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毫米波频段LTCC微带到带状线过渡结构设计
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3毫米波上变频-注放组件的研制
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3毫米波上变频-注放组件的研制
官方公共微信毫米波在大气中的传播69-第3页
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毫米波在大气中的传播69-3
101；94GHz；单程衰减(dB/km)；100；10-1；15.5GHz；10-2；0.1；降雨量(mm/hr)；10100；图2.7毫米波的雨中单程衰减图2.7毫米波的雨中；100；理论预测CRANE(0°C)SRI(0°C)SR；后向散射截面(cm2/m2)；10；1.0；0.1；0.1；1.0；降雨量(mm/hr)；10100；图2.8对70GHz
10194GHz单程衰减(dB/km)10010-115.5GHz10-20.11降雨量(mm/hr)10100图 2. 7 毫米波的雨中单程衰减图 2. 7 毫米波的雨中单程衰减 100理论预测CRANE(0°C)SRI(0°C)SRI(18°C)SRI(30°C)测量值NORDEA后向散射截面(cm2/m2)101.00.10.11.0降雨量(mm/hr)10100图 2. 8 对70GHz电磁波单位体积降雨的后向散射截面积图 2. 8 对70GHz电磁波单位体积降雨的后向散射截面积 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/m，在极少情况下会超过0.49 /m甚至达到1g/m。表2. 5 雾的物理特性 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?为 ??81.86MIm333(?k)??(dB/km) (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?(m?1)/(m?2)；22m是复折射系数；?是波长，单位为mm；?是水滴密度，单位为g/cm4。在各种温度条件下，一般假定?=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?c给出： m2??c??1?j?2(2.19)式中：?1是介电常数的实部；?2是其虚部。根据Debye公式有?c??0??1?j?????(2.20)?式中：?0、?和??是经验常数。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 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 ?30?9.52MIm(?k)
dB/km ?70?19.04MIm(?k)
dB/km(2.21) (2.22) (2.23)?94?25.58MIm(?k)
dB/km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 2???2k2Z?3(2.24)式中：k是反射系数；?是波长(mm)；Z是反射因子。 对于辐射雾，Atlas给出的反射因子为对于流雾：Zu?8.2M2ZR?0.48M2(2.25)(2.26)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。1035GHz70GHz94GHz0°C1.0衰减(dB/km)0.10.010.0010.010.1液态水含量(g/m3)1.0图 2. 9 雾中毫米波的单程衰减 图 2. 9 雾中毫米波的单程衰减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 晴空效应大气的特性可用折射率剖面来描述，其定义为M(z)?N(z)?0.157z(2.28)式中：z是弯曲地表面之上的高度(m)；N(z)为N(z)?77.6PT?3.73?105eT2(2.29)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。包含各类专业文献、高等教育、幼儿教育、小学教育、中学教育、行业资料、生活休闲娱乐、毫米波在大气中的传播69等内容。　
　4)安全保密好 毫米波通信的这个优点来自两个方面: a)由于毫米波在大气中传播受氧、 水 气和降雨的吸收衰减很大, 点对点的直通距离很短, 超过这个距离信号就会... 　在毫米波波导通信中,因为电磁波是被束缚在波导管内的特定空间中传播的,因此,比 较安全、保密、可靠,抗干扰能力强,不易受大气衰减的影响;毫米波沿波导传播,衰耗... 　毫米波雷达 2 缺点大气中传播衰减严重,器件加工精度要求高。与光波相比,它们利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时, 由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为... 　(2) 传输特性与大气环境密切相关:毫米波在大气中的传播主要受氧分子和 水蒸气的影响,这些气体将对毫米波产生吸收和散射。图 1-1 为毫米波大气衰 减特性的实验... 　毫米波技术应用及其进展 [摘要] 介绍了毫米波技术在通信、雷达、制导、电子对抗...即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗 口,但这四个窗口的总带宽... 　通 常认为毫米波频率范围为 26.5～300GHz,带 宽高达 273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的 10 倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用 四个主要窗口,... 　3 大气湍流对带有轨道角动量的毫米波传输的影响虽然大气效应对毫米波束的影响比光波束小的多,但在实际应用中,当毫米波 波束在大气中远距离传播时,仍然会受到水汽... 　毫米波在通信中的应用更为方便。毫米波通信有好几点有点:1)通信容量 )大,适合传输高速宽带视频信息等。2)安全保密好。毫米波在大气中传播受到 ) 水汽等的吸收... 　在大气中,影响微波/毫米波传播的主要是(氧分子)和(水分子) ,由于气体的(谐振) 会对微波/毫米波产生(吸收)和(散射) 。 4.毫米波的四个大气“窗口”是(3...}