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气象雷达雷达雷达的事例

为了减轻局部暴雨和暴雨的破坏，国土交通省安装了XRAIN,这是一种能够进行高分辨率准实时观测的X波段雷达 (8~12GHz) 。

C波段雷达（4-8GHz）适合广域观测，而XRAIN可以详细、实时地观测局部暴雨^*1。

然而，频率较高的X波段具有更高的无线电衰减，因为到达雷穹表面的水膜。

雨水在穹顶表面形成水膜

即使是小雨也会导致天线罩表面形成水膜，从而减弱信号。水膜的厚度根据降雨强度、天线罩材料、表面状况等而变化。
图 1 显示了在均匀、光滑疏水、直径 5 m 的天线罩表面上形成的水膜的估计厚度。例如，每小时30毫米的降雨量，可在地表形成0.2毫米厚的水膜。

图1降雨强度与水膜的关系

图1 降雨量与水膜厚度的关系^*2

如果不采取水膜措施，由于水膜衰减，操作范围将极其狭窄^*3。

事实上，在大雨期间，由于天线罩上有水膜，信号明显减弱，观测范围变得极其狭窄。
例如，每小时30毫米的降雨可以在天线罩表面形成0.2毫米厚的水膜，导致5.0分贝的衰减。
如图2所示，观测范围从正常的80公里缩小到10公里。

不进行拨水加工时的观测结果

图2水膜引起的电波衰减的实例

水膜对策的要点

通过在天线罩表面涂敷接触角为140度以上的疏水材料^*3，可以抑制水膜的形成。

HIREC ^®兼具超疏水和耐用性，可实现表面与水滴之间150度的接触角。

此外，它还具有自清洁机制，因此可以保持疏水性能约3年。

HIREC ®在XRAIN的X波段MP雷达反射器中采用了防水膜衰减技术。

*1) 《日本河流管理降水雷达观测》，国土交通省，2013 年 9 月 30 日，http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf (1.7兆)

*2) 《9GHz气象雷达天线罩衰减降低技术改进研究报告》，先进通信技术研究支持中心，2009年3月

*3) “9GHz频段气象雷达天线罩衰减对策研究”，先进通信技术研究支援中心

BS天线示例

降雨时天线的电波衰减

BS/CS：源位置，CATV：接收位置

图3 降雨与无线电波的关系

① 卫星和天线之间的降雨衰减

➁ 雨水落在天线上造成的水膜衰减

↓

HIREC 显着降低了水膜造成的无线电波衰减！

图3是以BS天线为例的模式图，显示了因雨导致电波衰减的情况。

下雨时无线电波的衰减不仅仅因为卫星与BS天线之间的降雨而发生，即太空中的雨滴造成的衰减。
水膜衰减。
水膜衰减是指雨水附着在基站天线上时形成的水膜导致的无线电波衰减。
可以防止这种水膜衰减。
当超疏水材料HIREC应用于BS天线表面时，表面几乎不形成水膜，从而可以显着降低水膜衰减。有一种东西叫

引自东京卫星仰角45°时的“日本电子信息通信学会期刊(第79卷，1996-1卷)”

图4降雨强度和降雨衰减量的关系

图4显示了降雨强度与降雨衰减之间的关系。
当使用的频率超过10GHz时就会出现雨衰，并且频率越高，衰减量越大。此外，衰减量随着降雨量的增加而增加。
例如，在12GHz频段，即BS频段，当降雨强度为5mm/h和10mm/h时，雨衰分别约为1dB和约2dB。

图5水膜衰减的数值计算结果

上图以水膜厚度为参数显示了频率与水膜衰减的关系。（根据气象研究笔记112号水膜衰减公式和水的复介电常数数据计算）
可以看出，即使在几GHz的频率下也会出现水膜衰减，而且频率越高，水膜越厚，衰减越大。
在一定降雨强度下，水膜的厚度因天线的大小和形状而异。
10℃时直径5m的天线罩形状，降雨强度10mm/hr，水膜厚度约0.16mm。从这个例子看来，即使正常降雨也能形成0.1-0.2毫米厚的水膜。
另外，考虑到紫外线会导致天线表面劣化，即使是相同的天线，室外安装时间越长，水膜越厚，即使是相同的降雨量。

图6水膜衰减的数值计算结果

图4中的降雨衰减数据和图5中的水膜衰减计算结果总结于图6中。
由此可见，水膜衰减的影响不小。水膜对策在 10 GHz左右及以下频率尤其重要。
如果天线表面经过疏水处理，具有很强的防水性，那么在10GHz以下就很难出现因水膜而造成的电波衰减。
10GHz以上会出现雨衰，但由于可以消除水膜衰减，因此总体衰减有望降低。

天线防雨事例

图7 BS天线的电波接收特性（12GHz频段）

图7是BS天线（12GHz频带）的电波接收特性的实际测量示例。
比较有无超疏水材料HIREC时发现，在降雨期间（17:00至19:00），没有HIREC涂层的天线经历了约3-4dB的衰减，而涂有HIREC的天线则经历了大约3-4dB的衰减。大约 3-4 dB天线中没有衰减。
降雨强度未知，但由于涂有HIREC的天线没有衰减，根据降雨强度和降雨衰减图估计小于5mm/h。
另外，在降雨强度和降雨衰减图中，降雨强度为5毫米/小时时，12GHz频段的降雨衰减约为1dB，因此图7中的3-4dB衰减并不是由于降雨造成的衰减而是水膜，可以理解为衰减。
此外，雨停后的晚上 7:00 后仍然出现衰减，这证实了衰减是由天线表面存在水膜引起的。
也就是说，如果天线下雨，即使雨停了，也会出现一段时间的水膜衰减。另一方面，涂有超疏水材料HIREC的天线没有表现出任何衰减，表明天线表面几乎没有形成水膜。
综合以上，超疏水材料HIREC可以说是对抗水膜衰减的有效措施之一。
最后，有传言即使在10GHz以下的频率也会出现水膜衰减，但这目前尚未得到证实，因此我们将在了解情况后立即添加最新信息。