📚 课程目录第2章微波传播基础

二、微波传播基础：电磁波频谱划分、微波频段特性、自由空间传播模型、大气窗口与衰减机制

微波链路预算的起点，不是计算公式，而是对“微波信号在空间中如何传播”这一物理过程的深刻理解。本章将系统梳理电磁波频谱中微波频段的定位、各频段的工程特性差异、自由空间传播模型的理论根基，以及大气环境对微波信号的实际影响。只有将这些基础概念内化，后续的链路预算计算、设备选型和网络规划才有坚实的物理依据。

2.1 电磁波频谱划分与微波频段定位

核心原理：电磁波频谱从低频到高频覆盖了从无线电波到伽马射线的广阔范围。在通信工程中，通常将 3 kHz 至 300 GHz 的频段称为无线电频段，其中 300 MHz 至 300 GHz 被定义为微波频段。微波频段又可细分为特高频（UHF，300 MHz~3 GHz）、超高频（SHF，3~30 GHz）和极高频（EHF，30~300 GHz）。在微波通信工程实践中，常用字母代号来指代具体频段，例如 L 频段（1~2 GHz）、S 频段（2~4 GHz）、C 频段（4~8 GHz）、X 频段（8~12 GHz）、Ku 频段（12~18 GHz）、K 频段（18~27 GHz）以及 Ka 频段（27~40 GHz）。

理解频谱划分的意义在于：不同频段的物理特性决定了其适用场景。低频段（如 L/S 频段）绕射能力强、雨衰小，但可用带宽有限，且天线尺寸较大；高频段（如 Ka 频段）带宽资源丰富、天线尺寸小，但受大气衰减和降雨影响显著。工程中需要根据传输距离、容量需求和可用度目标综合选择频段。

频段代号	频率范围	典型带宽	主要衰减因素	典型应用
L	1~2 GHz	~1 GHz	雨衰极小	移动通信、遥测
S	2~4 GHz	~2 GHz	雨衰小	雷达、卫星通信
C	4~8 GHz	~4 GHz	雨衰中等	中继通信、卫星
X	8~12 GHz	~4 GHz	雨衰中等偏大	军用、雷达
Ku	12~18 GHz	~6 GHz	雨衰较大	VSAT、微波中继
Ka	27~40 GHz	~13 GHz	雨衰严重	5G回传、高通量卫星

经验提醒：在 6 GHz 以下频段，雨衰通常可以忽略；但在 10 GHz 以上，雨衰必须作为链路预算的关键输入。选择频段时，不要只看带宽，还要结合当地降雨区分布和可用度要求。

2.2 自由空间传播模型

核心原理：自由空间传播模型描述的是在理想均匀、无遮挡、无吸收介质中，电磁波能量随距离扩散而衰减的规律。其数学基础是 Friis 传输公式：

Pr = Pt × Gt × Gr × (λ / 4πd)²

其中 Pr 为接收功率，Pt 为发射功率，Gt 和 Gr 分别为发射和接收天线增益，λ 为波长，d 为传播距离。工程上更常用的是路径损耗形式：

L_fs = 92.4 + 20lg(f) + 20lg(d)

式中 L_fs 为自由空间路径损耗（dB），f 为频率（GHz），d 为距离（km）。该公式表明：距离每增加一倍，损耗增加 6 dB；频率每增加一倍，损耗同样增加 6 dB。这意味着在相同距离下，20 GHz 的路径损耗比 10 GHz 高 6 dB。

判断方法：在实际工程中，自由空间模型是链路预算的基准。当链路存在菲涅尔区遮挡时，实际损耗会大于自由空间损耗。工程上通常要求第一菲涅尔区净空 60% 以上，否则需引入绕射损耗修正。菲涅尔区半径计算公式为：

r = 8.657 × sqrt(d1 × d2 / (f × d))

其中 r 为菲涅尔区半径（m），d1 和 d2 为收发端到障碍物的距离（km），d 为总距离（km），f 为频率（GHz）。

  案例拆解：某城市微波中继链路，频率 11 GHz，站距 15 km，发射功率 27 dBm，收发天线增益均为 38 dBi，馈线及接头损耗合计 2 dB。计算自由空间路径损耗：L_fs = 92.4 + 20lg(11) + 20lg(15) = 92.4 + 20.8 + 23.5 = 136.7 dB。接收功率 Pr = 27 + 38 + 38 - 2 - 136.7 = -35.7 dBm。若接收机灵敏度为 -72 dBm，则平坦衰落余量为 36.3 dB，满足一般可用度要求。但若该地区位于强降雨区，需进一步核算雨衰余量。

