📚 课程目录第2章毫米波传播与信道特性对测试的影响

2. 毫米波传播与信道特性对测试的影响

毫米波频段通常指 24 GHz 以上、直至 100 GHz 左右的电磁波，R&S 测试系统常覆盖 28 GHz、39 GHz、60 GHz、77 GHz 等典型频点。与 6 GHz 以下的低频通信相比，毫米波测试中“信道”不再是可忽略的透明通道：路径损耗、大气吸收、遮挡与多径会直接改变接收功率、EVM、误码率和波束方向，进而决定测试条件如何设计。理解这些传播机制，是正确设置链路预算、选择测试距离、判断视距（LOS）与非视距（NLOS）场景是否可用的前提。

一、路径损耗：自由空间只是起点

自由空间路径损耗（FSPL）是毫米波链路预算的基准。其表达式为：

FSPL(dB) = 20·log10(d) + 20·log10(f) + 32.44
其中 d 单位 km，f 单位 MHz；若 d 用 m、f 用 GHz，则常数改为 -27.55：
FSPL(dB) = 20·log10(d_m) + 20·log10(f_GHz) - 27.55

以 28 GHz、10 m 距离为例：20·log10(10)=20 dB，20·log10(28)≈28.9 dB，减去 27.55 后 FSPL≈21.4 dB。若换成 77 GHz、同样 10 m，则 20·log10(77)≈37.7 dB，FSPL≈30.2 dB。可见仅频率从 28 GHz 升到 77 GHz，同样距离就多出约 8.8 dB 损耗。这意味着在毫米波测试中，测试距离和频点必须与链路预算一起核算，不能沿用低频“几米随便测”的经验。

实际测试中还要叠加天线增益、馈线损耗和大气吸收。链路预算可写成：

P_rx = P_tx + G_tx + G_rx - L_feed - FSPL - L_atm - L_block
判断依据：P_rx 需高于接收机灵敏度并留 10~15 dB 余量

例如 P_tx=10 dBm、G_tx=G_rx=20 dBi、L_feed=2 dB、FSPL=21.4 dB、L_atm=0.5 dB、L_block=0 dB，则 P_rx≈46.1 dBm？显然不对——这里必须注意单位：10+20+20-2-21.4-0.5=26.1 dBm。若接收灵敏度为 -70 dBm，则余量约 96 dB，说明短距 LOS 测试非常宽松；但若距离拉到 100 m，FSPL 增加 20 dB，余量仍充足，真正限制往往来自遮挡和多径而非纯损耗。

二、大气吸收与 O₂/H₂O 吸收峰

毫米波在大气中传播时，氧气和水汽会产生谐振吸收。60 GHz 附近存在强烈的 O₂ 吸收峰，典型峰值可达 15 dB/km 量级；183 GHz 附近为 H₂O 吸收峰。28 GHz、39 GHz 处于相对“窗口”，吸收较小，通常低于 0.2 dB/km；77 GHz 靠近 O₂ 吸收峰的肩部，吸收约 0.3~0.5 dB/km。测试中若链路只有几米到几十米，大气吸收往往可忽略；但做室外远距或雨衰测试时，必须把它计入。

教学示例：在 60 GHz、100 m 室外链路中，若按 15 dB/km 估算，O₂ 吸收约 1.5 dB；若同时考虑 25 mm/h 降雨，雨衰可能再增加数 dB。因此 60 GHz 更适合短距高速室内测试，而不是长距室外覆盖测试。

三、遮挡与多径：NLOS 测试的核心变量

毫米波绕射能力弱，人体、墙体、金属板、植被都会造成严重遮挡。一次遮挡可能带来 20~40 dB 的额外损耗，且随材料、厚度、入射角变化。多径则表现为时延扩展和频率选择性衰落：在 NLOS 场景中，反射路径可能比直射路径多走数米，对应几十纳秒时延，宽带信号会出现明显频率凹陷，EVM 恶化。

因此测试条件设计必须区分 LOS 与 NLOS。LOS 测试用于验证峰值吞吐、波束对准和 EVM 下限；NLOS 测试用于验证波束切换、分集和鲁棒性。两者不能互相替代。

四、视距与非视距测试条件设计

设计 LOS 测试时，应保证第一菲涅尔区无遮挡。第一菲涅尔半径近似为 r₁=17.32·√(d/(4f))，其中 d 单位 m、f 单位 GHz，结果单位 m。例如 28 GHz、10 m 时 r₁≈17.32·√(10/112)≈5.2 m？这里需注意公式常数：更常用 r₁=17.32·√(d/(4f)) 中 d 为 km、f 为 GHz，结果 m。若 d=0.01 km、f=28 GHz，则 r₁≈17.32·√(0.01/112)≈0.16 m。因此 10 m 链路只需保证中心线上下约 0.16 m 净空，实际测试中把天线架高 1.5 m 以上即可满足。

NLOS 测试则要主动引入可控遮挡物，例如金属板、混凝土墙或人体模型，并记录遮挡物材质、厚度、位置和入射角。建议至少设置三档：无遮挡、部分遮挡、完全遮挡，分别观察 RSRP、EVM 和吞吐变化。若 EVM 从 3% 恶化到 8% 以上，或吞吐下降超过 30%，说明当前波束或调制方式已接近极限，需要调整波束方向或降阶。

测试条件	典型距离	关键损耗项	观察指标	判断依据
LOS 短距	1~10 m	FSPL 为主	EVM、峰值吞吐	EVM 接近理论下限
LOS 中距	10~100 m	FSPL + 大气吸收	RSRP、EVM	余量 ≥10 dB
NLOS 反射	5~50 m	多径、反射损耗	时延扩展、吞吐	吞吐下降 ≤30%
NLOS 遮挡	1~20 m	遮挡损耗 20~40 dB	RSRP、波束切换	能切换到可用波束

注意：毫米波测试中不要用低频经验直接外推。频率每升高一倍，同样距离 FSPL 增加约 6 dB；60 GHz 附近还有 O₂ 吸收峰。测试前先做链路预算，再决定距离、天线增益和是否加衰减器，避免接收机饱和或欠量程。

综合来看，毫米波传播特性对测试的影响可归纳为三条主线：路径损耗决定链路预算和测试距离；大气吸收决定频点与场景匹配；遮挡与多径决定 LOS/NLOS 条件设计和结果判读。把这三条主线落实到测试计划中，才能让后续的 EVM、吞吐和波束测试结果具有可比性和可复现性。