卫星链路的隐形损耗：极化、雨衰与概率

JED 2025年11月 · Dave Adamy《Space EW（Part 6）》深读

看得见卫星，不等于能够完整接收它的信号。信号沿着正确方向到达天线，仍可能因为极化不匹配而损失一部分可接收功率；一段只占传播全程很小比例的雨区，也可能带来不能忽略的附加衰减。距离之外，链路还要面对波的状态与沿途环境。

在2025年11月JED的EW 101专栏中，Dave Adamy用两页篇幅介绍极化损耗和雨衰，并给出约2.9 dB的计算示例。[1] 本文沿着这两个物理问题展开，复核原例的单位和假设，再讨论原刊概率图的疑点。它是一篇基础传播知识的深读，不把教学估算写成某个实际系统的性能保证。

01 极化匹配，回答的是另一种“对准”

天线指向与极化匹配容易被混为一谈。指向描述天线主要朝哪个空间方向接收或辐射；极化则描述电场在与传播方向垂直的平面中怎样变化。两副天线相互朝向正确，只解决了前一个问题，不能证明到达电场与接收天线的极化状态相容。

可以把理想线极化天线理解为对某一个电场方向敏感的接收器。同样强度的来波，如果电场方向与它一致，极化耦合最好；若二者夹角改变，能够耦合的部分就随之改变。这里的损失不是说电磁波凭空消失，而是接收端没有把全部可用来波功率耦合进来。

在理想线极化、其余条件不变的模型里，电场投影随夹角的余弦变化，功率比例则是余弦的平方。这解释了一个常见误解：电场分量与功率份额不是同一个量，不能看到投影变成原来的一半，就直接写成只有3 dB损耗。

原刊把极化匹配与传播损耗分开，是一种有用的记账方式。讨论某项损耗时，应固定其他比较条件；否则天线增益变化、指向偏差和极化变化都被装进一个数字，就难以知道损失究竟发生在哪里。下式只是上述理想投影关系，不是对实际天线的完整测量模型。

ψ为来波与接收天线的线极化方向夹角，η为相对于完全匹配状态的功率比例，L为取正值的损耗。两者完全正交时，理想模型的耦合为零；有限的实际测量值不能简单当作这条理想公式的否定。

02 圆极化与线极化之间，为什么常说3 dB

图1 根据原刊图1重组的编辑示意。数值仅指理想极化耦合，不含其他损耗；反旋向一栏将理想正交与实际有限隔离分开，避免把经验值误认作物理常数。

理想圆极化可以分解为两个相互垂直、振幅相等而相位相差四分之一周期的线极化分量。一个理想的单线极化接收端只接收其中相应的一个分量，因此耦合功率为完全匹配情形的一半。按功率的分贝定义，一半对应约3.01 dB，通常简写为3 dB。

这里“任意线极化方向”仍然成立，是因为理想圆极化在横向平面没有偏爱的线方向。换一个横向坐标方向，分成的两个正交分量仍然等强。这与把天线转到一个未知线极化来波的正交方向不同，后者在理想模型中可能完全失去耦合。

但3 dB有明确前提：来波确为理想圆极化，接收端为理想单线极化，并且只比较极化耦合。实际圆极化天线存在偏离圆形的情况，通常用轴比描述。NASA收录的一篇1977年论文摘要，就讨论了椭圆极化卫星天线与线极化终端之间的损耗分布，并提醒固定分配3 dB未必满足所讨论链路的可靠度要求。[2]

原刊还给出反旋向圆极化失配的经验量级：小型天线约10 dB，较大的航天器和地面站天线可超过30 dB。本文将它们保留为作者举例，不据此建立“尺寸决定隔离度”的通用规律。理想反旋向状态彼此正交，真实装置的有限耦合还需要看极化纯度和测量条件。

03 圆极化解决了一个问题，并没有消除天气

Adamy指出，信号穿过大气环境时可能发生极化旋转，采用圆极化可以避免线极化方向旋转引起的失配。这个解释应限定在它讨论的旋转机制上。若将其改写成“圆极化卫星链路不受大气影响”，就把消除某一种匹配变化，误解为所有传播影响都已经消失。

ITU-R P.618-14将电离层的法拉第旋转与对流层水凝物造成的去极化分别讨论；其第4节同时指出，正交极化复用会受到大气路径去极化的限制。[3] 也就是说，极化状态不是只在天线端确定一次，随后便永远保持理想形式。

原刊以相反旋向的圆极化解释同频复用，甚至举出上下行同频的例子。作为直觉，它说明两个正交极化可以提供区分信号的维度；作为完整系统结论，则还缺少隔离、收发配置及传播条件。仅凭“旋向相反”四个字，不能保证任意两条同频链路都不会互相影响。

这一点也把文章的两个主题连接起来：雨既与信号衰减有关，也可能改变极化分离条件。本文的阅读建议是，把“功率减弱了多少”和“两个极化还能分得多清楚”视为不同问题。某一项表现良好，不能替另一项作答，也不能把二者在统计上的变化默认看成互不相关。

