3. 无线电波传播基础

卫星链路的衰落与可用度，本质上由无线电波从地面站到卫星、再返回地面站的过程中经历了什么决定。要判断一条链路在什么频率、什么仰角、什么气象条件下可用，必须先理解几种基本传播机制各自在什么条件下占主导，以及它们如何随频率变化。本节围绕自由空间传播、大气吸收、对流层散射和电离层效应四条主线展开，并给出频率依赖关系的整体判断方法。

一、自由空间传播：链路预算的基准

自由空间传播是理想真空、无任何吸收和散射时的传播模型，也是所有链路预算的起点。它描述的是能量随距离扩散造成的功率密度下降，而不是“损耗”被介质吸收。若发射功率为 P_t，发射天线增益为 G_t，接收天线增益为 G_r，波长为 λ，距离为 d，则接收功率为：

P_r = P_t · G_t · G_r · (λ / (4πd))²
自由空间损耗 FSPL(dB) = 32.44 + 20·log10(f_MHz) + 20·log10(d_km)

以 C 波段 6 GHz、地球站到 GEO 卫星斜距约 38000 km 为例，FSPL ≈ 32.44 + 20·log10(6000) + 20·log10(38000) ≈ 32.44 + 75.56 + 91.60 ≈ 199.6 dB。若发射功率 100 W（20 dBW）、发射天线增益 50 dBi、接收天线增益 40 dBi，则接收功率约为 20 + 50 + 40 − 199.6 = −89.6 dBW，即 −59.6 dBm。这个量级说明：自由空间损耗本身已经很大，链路能否闭合取决于天线增益和噪声温度，而不是靠提高发射功率硬撑。

自由空间传播的关键特征是：损耗随频率平方增加（每倍频程 +6 dB），随距离平方增加（每倍距离 +6 dB）。因此频率越高、距离越远，基准损耗越大。但自由空间传播不产生衰落，它是确定性的，可作为其他传播机制叠加的参考面。

二、大气吸收：氧气与水的共振吸收

对流层中的氧气和水汽在特定频段有分子共振吸收峰。氧气在 60 GHz 附近有一组密集吸收线，水汽在 22.235 GHz 和 183.31 GHz 附近有强吸收峰。这些吸收使电波能量转化为分子内能，造成额外衰减。吸收损耗与频率、仰角、水汽密度和海拔有关，通常用天顶衰减 A_z 换算到斜路径：

A = A_z / sin(θ)   （θ 为仰角，平坦地球近似）
更精确时用 A = A_z · R(θ)，R(θ) 为路径斜距因子

在 Ku 波段（12～14 GHz）和 Ka 波段（20～30 GHz），氧气吸收较小，但 22 GHz 附近的水汽吸收不可忽略。以 22 GHz、天顶水汽衰减约 0.2 dB 为例，仰角 30° 时斜路径衰减约 0.2 / sin30° = 0.4 dB；仰角 10° 时约 1.15 dB。可见低仰角会显著放大吸收。工程上通常把大气吸收与降雨衰减合并考虑，但在晴空条件下，吸收是主要的附加损耗来源。

三、对流层散射与降雨：非稳定传播的主因

对流层中折射率的不均匀团块会把电波散射到接收方向，形成对流层散射传播。散射信号通常比自由空间直射信号弱很多，但在超视距链路中可作为补充机制。对卫星链路而言，更关键的是降雨、云、雾和闪烁。雨滴尺寸与波长可比时产生米氏散射和吸收，衰减随频率升高迅速增大。ITU-R P.618 给出的降雨衰减估算思路是：先由雨强 R_0.01（0.01% 时间 exceeded 的降雨率）和频率、极化、仰角算出特征衰减 γ_R，再乘有效路径长度 L_E：

A_0.01 = γ_R · L_E   (dB)
γ_R = k · R_0.01^α   (dB/km)

其中 k 和 α 是频率、极化和仰角的函数。以 Ka 波段 20 GHz、水平极化、R_0.01 = 30 mm/h 为例，k ≈ 0.0751、α ≈ 1.099，则 γ_R ≈ 0.0751 × 30^1.099 ≈ 3.2 dB/km。若有效路径长度约 5 km，则 A_0.01 ≈ 16 dB。这意味着 Ka 波段在强降雨时可能瞬时损失十几 dB，必须通过上行功率控制、自适应编码调制或站点分集来补偿。相比之下，C 波段同样雨强下 γ_R 仅约 0.1～0.3 dB/km，衰减小得多，这是 C 波段在热带多雨地区仍被广泛使用的原因。

四、电离层效应：频率越低越显著

电离层位于约 60～1000 km 高度，自由电子密度随高度和昼夜、季节、太阳活动变化。电波穿过电离层时会产生法拉第旋转、群时延、相位闪烁和电离层闪烁。法拉第旋转角与电子总含量 TEC 和频率平方成反比：

Ω ≈ 2.36 × 10^4 · TEC / f²   (弧度，TEC 单位 TECU，f 单位 Hz)

以 TEC = 50 TECU、f = 1.5 GHz 为例，旋转角可达数十弧度，必须用圆极化或双极化接收来对抗；而在 12 GHz 时旋转角缩小到约 1/64，几乎可忽略。电离层群时延同样与 1/f² 成正比，对 GPS 等导航信号在 L 波段可达数米到数十米，对 Ku/Ka 波段通信影响很小。电离层闪烁则主要出现在低纬和极区，夜间更强，可能导致信号幅度快速起伏。

五、频率依赖关系与工程判断

把上述机制放在同一张频率轴上，可以得到清晰的取舍逻辑：

• 1～2 GHz：电离层效应主导，法拉第旋转和时延明显，但雨衰很小，适合移动卫星和导航。
• 4～6 GHz（C 波段）：雨衰小、电离层影响已减弱，链路稳定，但可用带宽有限，天线口径大。
• 12～14 GHz（Ku 波段）：雨衰中等，可用带宽大，是当前固定卫星业务的主力频段。
• 20～30 GHz（Ka 波段）：带宽大、天线增益高，但雨衰严重，必须配合自适应功率控制和编码调制。
• 40 GHz 以上（Q/V 波段）：氧气和水汽吸收、雨衰都非常显著，适合短距离或高仰角馈电链路。

从图中可以直观看到：低频段电离层效应突出，高频段降雨和大气吸收迅速上升，自由空间损耗则始终随频率和距离稳定增长。实际链路设计时，应把工作频率选在“电离层影响已可忽略、雨衰仍在链路余量内”的窗口，再结合当地降雨统计和可用度目标确定余量。对于可用度要求 99.9% 以上的链路，Ka 波段通常需要 10～20 dB 的雨衰余量，而 C 波段只需 1～3 dB，这就是频率选择与可用度评估之间最直接的量化关系。