电磁波的空间损耗
大家好，这里是【射频学堂】。在《电磁波是如何传输的？》我们介绍了空间电磁波传播的三种基本方式：地波传播，天波传播和视距传播。随着电磁波频率的升高，视距传播是目前最主要的传播方式。视距传播是不是只要看得到，就能够接收到信号？电磁波在空间传播的衰减大吗？电磁波的传播需要考虑哪些因素？电磁波的神奇之处，就是它的传播不需要通过介质。只要电场和磁场两者能够交替开，就可以大踏步向前，以光的速度传播。如下图所示。这种不依靠载体就能够传播的能量，在自由空间中可以无损耗的传输下去。既然能无损耗，是不是就可以一直传？我想，答案应该是的，但是无损耗，并不意味着强度能够保持不变。电磁波的传播是一种发散的，随着距离的增大，电磁波不断扩散，其强度也会逐渐衰弱。所以，对于电磁波的传播，最怕的就是距离。所以即便如太阳光般的高能量电磁波，达到地球表面，也可以按照距离的远近，划分出冷热不同的春夏秋冬。No.1 自由空间传输损耗首先，我们假设有两个天线，发射天线的发射功率为Pt，天线增益为Gt，接收天线的增益为Gr，距离发射天线的距离为R，这个R足够远，在两个天线的远场区。那么接收天线接收到的功率Pr是多少呢？我们假设发射天线是全向无损的，距离R的接收天线处的功率密度为：考虑到发射天线的增益为Gt，那么接收天线处的功率密度为：假设接收天线有效面积为Ae，那么接收天线接收到的功率就是而天线的有效面积是与天线的工作波长和增益相关的物理量：这样，接收天线接收到的功率就可以算出来啦这就是著名的弗里斯传输公式 Friis transmission equation，这个公式就是贝尔实验室的Harald T. Friss在1945年首次推导出来的，并且在1946年的文章”Note on a Simple Transmission Formula“中详细做了阐述。这个公式也被称为电磁波自由空间损耗方程。若将接收机的输入功率Pr和发射机输出功率Pt的比值定义为传播损耗的话，这个传播损耗可以由上面公式直接导出换算为dB形式就是如果不考虑发射天线和接收天线的增益，电磁波自由空间衰减公式就可以进一步简化为这也就是著名的弗里斯传输公式。如果光速C和距离R以kM为单位，f以MHz为单位的话，上式就可以转换为我们比较熟悉的。注意，上式就是著名的自由空间损耗公式。举个栗子假设一个5G基站的发射功率为100W，天线增益为20dB，工作频率为3.5GHz，在距离2kM的地方手机接收到的功率是多少W？空间传输衰减Lfr 为：一般手机天线为全向天线，通常内置天线增益为0dB-1dB，假设为0dB，那么手机接收到的功率为：大约为0.0000011瓦，等于11微瓦。无线通信中常说“功率增加6dB，传输距离增加一倍”，这里的6dB时怎么来的呢。大家可以根据自由空间损耗公式算一下看，主要考虑中间项20log（R_KM）就可以了, 是不是距离增加一倍，衰减刚好增加6dB？No.2 大气衰减但是，地球表面不同于自由空间，除了距离导致的强度衰减之外，还有大气的影响。大气以及降水都会吸收和散射电磁波，尤其是频率在1GHz以上的电磁波。在一些特定的频率范围，由于分子谐振现象而使衰减出现峰值，在《ITU-R P.676-11》给出了大气气体引起的衰减率曲线，如下图所示。大约在23GHz处，出现由于水蒸气吸收产生的第一个谐振点，在62GHz处出现干空气（主要是氧气）吸收产生的第二个谐振点，在120GHz处出现干空气吸收产生的第三个谐振点，以及后面水蒸气的两个吸收频率为180GHz和350GHz处。所以在大气中通信时应该闭面使用上述衰减严重的频段。此外，降水也会对10GHz以上的电磁波产生比较大的影响。当然，现实中的衰减模型要复杂的多，利用弗里斯衰减公式可以快速评估无线站的覆盖距离，当然也可以快速评估一下这个站辐射的影响。 来源：射频学堂