04 读雨衰曲线，先看单位，再看曲线身份

原刊第49页图2的横轴为GHz，纵轴为dB/km。后一个单位很关键：图上读出的不是整条卫星链路已经损失多少，而是在相应条件下每公里的衰减量。必须再说明这种条件覆盖多长的路径，才能得到总的雨衰。

图中两条坐标轴都采用非均匀刻度。阅读这类对数刻度图，应按标出的数值定位，不能把相邻线段的中点一概理解成两个数值的算术平均。原文从图上读出的0.73 dB/km是算例采用的近似值，不是给出了测量误差范围的实验结果。

另一个容易忽略的细节是，A至E为降雨率曲线，F至H却是雾水密度曲线。前者用mm/h，后者用g/m³；它们在一张图里出现，不意味着可以把雾的液态水含量直接当作下雨的速度。下表只整理原刊的公制数值，保留两种物理量的区别。

原表把16 mm/h称为Heavy Rain，100 mm/h称为Very Heavy Rain。这是该图的文字分档，不等于采用了中国气象业务中按特定累计时段定义的雨量等级。本文引用算例时直接写16 mm/h，避免仅用“大雨”两个字替代可核对的输入。

表1 原刊曲线代号所代表的条件

05 穿过雨层的长度，与到卫星的距离不同

图2 编辑自绘雨层几何。橙色仅标记终端至假定雨层上界的路径，两种高度使用同一基准。图中的上界是模型变量，不把所有情况下的雨层顶都直接等同于零度等温线。

卫星可能非常遥远，但雨衰只适用于路径中存在相应降雨条件的部分。把每公里雨衰直接乘以终端到卫星的全部距离，会把大片没有雨的空间也当作雨区；这不是多留一点余量，而是改变了计算的物理对象。

原刊图3用一条水平的零度等温线表示雨层上界，再由终端仰角求雨区中的斜向长度。这是便于理解的几何近似。若高度是相对于海平面给出的，而终端位于山上或空中，就必须先减去终端本身的高度；直接使用上界海拔，会多算终端以下没有穿过的那一段。

为避免混淆，本文在高度符号上用下标t标记示意雨层上界，用下标s标记终端，二者采用同一基准。在平面雨层、直线传播的假设下，垂直高度差、斜向长度与仰角构成直角三角形。公式的分子因此是高度差，而不必然是原刊简写的某个绝对高度。

当终端已达到或高于所设定的雨层上界时，这个模型不再存在一段向上穿过雨层的正长度，不能让公式算出负的雨衰。仰角接近地平线时，简单平面关系也不能无限外推。ITU-R P.618-14对5°以下的几何另作处理。[3] 这说明一条简式的适用条件，本来就是公式含义的一部分。

L为雨层内的斜向长度，h的下标t、s分别标记示意雨层上界与终端高度，三者统一以km计；θ为终端处相对当地水平线的仰角。只用于上界高于终端、平面雨层和直线近似成立的情形，不是任意低仰角的完整模型。

06 复算2.9 dB：算术正确，前提也要留下

原刊选取40°纬度，按其图4与文字采用约2 km高度，再设卫星仰角为30°。因为正弦值为0.5，作者得到雨区内斜向距离4 km。这个算式隐含的口径，是2 km已代表终端上方的垂直厚度，或者终端在图中高度基准处；不能把2 km移植到任意海拔的站址。

随后作者选取15 GHz、表中D曲线对应的16 mm/h条件，采用0.73 dB/km。相乘得到2.92 dB，按一位小数写成2.9 dB没有算术问题。这里每公里的单位与4 km相消，结果才成为整段的dB；0.73与4不能直接相加。

这项复算没有独立证明0.73适用于某个真实地点，也没有补上原曲线未交代的极化和气象统计条件。它验证的是作者选定输入后的乘法与几何关系。输入是否有代表性，与运算是否正确，是两层不同的核验。

原例还相当于假设选定的单位距离衰减沿4 km路径保持一致。若降雨在空间上不均匀，地面某个点的雨强不能自动代表整条斜路径。把读图值写成更多小数位，并不能消除这种模型假设带来的不确定性；有意义的精度必须同时来自输入和模型。

这是对原刊给定条件的复算。2为示例采用的垂直厚度（km），0.73为原刊采用的单位距离雨衰（dB/km）；A表示该段路径的雨衰，按一位小数约为2.9 dB。结果不包含其他传播或天线损耗。

07 图上的1%，不能直接变成链路的99%

原刊在图4附近提出：如果关注99%的链路性能可靠度，可以从所在纬度读1%曲线，取得零度等温线高度。这里需要停下来区分，图中统计的是高度，链路要求统计的却是性能是否低于门槛。二者并不是同一个随机事件，互为补数也不能靠数字看起来相加等于100%来认定。