2.3 大气窗口与衰减机制

核心原理：大气中的氧气和水蒸气分子会对特定频率的电磁波产生共振吸收，形成衰减峰值。同时，在部分频率区间衰减相对较小，形成所谓的“大气窗口”。氧气在 60 GHz 和 118 GHz 附近有强吸收峰，水蒸气在 22 GHz 和 183 GHz 附近有吸收峰。因此，22 GHz、35 GHz、90 GHz 附近成为大气窗口，适合星地通信和微波中继。

除气体吸收外，降雨衰减是高频段微波链路的主要威胁。雨衰与降雨强度、频率和路径长度密切相关。工程中常用 ITU-R P.838 建议书中的模型计算：

γ_R = k × R^α

其中 γ_R 为单位长度雨衰（dB/km），R 为降雨强度（mm/h），k 和 α 为与频率和极化方式相关的系数。例如在 18 GHz 水平极化下，k≈0.045，α≈1.09；而在 38 GHz 下，k≈0.31，α≈0.89。

操作流程：进行雨衰计算时，首先确定链路所在地区的降雨区（ITU-R P.837 定义 A~Q 共 14 个降雨区），然后根据可用度目标（如 99.99%）查表得到该地区的年平均降雨强度，再结合有效路径长度（通常小于实际路径长度，因为降雨在空间上不均匀）计算总雨衰。

频率 (GHz)	氧气衰减 (dB/km)	水蒸气衰减 (dB/km)	雨衰 (dB/km, 50mm/h)
6	0.005	0.001	0.1
11	0.008	0.003	0.5
18	0.02	0.01	2.5
23	0.03	0.15	5.0
38	0.05	0.03	12.0

风险提示：在 23 GHz 附近，水蒸气吸收峰显著，若链路距离超过 5 km，即使晴天也会产生明显衰减。在 60 GHz 附近，氧气吸收极强，通常只用于短距离（<1 km）通信。设计链路时，应避开这些吸收峰，除非有意利用其短距离隔离特性。

2.4 常见误区与工程复盘

常见误区一：将自由空间损耗直接等同于实际链路损耗。实际工程中，大气衰减、雨衰、多径衰落、绕射损耗等都会叠加在自由空间损耗之上。忽略这些因素会导致链路预算过于乐观，实际可用度不达标。

常见误区二：认为频率越高越好。虽然高频段带宽大，但雨衰和大气吸收也急剧增加。例如在 38 GHz 下，一场暴雨（100 mm/h）的雨衰可达 30 dB/km，这意味着 3 km 的链路就会有 90 dB 的雨衰，完全中断通信。

常见误区三：忽视大气折射的影响。大气折射率随高度变化会导致电波弯曲，影响余隙。在标准大气条件下，K 因子约为 4/3；但在极端天气下，K 因子可能降至 2/3 甚至更低，导致余隙不足，产生绕射损耗。

  实战复盘：某沿海城市部署了一条 15 km 的 18 GHz 微波链路，设计可用度为 99.99%。初始设计仅考虑自由空间损耗和 3 dB 雨衰余量，结果在雨季频繁出现误码率超标。经排查，该地区属于 N 降雨区，99.99% 可用度对应的降雨强度为 42 mm/h，有效路径长度 12 km，计算雨衰为 2.5 dB/km × 12 km = 30 dB。加上大气衰减 0.02 dB/km × 15 km = 0.3 dB，总附加衰减约 30.3 dB。修正后链路预算将雨衰余量提升至 35 dB，并选用更高增益天线，问题解决。复盘结论：雨衰计算必须基于当地降雨区数据，不能凭经验估算。

总结复盘：微波传播基础是链路预算的物理根基。频谱划分决定了可用带宽和衰减特性；自由空间模型提供了理想基准；大气窗口和衰减机制则揭示了实际环境中的额外损耗。工程实践中，必须将频率选择、距离、降雨区、可用度目标综合纳入链路预算，才能设计出既经济又可靠的微波链路。建议在项目初期就完成传播环境评估，避免后期频繁调整。