微波链路基础：频率、波长、带宽、调制方式、天线增益、馈线损耗等基本概念
微波链路预算的本质，是对发射端到接收端之间所有“增益”与“损耗”进行代数求和。在动手计算链路预算之前，必须首先建立对微波链路各基础参数的物理直觉。频率与波长决定了电磁波在空间中的传播特性；带宽与调制方式决定了信号占用的频谱资源与承载效率；天线增益与馈线损耗则直接决定了信号在自由空间传播路径上的能量汇聚与衰减。本章将围绕这六个核心概念展开，建立后续链路预算计算与频谱仪实测对齐的公共语言基础。
2.1 频率与波长：微波链路的物理坐标
核心原理：微波频段通常指 300 MHz 至 300 GHz 之间的电磁波频谱，其中微波通信最常用的频段集中在 1 GHz 至 42 GHz。频率 f 与波长 λ 的关系由电磁波在真空中的传播速度 c 决定：λ = c / f，其中 c ≈ 3×10⁸ m/s。这一关系式是微波链路一切计算的起点。例如，6 GHz 信号的波长为 5 cm，而 38 GHz 信号的波长仅为 7.9 mm。波长直接决定了天线尺寸、波导口径、绕射能力以及雨衰敏感性。
判断方法：在实际工程中，频率选择通常由业务需求、频谱许可、设备可用性和传播特性共同决定。判断一个频段是否适合特定链路时，需要关注以下三点：
- 视距传播特性：微波频段基本为视距传播，频率越高，菲涅尔区半径越小，对障碍物的绕射能力越弱，链路余量要求越高。
- 雨衰影响：频率高于 10 GHz 时，降雨衰减显著增加。例如 18 GHz 链路在暴雨条件下每公里衰减可达 10 dB 以上，而 6 GHz 链路雨衰几乎可忽略。
- 天线尺寸约束：相同增益下，频率越高天线口径越小。0.6 m 抛物面天线在 6 GHz 时增益约 28 dBi，在 38 GHz 时增益可达 40 dBi。
2.2 带宽与调制方式：频谱效率与传输容量的权衡
核心原理：带宽（Bandwidth）指信号占用的频谱宽度，通常以 MHz 为单位。微波通信中常见信道带宽为 3.5 MHz、7 MHz、14 MHz、28 MHz、56 MHz 等。调制方式决定了每个符号携带的比特数：QPSK 每符号 2 bit，16QAM 每符号 4 bit，64QAM 每符号 6 bit，256QAM 每符号 8 bit。符号速率与带宽的关系近似为：符号速率 ≈ 带宽 / (1 + 滚降系数)，典型滚降系数为 0.2 至 0.25。
判断方法：选择调制方式时，需要根据接收信号的信噪比（SNR）或载干噪比（C/N）来确定。每种调制方式都有其理论解调门限，例如：
| 调制方式 | 频谱效率 (bit/s/Hz) | 理论解调门限 C/N (dB) | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| QPSK | 2 | 约 10.5 | 远距离、恶劣天气 |
| 16QAM | 4 | 约 17.5 | 中距离、一般天气 |
| 64QAM | 6 | 约 23.5 | 短距离、良好天气 |
| 256QAM | 8 | 约 29.5 | 极短距离、高信噪比 |
案例拆解：假设一条 7 MHz 带宽的微波链路，滚降系数为 0.25，则符号速率为 7 / 1.25 = 5.6 MSps。若采用 64QAM，则比特速率 = 5.6 × 6 = 33.6 Mbps。若改用 256QAM，比特速率提升至 44.8 Mbps，但解调门限提高 6 dB，意味着需要更高的接收电平或更短的链路距离。在实际工程中，自适应调制（ACM）会根据实时信道质量动态调整调制阶数，以在容量与可靠性之间取得平衡。
2.3 天线增益与馈线损耗：链路预算中的关键加减项
核心原理：天线增益 G 描述天线将输入功率集中辐射的能力，单位为 dBi（相对于各向同性辐射体）。抛物面天线的增益近似公式为：G = 10·log₁₀(η·(π·D/λ)²)，其中 η 为天线效率（通常 0.55~0.65），D 为天线口径直径。馈线损耗 L_f 包括同轴电缆、波导、连接器和避雷器等无源器件的插入损耗，单位同样为 dB。
操作流程：在链路预算中，天线增益和馈线损耗的处理遵循以下步骤：
- 确定天线口径和频率，计算或查表获得天线增益 G_t 和 G_r。
- 统计发射端馈线总损耗 L_ft（含电缆、接头、避雷器），接收端馈线总损耗 L_fr。
- 将天线增益作为正项、馈线损耗作为负项计入链路预算方程。
- 注意天线增益的参考点：若天线增益为 dBi，则馈线损耗应包含天线端口到设备端口之间的所有无源损耗。
