无线电波地面电路大气吸收损耗模型

很多博客里提到的大气吸收损耗模型的计算公式都有错误，算出来都不对。本人查阅多方资料，做仿真验证，得到正确结果。在此整理如下。

晴空大气的一个重要传播效应是，大气中的水汽和氧气会吸收无线电波的能力，引起无线电波场强和能量的衰减。在更高的频率，还有二氧化碳等其他气体也会对电磁波的能量产生吸收。大气吸收现象主要发生在10GHz以上的频段。

理论

量子力学认为，电磁波是光粒子组成的，光子具有固定的能量。大气中气体的分子会吸收光子的能量，实现分子内能级的跃迁，由此导致电波能量受到衰减。

氧气的主要吸收谱线位于60GHz、118.75GHz和368.5GHz。水汽的吸收谱线位于22.235GHz、183.310GHz和325.153GHz。在气体分子吸收谱线的频率上，无线电波的能量会被强烈的衰减，这对地面通信和地空通信是非常不利的。不过卫星通信不受影响，因为高空没什么气体。

要计算传播路径上大气吸收造成的总损耗，需要计算无线电波在大气中每传输1km时衰减的分贝数（即衰减率），然后再结合总的传播距离，就可以计算出总传播损耗。

模型

在工程实践上，可用采用ITU-Rec.P.676大气气体衰减模型，该模型也被国家标准GB/T14617.3-93“陆地移动业务和固定业务传播特性”所采用。本文只记录“地面电路”模型，“地空电路”更复杂，也没什么人用，暂不做记录。

在地面电路上，氧气和水汽对电波的吸收损耗可以表示为：
$$L_a=[{\gamma }_o+{\gamma }_w(\rho )]d$$
其中：
$L_a$----------大气吸收损耗，单位为dB
${\gamma }_o$----------氧气吸收率，单位为dB/km
${\gamma }_w$----------水汽吸收率，单位为dB/km
$d$----------信号传播路径长度，单位为km

$${\gamma }_o=\begin{array}{r}[7.19\times 10^{-3}+\frac{609}{f^2+0.227}+\frac{4.81}{(f-57{)}^2+1.50}]f^2\times 10^{-3},f<57GHz\\ [3.79\times 10^{-7}+\frac{0.265}{(f-633{)}^2+1.59}+\frac{0.028}{(f-118{)}^2+1.47}](f+198{)}^2\times 10^{-3},63GHz<f<350GHz\end{array}$$

(大括号不会打，一直打不出来，将就看吧

$${\gamma }_w(\rho )=[0.050+0.0021\rho +\frac{3.6}{(f-22.2{)}^2+8.5}+\frac{10.6}{(f-183.3{)}^2+9.0}\frac{8.9}{(f-325.4{)}^2+26.3}]\times f\times \rho \times 10^{-4}$$
其中：
$f$----------电磁波频率，单位为GHz
$\rho$----------水汽密度，单位为$g/m^3$

这是由严格复杂的理论推演与大量的实验测试数据相结合而得到的结果，是半理论和半经验的公式，它有较高的预测精度。

仿真验证

水汽密度$\rho$的取值为：$\rho =22.7g/m^3$。这是298k开尔文温度下，即24.85摄氏度下的取值。

固定传播距离为1km，观察不同频率下的大气吸收损耗

从图中可以很明显看出特定吸收谱线。不过公式没给57~63GHz的氧气吸收损耗，这部分频段结果不供参考。

地空电路

地空电路的大气吸收损耗计算要比地面电路复杂一点，需要引入“等效高度”、“通过仰角计算实际路径长度”、“温度修正”等进一步的概念。此处不做讨论。