赵玉刚

摘 要：由于对流层散射通信存在诸多优点，无论在军事或民用方面都得到了较为广泛的应用，但是对流层散射通信信道是随参信道，信号传输损耗较大，存在多径效应，且快衰落和慢衰落现象较为明显，严重影响了信号传输。本文从对流层散射传播损耗、对流层散射传播衰落以及对流层散射传播的多径效应等方面对对流层散射信道特性进行了分析，对研究超短波、微波远距离通信传输具有重要的意义。

关键词：对流层散射；信道特性；损耗；衰落；多径效应

与其他通信方式相比，对流层散射通信，其通信距离远、保密性能好、抗毁能力强、不受太阳黑子、电离层扰动，尤其不受核爆炸的影响，且能实现全天候可靠通信，无论在军事或民用方面都得到了较为广泛的应用。但是，对流层散射通信信道传输损耗较大，存在多径效应，其快衰落和慢衰落现象较为明显，严重影响了信号的传输。下面从对流层散射传播损耗、对流层散射传播衰落以及对流层散射传播多径效应等方面对对流层散射信道特性进行分析。

1 对流层散射传播损耗

对流层散射通信信号传输距离较远，信号在传输过程中损耗较大，所以到达接收机的信号比较微弱，为了能够正常完成通信，一般采用较大功率的发射机和方向性较强的天线。从散射通信信号的传输路径上来看，其传播损耗主要包括散射损耗、自由空间的损耗、大气吸收损耗、天线高度损耗、信号传输耦合损耗以及天线方向偏移损耗等[1]。

1.1 散射传播损耗与距离的关系

影响散射传播损耗的因素较多，主要包括通信距离、频率、气候、季节等，其中，通信距离的变化对散射传播损耗的影响最为明显。通过大量实验研究数据发现，当通信距离在100～400KM范围内时，每增加1KM传输损耗增加0.5分贝。当距离超过500KM后，散射传播损耗随着距离增加而增大的速率会降低，并且，距离越长，损耗增加的速率越慢。

1.2 散射传播损耗与频率的关系

对流层散射通信，是利用对流层大气中的散射体对信号的散射作用而实现通信的。从其传输路径上来看，散射传播机理为前向散射。接收端一般都位于散射方向图的半功率角之外。频率越高，散射体方向图越窄，能到达接收端的能量就越小，其散射损耗就越大。所以，通常当信号频率增加时，散射传播损耗会增大。 观测统计数据显示，频率的变化对传输损耗的影响并不显著，在某些情况下，甚至与频率无关。例如，当信号频率从1000MHz增加到4000MHz时，散射损耗仅增加约5分贝。

1.3 散射传播损耗与时间的关系

散射传播损耗与季节变化有关。随着季节的不同，一年内散射传播损耗变化幅度约为15～20分贝。另外，北半球冬季的传播损耗要大于夏季。对流层散射传播损耗还存在着日变化，这种变化同样会随着季节不同而变，一般来说夏季比冬季变化要大。但总体来说，这种影响要比对短波的影响小，所以对流层散射通信不需要在昼夜更替时改变工作频率，只要在线路设计时做出一定的衰落预留即可。

1.4 大气吸收损耗

实际的对流层大气不是理想的传输介质，当电磁波在对流层大气中传播时，随着频率的增大，大气的吸收损耗会增加。对流层散射传播的工作频段一般在超短波和微波波段，大气损耗会比较明显。引起大气吸收损耗的原因主要有两个，一是谐振吸收，二是微粒散射[2]。

1.5 信号传输时的耦合损耗

发射天线辐射的电磁信号，其各个分量会通过不同的路径到达接收端，使得到达接收天线的信号由于相位的不同而不再是平面波，天线的利用系数会降低。同时，对流层散射通信通常使用大口径、强方向性的天线，天线波束较窄，这使得散射体的体积较小，接收点的场强减小。此外，对流层散射传播时，由于对流层大气的不理想，电波不会仅从最佳接收方向到达接收端。综合上面的各种因素，信号传输的实际增益会降低，且理论增益越大下降越多。

2 对流层散射传播衰落

对流层散射信道存在衰落现象，这种衰落包括快衰落和慢衰落。由于对流层大气变化的随机性，所以这种衰落现象也具有随机性。接收点电平或功率短时间内出现快速变化起伏，称为快衰落，接收点电平或功率以昼夜、月、年为周期出现长期变化，称为慢衰落。这里主要对慢衰落进行分析。

慢衰落主要表现在短期信号电平中值随着时、日、月或年产生缓慢变化。一天当中，信号电平一般在午夜和早晨最强，在12～18时最弱，并且其变化幅度与距离有关，距离较远时，变化幅度较小。一月当中，电平变化幅度可达26dB，相邻两天的信号电平变化一般在3～4dB，最高可达21dB。

慢衰落现象的产生主要是由于气象条件的变化造成的。气象条件的变化会造成湍流起伏强度以及大气分层状况等的变化，从而造成对流层大气折射率和梯度出现相应的变化。对流层大气的折射率和梯度与温度、湿度和大气压力有关，当大气温度上部升高或下部降低，大气湿度上部降低或下部升高时，对信号电平有利。在北半球，夏季地面较为潮湿，冬季地面干燥，而在高空中，大气湿度随着季节的不同变化较小，所以，信号电平冬季较强，夏季较弱。一天当中，在白天，地面由于太阳的照射先于大气受热，对流层大气温度下高上低的程度较明显，晚上情况正好相反。所以，信号电平一般晚上要比白天强。此外，慢衰落还与气候、大气运动以及地形等有较為密切的关系。气候地带（如热带、亚热带等）不同、地理环境（如海上、山地等）不同，对电平的影响也不同。

从统计学上来说，对流层散射传播时的慢衰落信号电平满足对数正态分布，即信号电平的对数满足正态分布[3]。

3 对流层散射传播的多径效应

对流层散射信道存在多径效应，主要体现在：多径传播时延引起信号扩展、多普勒频移引起的随机频率调制以及信号强度短时间或短距离的急剧变化等方面[4]。这种多径效应会造成信号的快衰落。快衰落是指信号电平或功率在较短时间内出现快速随机起伏，在这种情况下，慢衰落可忽略不计。其原因主要是由于信号的传输路径的不同造成的，也就是说，同一传输信号会通过不同路径到达接收端，接收信号由于相位的不同相互干涉形成多径波，最终被接收天线所接收。信号电平快衰落变化的强度取决于多径波的强度、传播时间以及传播信号带宽等。

4 结束语

对流层散射通信信道是随参信道，信号传输损耗较大，存在多径效应，且快衰落和慢衰落现象较为明显，严重影响了信号传输。但是，由于对流层散射通信存在的诸多优点，无论在军事或民用方面仍然得到了较为广泛的应用。本文从对流层散射传播损耗、对流层散射传播衰落以及对流层散射传播的多径效应等方面对对流层散射信道特性进行了分析，对研究超短波、微波远距离通信传输具有重要的意义。

参考文献

[1]李立军.对流层散射链路传输损耗的工程计算[J].计算机与网络，2007（3）：92-93.

[2]薛晓清.对流层与电离层中电波传播的相关问题研究[D].西安电子科技大学，2009.

[3]李可立.基于DSP的对流层散射信道仿真[J].现代电子技术，1998（1）：1-4.

[4]顾海龙，陈树新.对流层散射通信信道建模及系统性能仿真[J].通信技术，2008，41（9）：26-28.