案例拆解：某 11 GHz 微波链路，发射端天线口径 0.6 m，效率 0.6，计算增益：G = 10·log₁₀(0.6 × (π × 0.6 / 0.0273)²) ≈ 33.5 dBi。发射端馈线含 2 m 波纹电缆（损耗 0.2 dB/m）、2 个接头（各 0.1 dB）、1 个避雷器（0.15 dB），总损耗 L_ft = 0.4 + 0.2 + 0.15 = 0.75 dB。接收端配置相同，L_fr = 0.75 dB。若发射功率为 20 dBm，则天线口面辐射功率 EIRP = 20 − 0.75 + 33.5 = 52.75 dBm。这个 EIRP 值将直接用于自由空间损耗计算。
2.4 自由空间路径损耗：链路预算的核心衰减项
核心原理：自由空间路径损耗 L_fs 描述电磁波在无遮挡空间中传播时的能量扩散衰减，计算公式为：L_fs = 32.45 + 20·log₁₀(f_MHz) + 20·log₁₀(d_km)（单位 dB）。该公式表明，频率每翻倍，路径损耗增加 6 dB；距离每翻倍，路径损耗同样增加 6 dB。这是微波链路中最基本、最不可消除的损耗项。
判断方法：在实际链路中，自由空间损耗并非唯一传播损耗。还需考虑大气吸收损耗（氧气和水汽）、雨衰、多径衰落、绕射损耗等。但在链路预算的初步估算阶段，通常先计算自由空间损耗，再叠加附加损耗余量。例如，一条 15 km、18 GHz 的链路，自由空间损耗为：L_fs = 32.45 + 20·log₁₀(18000) + 20·log₁₀(15) = 32.45 + 85.1 + 23.5 = 141.05 dB。
案例拆解：继续上述 11 GHz 链路，距离 10 km，计算自由空间损耗：L_fs = 32.45 + 20·log₁₀(11000) + 20·log₁₀(10) = 32.45 + 80.8 + 20 = 133.25 dB。接收信号电平 RSL = EIRP + G_r − L_fr − L_fs = 52.75 + 33.5 − 0.75 − 133.25 = −47.75 dBm。若接收机灵敏度为 −70 dBm（对应 64QAM 解调门限），则链路余量为 22.25 dB。该余量可用于吸收雨衰、多径衰落和设备老化带来的性能劣化。
2.5 链路预算综合：从基础参数到系统闭合
核心原理：完整的微波链路预算将上述所有参数整合为一个代数方程：P_rx = P_tx + G_t + G_r − L_ft − L_fr − L_fs − L_misc，其中 L_misc 代表其他附加损耗（如极化失配、天线失准、多径衰落等）。计算得到的 P_rx 必须高于接收机灵敏度（即解调门限加上所需信噪比），且留有一定余量。
操作流程：进行链路预算计算的标准化步骤如下：
- 明确链路参数：频率、距离、发射功率、天线口径、馈线类型与长度。
- 计算波长 λ = c / f，并据此计算天线增益。
- 统计所有馈线及无源器件损耗。
- 计算自由空间路径损耗。
- 根据频段和当地气候，估算雨衰和附加损耗。
- 计算接收电平 P_rx，与接收机灵敏度对比，得出链路余量。
- 若余量不足，调整天线口径、发射功率或改用更低阶调制方式。
案例拆解：设计一条 5 km、23 GHz 的链路，要求可用性 99.99%。发射功率 18 dBm，天线口径 0.3 m（效率 0.6），馈线损耗发射端 1.2 dB、接收端 1.2 dB。计算天线增益：G = 10·log₁₀(0.6 × (π × 0.3 / 0.013)²) ≈ 36.2 dBi。自由空间损耗：L_fs = 32.45 + 20·log₁₀(23000) + 20·log₁₀(5) = 32.45 + 87.2 + 14.0 = 133.65 dB。雨衰估算（23 GHz，99.99% 可用性）：约 8 dB。接收电平 P_rx = 18 − 1.2 + 36.2 + 36.2 − 1.2 − 133.65 − 8 = −53.65 dBm。若采用 256QAM，解调门限约 −60 dBm，则余量仅 6.35 dB，偏紧。若改用 64QAM（门限 −66 dBm），余量提升至 12.35 dB，可靠性显著改善。
2.6 基础参数与实测对齐的衔接要点
核心原理：频谱仪实测微波信号时，测量结果直接反映的是接收端的射频功率电平。该电平应与链路预算中的 P_rx 一致。但实测中常出现偏差，原因包括：频谱仪校准误差、馈线接头损耗未计入、天线增益实际值低于理论值、以及多径衰落导致的信号波动。
判断方法：进行实测对齐时，建议按以下流程操作：
- 使用频谱仪测量接收端天线口面的信号电平，记录峰值电平与平均电平。
- 对比链路预算中的 P_rx 计算值，计算偏差 Δ = P_实测 − P_预算。
- 若 Δ 在 ±2 dB 以内，认为链路预算模型准确；若偏差较大，逐项排查。
- 检查频谱仪 RBW 设置：RBW 应大于信号带宽的 1/3，否则会低估信号功率。
- 确认频谱仪输入衰减设置正确，避免压缩或过载。