图4本身还存在值得保留的疑点。英文图注明确写“零度等温线低于某高度”的概率，可是在固定纬度处，标为0.001%的曲线却比1%的曲线更高。若按通常的“低于”累计概率解释，高度门槛提高时，低于它的概率应当增大；原图标签与曲线排列的方向不一致。

因此，不能一边沿用图注的“低于”，一边把最上面的罕见概率曲线当作高高度超越概率使用。本文没有获得足以确定原图应如何更正的出处，保留这一疑点，也不私自把图注改成“超过”后宣称问题已经解决。原刊约2 km只作为其教学算例的给定输入。

即使高度图的概率方向完全明确，仍然缺少降雨发生概率、雨强分布、雨区覆盖和它们之间的关联。雨层很高而雨很弱，与雨层较低而雨很强，未必产生同样衰减。高度处于某个百分位，不能单独确定衰减也处于同一个百分位，更不能直接确定设备处于可用状态。

“超过某衰减门槛的时间占比”还需要明确统计时段。对一个平均年的描述，不能直接变成某场暴雨会持续多久，也不能保证未来任意一天都按相同比例分配故障时间。这样的概率说明是对长期统计对象的定义，不是把一次算例包装成长期运行记录。

08 把教学示意放回完整模型中的位置

核对正式传播资料，可以看到三个名字相近、用途不同的量。ITU-R P.838-3由雨强估计单位距离衰减，并按频率、极化与几何条件确定有关系数。[4] 它解释的是原刊曲线纵轴这一层问题，并不单独给出整条斜路径的年度可用率。

ITU-R P.839-4则区分平均年零度等温线高度与平均年雨高；其关系是在前者上加0.36 km，而且高度均相对于平均海平面。[5] 这不是给原刊约2 km的概率读数随手加一个常数：一个是平均年量，另一个被原文赋予分位数含义，统计口径不能混接。

原刊将零度等温线以上概括为冻结、衰减可忽略，是入门图的简化。至少不能由此推出那里的一切传播效应都为零，因为对功率衰减的近似，与对极化变化的判断不同。ITU资料还单独考虑冰晶相关的去极化。[3] 阅读时应保留被忽略的是哪种效应，而不是把某条高度线当作统一开关。

P.618-14的长期雨衰统计方法进一步使用站高、仰角、频率、雨强统计及有效路径等信息。[3] 本文据此作出的编辑判断是，原刊的两步乘法适合帮助理解数量和单位；若要谈百分之多少的时间满足要求，还必须有对应的统计证据。这两种用途可以共存，但结论的强度应随输入证据而变化。

09 分贝可以相加，条件不能被省略

原刊开篇列出视距、大气、天线指向、极化和雨衰等损耗。用分贝表达一个确定状态下连续作用的功率比例，的确便于把相乘关系写成加法。但每一项必须具有清楚、相容的定义；如果某个“大气损耗”数字已经包含雨衰，再把雨衰另加一次，就会重复计算。

相反，如果只算出2.9 dB雨衰，就宣布得到了卫星总路径损耗，又会漏掉原刊开篇提醒的其他项。图1中的零极化损耗同样如此：零只属于该分项，不意味着信号传播到了接收端仍保持发射时的全部功率。分项结果越简洁，越需要说清它覆盖的范围。

统计值的相加还多了一层限制。各项损耗分别在1%的时间超过某数值，并不能仅凭这句话确定它们同时发生的时间占比。本文的分析是，先明确关注的是同一时刻的状态，还是若干各自统计出的百分位；它们在计算表中都可能带着dB单位，却不是可以任意互换的数据。

最后，可用率还需要一个具体的“可用”判据。接收功率、信号质量和业务是否连续，是不同层次的描述。原刊这篇短文没有为某个设备定义完整业务门槛，所以适宜讨论的是损耗机制及算例，而不是替它补出原文没有给出的运行承诺。

把每一个损耗数字，与它的条件一起读

这篇EW 101的价值，是让距离之外的两类损耗变得可理解：极化关乎来波与接收端的耦合，雨衰关乎介质与实际穿行路径。继续深读，则要把理想模型与真实天线、几何厚度与海拔、某次估算与长期概率分开。保留这些条件，2.9 dB才是一个能解释的结果，3 dB才是一个有前提的关系，而99%才会成为需要证据支持的统计陈述。

资料来源与说明

[1] Dave Adamy. Space EW (Part 6) – Path Loss from Satellite (Contd.). JED，2025年11月，第49—50页。

[2] H. Estep. Polarization loss of a satellite – Data collection sensor link. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，AES-13，1977年7月；NASA NTRS收录摘要。

[3] ITU-R P.618-14（08/2023），地球—空间电信系统的传播数据与预测方法，附件1第1、2.2.1.1、4节。

[4] ITU-R P.838-3（03/2005），用于预测方法的雨衰特性模型，第1及第3页。

[5] ITU-R P.839-4（09/2013），用于预测方法的雨高模型，第1页。