毫米波行为特征和设计毫米波系统都是必需的。
视线路径上的障碍物如树丛或建筑物作为不透明物体，它们产生的衰减αb可近似为式中：ν=(2hΘ/λ)-2h是视线之上的障碍物的高度；λ是波长；Θ是折射角。
靠近毫米波链路的高大建筑物的散射会引起多径传播失真。散射信号的大小与系统的几何位置有关，如果毫米波系统采用高增益天线，多径效应将被削弱。高增益天线削弱了从主波瓣进人的多径散射，但副波瓣和尾波瓣仍然引起散射失真。目标和杂乱散射产生的雷达回波的统汁特性使雷达检测问题变得复杂了。应当指出，在大多数情况下，障碍物的作用没有各种条件下大气衰减因素那么严重。
2.5 雷达系统设计考虑
雷达系统工作频率的选择取决于天线尺寸、大气传输特性以及器件电路工艺和可实现性。因为雷达系统一般工作在恶劣气象条件下，如降雨和雾，所以必须考察在这类媒质中衰减和散射与雷达波长的关系。从装备的观点来说，选择较高的工作频率其优点是减少了天线扫过的体积，相应地减小了天线罩的尺寸、雷达的结构、成本和重量等问题。因为天线扫过的体积近似与天线尺寸的立方成比例，天线尺寸的任何减小都有相当的好处。但是必须认真权衡一下得到的这些好处与天气可能带来的有害作用。在晴朗天气条件下，35GH、70GHz和95GHz的衰减系数分别为0.18dB/km、0.41dB/km和0.24dB/km。如果系统仅仅是设计在睛朗天气工作，应选择衰减最小的频率。但是任何雷达都将工作在恶劣条件下，所以应当考虑降雨和雾对系统性能的影响。在雨中，雨滴吸收和散射毫米波能量将使系统性能降低。为了分析方便，表2.14给出了三个感兴趣的毫米波频率下的衰减系数。除了衰减之外，反向散射回雷达的能量会对系统造成附加噪声，在表2.14中还给出了后向散射系数。可以看到三频率下大雨的后向散射截面差不多，而70GHz和95GHz的后向散射截面比35GHz小。因此，在大雨中V频段和W频段雷达的雨杂波比Kd频段雷达还要小。一个W频段的雷达的雨后向散射比V频段雷达稍小，但是在各种降雨量下都有更高的衰减，使得人们不敢采用高于V频段的频率。尽管V频段的雨衰减高于Kd频段，并不能阻止雷达选择这一频段工作。对一给定雷达，考虑目标雨杂波比，若目标截面为σT，则目标回波为
(2.38)
而雨回波为
(2.39)
式中：PT是峰值功率；G是天线增益；λ是波长；R是距离；α是单程衰减系数；σi是单位体积雨后向散射截面；θ是方位波束宽；φ是俯仰波束宽；c是自由空间光束；τ是发射脉冲宽度。
表2. 11雨衰减和反向散射系数
频率 (GHz) | 小雨(1mm/hr) | 大雨(16mm/hr) |
衰减 (dB/km) | 后向散射 (cm2/m3) | 衰减 (dB/km) | 后向散射 (cm2/m3) |
35 | 0.21 | 0.21 | 4.0 | 4.9 |
70 | 0.73 | 0.72 | 6.0 | 4.1 |
95 | 0.95 | 0.89 | 7.4 | 3.9 |
于是目标杂波比为
(2.40)
(2.42)
对于固定目标，给定距离，括号内是一个常数，因此可以定义一个品质因数Fm。对于雨环境下的工作系统，它仅是频率的函数：
Fm=1/(σλ2) (2.43)
这个因子表明了将雨后向散射对系统性能的影响。在图2.15中给出了品质因数Fm与雷达频率的关系。从曲线可见在各种降雨量情况下Ka频段的品质因数最低，因此不应选择35GHz。在V和W频段的品质因数还要高些。在选定频率之前，还应考虑雾对系统性能的影响。
雾引起毫米波衰减与雾中液态水的含量有关，同时还与温度有关。如果液态水含量为0.1g/m3，对35GHz的波，在0C时雾的衰减为0.1ldB/km，40C时衰减为0.034dB/km，温度升高，雾衰减下降。对70GHz有类似的情况，0C时衰减为0.36dB/km，40C时衰减为0.138dB/km；95GHz也是一样，0C时衰减为0.47dB/km， 40C时衰减为0.22dB/km。显然，如果在雾中工作，应当选择35GHz频段。在睛朗天气和雾中工作应选35GHz作为工作频率，若要考虑雨的吸收和散射，则应选在70GHz~95GHz，并能给出全天候下的最佳性能。具体选择哪个频段，还应考虑器件电路工艺、噪声、电子战以及成本等诸多因素。－ The End －
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