降雨時的天線電波衰減|設備保護|NTT-AT尖端技術商品介紹網站

氣象雷達雷達雷達的事例

為了減輕局部暴雨和暴雨的破壞，國土交通省安裝了XRAIN,這是一種能夠進行高解析度準實時觀測的X波段雷達 (8~12GHz) 。

C波段雷達（4-8GHz）適合廣域觀測，而XRAIN可以詳細、即時地觀測局部暴雨^*1。

然而，頻率較高的X波段具有更高的無線電衰減，因為到達雷穹表面的水膜。

雨水在穹頂表面形成水膜

即使是小雨也會導致天線罩表面形成水膜，從而減弱訊號。水膜的厚度依降雨強度、天線罩材料、表面狀況等而變化。
圖 1 顯示了在均勻、光滑、未經處理的直徑 5 m 的天線罩表面上形成的水膜的估計厚度。例如，每小時30毫米的降雨量可導致表面形成0.2毫米厚的水膜。

圖1降雨強度與水膜的關係

圖1 降雨量與水膜厚度的關係^*2

若不採取水膜措施，由於水膜衰減，操作範圍將極為狹窄^*3。

事實上，在大雨期間，由於天線罩上有水膜，訊號明顯減弱，觀測範圍變得極為狹窄。
例如，每小時30毫米的降雨可以在天線罩表面形成0.2毫米厚的水膜，導致5.0分貝的衰減。
如圖2所示，觀測範圍從正常的80公里縮小到10公里。

不進行撥水加工時的觀測結果

圖2水膜引起的電波衰減的實例

水膜對策的要點

透過在天線罩表面塗抹接觸角為140度以上的防水材料^*3，可以抑制水膜的形成。

HIREC ^®兼具超強拒水性和耐用性，可實現表面與水滴之間150度的接觸角。

而且，因為配備了自清潔機構，所以可以保持大約3年的防水性能。

HIREC ®在XRAIN的X波段MP雷達反射器中採用了防水膜衰減技術。

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

*2) 《9GHz氣象雷達天線罩衰減降低技術改進研究報告》，先進通訊技術研究支援中心，2009年3月

*3) “9GHz頻段氣象雷達天線罩衰減對策研究”，先進通訊技術研究支援中心

BS天線示例

降雨時天線的電波衰減

BS/CS：來源位置，CATV：接收位置

圖3 降雨與無線電波的關係

① 衛星和天線之間的降雨衰減

➁ 雨水落在天線上造成的水膜衰減

↓

HIREC 顯著降低了水膜造成的無線電波衰減！

圖3是以BS天線為例的模式圖，顯示了因雨導衹電波衰減的情況。

下雨時無線電波的衰減不僅因為衛星與BS天線之間的降雨而發生，也就是太空中的雨滴造成的衰減。
水膜衰減。
水膜衰減是指雨水附著在基地台天線上時形成的水膜所導致的無線電波衰減。
可以防止這種水膜衰減。
當超防水材料HIREC應用於BS天線表面時，表面幾乎不會形成水膜，因此可顯著降低水膜衰減。有一種東西叫

引自東京衛星仰角45°時的「日本電子信息通信學會期刊(第79卷，1996-1卷)」

圖4降雨強度和降雨衰減量的關係

圖4顯示了降雨強度與降雨衰減的關係。
當使用的頻率超過10GHz時就會出現雨衰，頻率越高，衰減量越大。此外，衰減量隨著降雨量的增加而增加。
例如，在12GHz頻段，即BS頻段，當降雨強度為5mm/h和10mm/h時，雨衰分別約為1dB和約2dB。

圖5水膜衰減的數值計算結果

上圖以水膜厚度為參數顯示了頻率與水膜衰減的關係。（根據氣象研究筆記112號水膜衰減公式和水的複介電常數數據計算）
可以看出，即使在幾GHz的頻率下也會出現水膜衰減，而且頻率越高，水膜越厚，衰減越大。
在一定降雨強度下，水膜的厚度因天線的大小和形狀而異。
10℃時直徑5m的天線罩形狀，降雨強度10mm/hr，水膜厚度約0.16mm。從這個例子看來，即使正常降雨也能形成0.1-0.2mm厚的水膜。
另外，考慮到紫外線會導致天線表面劣化，即使是相同的天線，室外安裝時間越長，水膜越厚，即使是相同的降雨量。

圖6水膜衰減的數值計算結果

圖4的降雨衰減數據和圖5的水膜衰減計算結果總結於圖6。
由此可見，水膜衰減的影響不小。水膜對策在 10 GHz左右及以下頻率尤其重要。
如果天線表面經過防水處理，具有很強的防水性，那麼在10GHz以下就很難出現因水膜造成的電波衰減。
10GHz以上會出現雨衰，但由於可以消除水膜衰減，因此整體衰減可望降低。

天線防雨事例

圖7 BS天線的電波接收特性（12GHz頻段）

圖7是BS天線（12GHz頻帶）的電波接收特性的實際測量範例。
比較有無超級防水材料HIREC時發現，在降雨期間（17:00至19:00），沒有HIREC塗層的天線經歷了約3-4dB的衰減，而塗有HIREC的天線則經歷了大約3-4dB的衰減。
降雨強度未知，但由於塗有HIREC的天線沒有衰減，根據降雨強度和降雨衰減圖估計小於5mm/h。
另外，在降雨強度和降雨衰減圖中，降雨強度為5毫米/小時時，12GHz頻段的降雨衰減約為1dB，因此圖7中的3-4dB衰減並不是由於降雨造成的衰減而是水膜，可以理解為衰減。
此外，雨停後的晚上 7:00 後仍然出現衰減，這證實了衰減是由天線表面存在水膜引起的。
也就是說，如果天線下雨，即使雨停了，也會出現一段時間的水膜衰減。另一方面，塗有超防水材料HIREC的天線沒有表現出任何衰減，顯示天線表面幾乎沒有形成水膜。
綜合以上，超防水材質HIREC可以說是對抗水膜衰減的有效措施之一。
最後，有傳言即使在10GHz以下的頻率也會出現水膜衰減，但這目前尚未得到證實，因此我們將在了解情況後立即添加最新資訊。