亚洲卫星公司针对东南亚季风季节期间上行站所报告的C波段超高雨衰情况进行了分析研究，并提出了相应的对策。

以下三种方法可以明显的减轻雨衰： 

1）由于馈源膜经过一段时间其防水性能会下降，因此建议定期（最好每年）更换新的馈源膜，以防止雨水积留在馈源口面上。

2）增加吹雨鼓风机的风速，以减少在天线馈源口的积水。

3）在大雨来临前一小时，提前将上行链路功率增加3dB，用于补偿大雨导致的功率下降。 

上行链路传播损耗概述

在卫星通信传输模型中，路径损耗是指电磁波在空间传播时功率谱密度的降低。路径损耗包括自由空间损耗——只与频率和传输距离相关，还包括电磁波在通过发射端和接收端之间各种介质传播时因折射、衍射、反射以及被介质吸收所产生的各种损耗。虽然国际电信联盟（ITU）提供了估算地球站与空间站之间传播损耗的计算模型，以供网络工程师用来计算位于不同地理位置的地球站在相应的链路预算的雨衰余量，但是在实际运行中，亚洲卫星公司观察并收到多起的报告称：一些上行站在暴雨（50mm / h）期间，C波段上行链路传播损耗要高于预先的计算值。通过对比卫星遥测数据和雨衰预测数据之间的差异，可以收集到更详细的研究结果。例如，在暴雨期间，通过卫星遥测数据发现，位于新加坡的某条上行链路的实际传播损耗约为8到11dB，要远高于利用国际电联的降雨预测模型结合新加坡气象机构所提供的实际降雨数据所计算出的雨衰损耗预测值。

通过研究发现，额外的损耗是由于降雨期间在馈源口所形成水膜以及抛物面天线的积水引发的天线积水衰减，由此可见，天线积水衰减是通信链路在降雨期间整体信号衰落的一个重要因素。为此，我们进行了大量测试，以获得在馈源口上存在不同厚度水膜情况下的信号衰减值，以及天线主反射面积水条件下对于天线增益的影响。基于这些测量结果，我们能够更好地理解天线积水衰减对传播损耗的影响，并预估暴雨期间上行链路所需的发射功率。

天线积水衰减

中国和东南亚的沿海地区位于国际电联高雨量区。特别是在季风季节，大到暴雨时有发生。根据国际电联的降雨模型，预测的雨衰取决于降雨量、天线仰角、信号频率和信号通过降雨区的路径长度。在降雨量大于120mm / h的暴雨期间， 6GHz雨衰值约为4dB。图1显示了在新加坡地区6GHz信号的雨衰预估值与降雨量之间的关系。

图1. 雨衰与降雨量的关系

卫星可以将测量到的星上行波管功率放大器TWTA的输入功率通过卫星遥测数据发回测控站，通过对比晴天和雨天期间的TWTA输入功率差值即可得知新加坡和香港在C波段暴雨期间的上行雨衰约为8至11dB，这与ITU给出的数据之间大约相差6dB。

参考文献[1]中的研究表明，馈源口上0.4mm水膜，天线积水衰减可以高达8dB。

天线积水衰减的大小受到信号频率、天线结构、馈源口和抛物面的材质和天线承受的降雨量的共同影响。导致天线辐射方向性和馈源口反射率产生变化，从而影响了整个天线的效率。

为此我们进行了大量的实验，以测量信号在不同条件下的衰减程度，包括：天线馈源口和反射面在不同水膜厚度、强度和类型等积水条件下的衰减情况。下面讨论三种类型：

1. 馈源口在不同厚度水膜情况下的功率衰减——使用宽边耦合器测量

为了研究不同水膜厚度的馈源口输出功率衰减，使用宽边耦合器来进行前向和反射功率测量。测试装置如图2所示。

图2.不同水膜厚度下信号功率衰减的测试装置

测试结果表明，当水膜厚度增加时，6GHz的输出信号衰减将加剧。当馈源口上的水膜厚度约为0.1mm时，输出信号衰减约为2dB，但当厚度达到0.2mm时，输出信号衰减将显著增加至约7dB。如果水膜厚度大于0.3mm，输出信号衰减可超过11dB。

信号衰减看起来高于文献[1]中提到的预测数值，因为用于预测计算时所采用的馈源膜和水的介电常数和导电常数与实际不同，特别是在精确测量时，雨水复杂的介电常数更是一个不可忽视的因素。

部分发射功率被反射回信号发射单元也会导致衰减，从而降低总输出功率。馈源口上的水膜将使口面的电场分布变形，对馈源口面驻波比产生干扰，其结果就是反射更多的功率。随着馈源口上的水膜厚度增加，反射功率将增加。输出信号功率衰减与测量数据的水膜厚度之间的关系如图3所示。

