5mm波段大气传播特性的研究+文献综述(5)
2 晴空大气衰减特性研究
5mm波段电波穿过大气时，大气中水汽和氧气分子会吸收电波能量而产生能级跃迁，从而引起电波衰减。水汽分子具有固定的点偶极子，氧气分子具有固定的磁偶极子，它们都具有固定的频率，当电波频率与其固有的谐振频率相同时，就会产生强烈的吸收，从而使得毫米波电波产生衰减。对于5mm波段，氧分子吸收峰为60GHz，水汽分子的吸收峰为22GHz和183GHz，在5mm波段水汽吸收没有峰值。气体衰减主要受到频率，水蒸气浓度和天线仰角的影响。在无线电传播中，气体吸收可以看作为一个常量，和降雨等引起的衰减相比，大气吸收衰减是一个缓慢的过程。
大气吸收是电波传播时连续发生的，所以首先应确定衰减率，然后再按衰减率的积分确定整个传播路径上的衰减。
2.1 接地面水平路径上的衰减
近地面水平路径上的衰减是由于氧气吸收和水汽吸收产生的，记氧气的衰减系数为 ，水汽的衰减系数为 。由于氧气衰减率和水汽衰减率在整个积分路径上为常数。所以求衰减率的积分，总路径上的衰减为： （2.1.1）
式中，d为卫星系统到地面的距离（km）。
我们要计算大气衰减，就得利用合适的模型，分别得出水汽吸收衰减系数和氧气吸收系数。大气衰减就是由氧气吸收衰减和水汽吸收衰减组成的。
2.1.1 水汽的吸收
1. MPM模型（毫米波传播模型）[1]
这种模型可适用于高至1000GHz的频率，所以在5mm波段（50GHz~70GHz）是完全适用的。对于这种模型，水汽的吸收系数为 为：
， （2.1.2）
其中 是水汽的折射率的虚部，可分解为：
（2.1.3）
上式右边的求和是对表2.1.1的水汽谱线进行的， 是经验修正项，它表述了频谱的连续部分且部分的考虑了来自1到30GHz间非常强的谱线的贡献。F是VanVleck-Weisskopf函数[6]
（2.1.4）
强度S和半宽度γ由下面式子给出
式中p是干燥空气的压强（p=1013hPa=1.013*10E5）,e是水汽压强，0摄氏度情况下的水汽压强为0.6082KPa(=608.2Pa)。大气总的压强为P=p+e 。压强以帕表示，频率单位为赫。表2.1.1给出了各种频率下谱线的系数 ， ， 的值。 项由下式给出
表2.1.1 300GHz以下空气中水汽谱线参数[3]
（GHz） (Hz/Pa) (Hz/Pa)
22.23508 0.1090 2.143 27.84 E3
67.813960 0.0011 8.730 27.60 E3
119.995940 0.0007 8.347 27.00 E3
183.310117 2.3000 0.653 28.35 E3
321.225644 0.0464 6.156 21.40 E3
2 .CCIR和Gibbins模型[4]
这些模型主要用于接近海平面的地面传播，没有给出吸收系数随温度和压强而变化的情况，所以在实用中受到一些限制。
CCIR模型[5]：对于总压强为1013毫巴，温度为15摄氏度
， （2.1.8）