图3. 6GHz信号在馈源口处的衰减量与水膜厚度的关系 

2.不同积水条件下，馈源口信号衰减的变化

在大雨期间，馈源口的积水条件会不断变化，积水可能全部、部分或者少量地覆盖在馈源口表面，导致不同程度的衰减。为了研究相应的衰减情况，分别将湿纸巾，湿毛巾和一袋水放在馈源口上，模拟不同的积水条件，以测量各自的衰减情况。通过测量SCPC载波上C / N变化来获取测试数据，具体的测试方法如下：

· 将调制波用5米天线传至亚洲7号上的线性转发器上。

· 用9米天线接收信号并送入IRD接收机中。同时使用IRD接收机和频谱分析仪接收载波并获得C/N值，通过观察当改变馈源口积水条件时所接收到的载波C / N的变化，可以更好地理解天线积水衰减的影响。

· 测试现场为晴天。

利用湿纸巾模拟积水

· 先将干燥纸巾放置在馈源口上，接收到的C / N约为19.3dB，IRD余量为5.2dB，HPA反射功率为1W。

· 然后将湿纸巾放置在馈源口上，接收到的C / N降至16.9dB，IRD余量为2.9dB，HPA反射功率为3W。

· 对比结果可知在有湿纸巾时信号衰减将增加2.3dB，同时HPA反射功率可达3W。

馈源口的测试装置如图4a所示。

利用毛巾模拟积水

· 先将干燥毛巾放置在馈源口上，接收到的C / N约为18.8dB，IRD余量为5dB，HPA反射功率为1W

· 然后将湿毛巾放置在馈源口上，接收到的C / N降至9.1dB，IRD失锁，HPA反射功率19W

· 对比可见信号有明显衰减，达9.8dB。

馈源口的测试装置如图4b所示。

利用水袋模拟积水

· 先在馈源口周围缠绕空的塑料袋，接收C / N约为19.5dB，IRD余量为5.1dB，HPA反射功率为2W。

· 再将塑料袋装满水放在馈源口上，接收C / N约为12.4dB，IRD 失锁，HPA反射功率为3W。

· 结果表明，从频谱上看信号衰减约为7.1dB。衰减比湿毛巾小的原因是因为水袋小于馈源口，因此馈源口是部分被水覆盖。

馈源口的测试设置如图4c所示。

总体结果

结果表明，水膜比较薄，完全覆盖馈源口，像湿纸模拟的情景，输出信号会降低约2dB。水膜比较厚，并完全覆盖馈源口，像上述湿毛巾模拟的情景，则会导致输出信号大幅降低。如果水膜虽然厚，但没有完全覆盖馈源口，衰减达不到最严重级别，因此使用吹雨机确实有助于减轻衰减，因为它可以防止水膜停留在馈源口表面。

结果列表如下

图4a。馈源口上的湿纸巾

图4b。馈源口的湿毛巾

图4c。饲料孔上有一袋水

3.天线主反射面积水导致的信号衰减

如果水积聚在主反射面上，则天线增益会降低。为了研究相应的损失，我们进行了一项测试，其结果与我们的预测一致。在香港，对准亚洲7号卫星的天线仰角大概为60度，因此雨水很有可能在主反射面上聚集。对于7.3米天线，主抛物面表面上的积水最大直径约为2.6米，约占天线表面积的13％。由于会出现散射，积水将影响对星发射的总功率，从而降低了天线效率。我们估计的最坏情况下增益降低约为0.6dB。测试方法有与（2）中描述的相同。

将塑料布铺在主抛物面上，接收C / N约为19dB，IRD余量为5.2dB，HPA反射功率为1W。向天线喷水，直至在天线上形成积水，观察到此时接收的C / N约为18.58dB，IRD余量为4.6dB，HPA反射功率为2W。通过比较IRD C / N可以得知大约有0.6dB的衰减，这与我们的预测一致。

馈源口的测试装置如图5所示。

图5.主反射器上的积水

结果和建议

由于下雨而在馈源口和主抛物面上形成的水膜和积水会明显导致输出功率降低。馈源口上的水膜会使电场分布失真并导致信号反射回HPA，这会降低总输出功率，或者如果反射功率大于HPA的门限，甚至可能使HPA损坏或进入保护状态。如果水膜厚度为0.2mm，则会导致信号衰减约7dB。如果水膜厚度大于0.3mm，则信号衰减高达11dB以上。此外，积聚在主反射面上的积水会影响天线效率并降低天线增益。天线的高仰角可能会在主反射面上积聚更多的水，并导致天线增益降得更低。这解释了前文所提新加坡暴雨期间观测到的极高雨衰，传播损失包括普通雨衰以及由于水膜对馈源口和主反射面的影响造成的额外雨衰。为减轻天线积水衰减，建议采用以下措施：

1）由于馈源膜经过一段时间其防水性能会下降，因此建议定期（最好每年）更换新的馈源膜，以防止雨水积留在馈源口面上。

2）增加吹雨鼓风机的风速，以减少在天线馈源口的积水。

3）在大雨来临前一小时，提前将上行链路功率增加3dB，用于补偿大雨导致的功率下降。 

参考: [1] “Wet Antenna Effect on VSAT Rain Margin”，作者：Jonathan YC Cheah，1993年8月IEEE