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姓名	張緒萍(Shu-Ping Chang)  查詢紙本館藏	畢業系所	太空科學研究所
論文名稱	Ka波段雨衰減之分析與研究 (The study and analysis of rain attenuation in Ka band)
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摘要(中)	摘要 本篇論文利用2003年TGT與RGT地面站接收的資料，針對衛星訊號鎖定狀態、微波輻射儀所量測之天空溫度及降雨量等進行長期的統計分析，結果發現RGT全年的鎖定狀態約為52%，TGT則為66%，造成鎖定狀態不理想的主要原因除了大氣對訊號的影響外，還有系統長期維護不易，使得系統不穩定與零件故障所造成，並針對TGT於2003年6月~9月所發生的零件故障，經我們逐步測試並檢修後，恢復正常運作的步驟。 同時我們也在中央大學的雷達站，架設台陽公司的Ka 波段地面天線系統，實驗資料顯示，接收功率會受環境溫度高低變化的影響，經溫度補償後可改善，變動範圍由1.2dB縮小為0.2dB，算出功率與溫度關係式的斜率與截距分別為-0.18與-34；我們對系統的增益與Cabe Loss做了仔細的量測與校正，還設計與進行了ㄧ系列的實驗，使我們更了解系統的各種特性及功能，天線盤面及饋電器(Feed)上因降雨或露水凝結之水膜所造成的衰減，分別為0.1dB及0.5dB；另外風速大小與比濕也會影響接收的資料。 在 Ka 波段地面雨衰減研究方面，發現由觀測值所計算的雨衰減模型，雨的比衰減量與降雨率的關係 ， a 為 0.0949 ， b 為 1.0061 ，與Laws-Parsons及Marshall-Palmer之理論值相差不多。也就是說在台灣地區，使用 Ka 波段作為衛星與地面或地面間之通訊時，受雨衰減的影響相當明顯，必須有足夠的功率餘裕來克服降雨所造成訊號的衰減，才有可靠穩定的通訊品質。
摘要(英)	Abstract The Experimental Communication Payload on ROCSAT-1 satellite has collected propagation data at 19.5GHz over four years. The objective of the experiment is to develop long-term statistics and modeling techniques for predicting atmospheric propagation effects in the Ka band over Taiwan areas. The experiment conducts in a fixed station at Tai-Nan and a transportable station to test different locations in Taiwan. A campaign observation of precipitation made with Chung-Li VHF radar, 19.5 GHz radiometer, and high-resolution optical rain gauge is carried out and the results are also presented and discussed. The results illustrate how well each model predicting rain attenuation and more fading margin for satellite communication in a rainy climate region (Taiwan) of the experiment.
關鍵字(中)	★ 比衰減 ★ 雨衰減 ★ 輻射傳遞理論 ★ 中華衛星一號	關鍵字(英)	★ cone angle ★ clock angle ★ path loss ★ antenna gain ★ radiometer
論文目次	目錄 第一章 前言 …………………………………………………………1 第二章 理論基礎 2-1 Ka波段電磁波傳播特性 …………………………………...3 2-2 輻射傳遞理論 ……………………… ……………………....8 2-3 自由空間衰減 …………………………………………..…...13 2-4 座標系統理論 …………………………………………..…...15 2-5 系統基本特性理論 ……………………………………..…...18 第三章 實驗儀器說明與系統架構 3-1 中華衛星一號與地面接收站………………………………...23 3-2 微波輻射儀 ..……………………..………………………...27 3-3 光學雨量計 ………………………………………………...28 3-4 自動氣象觀測站 ..…………………………………………...29 3-5 Ka波段雙圓形極化天線系統 …………………………….. 29 第四章 實驗觀測結果與分析 4-1 2003年TGT與RGT觀測結果統計分析 ………………...38 4-2 TGT於高雄燕巢觀測結果分析 …………………………...43 4-3 TGT故障與維修說明 ……………………………………...44 4-4 Ka波段雙圓形極化天線系統校正與資料分析 …………..49 第五章 結論與展望 5-1 結論 ……………………………………………………...…55 5-2 展望 ………………………………………………………...57 參考文獻 ……………………………………………………………..59 圖表 …………………………………………………………… 62 ~100 圖表目錄 圖(2.1)：頻率1~40 GHz時氧及水汽比衰減的關係圖。 圖(2.2)：L、H、R與θ 的幾何關係圖。 圖(2.3)：Cone Angle、Clock Angle鎖對應在ECPSS整個盤面上的左旋訊號增益等值圖。 圖(2.4)：Cone Angle與Clock Angle的定義幾何圖。 圖(2.5)：ECPSS 盤面上Cone Angle與Clock Angle切痕。 圖(3.1)：華衛一號的通訊實驗籌載的結構圖 ( NSPO提供 )。 圖(3.2)：天線與OMT的相片。 圖(3.3)：發射與接收之訊號處理盒特性尺寸圖。 圖(3.4)：Ka波段雙圓形極化天線系統功率傳輸示意圖。 圖(3.5)：觀測軟體照片及其說明 圖(3.6)：天線盤面校正(Alignment)的相片。 圖(3.7)：Ka 波段雙圓形極化反射面天線系統相關地理位置圖。 圖(4.1.1)：2003年RGT累積觀測時間與lock on比率之關係圖。橫軸為1到12月，縱軸是累積觀測時間，紅色的是該月份的總觀測時間，藍色是總觀測時間中系統有lock on的時間；上圖為不分仰角的資料統計；下圖係針對仰角大於15度的資料統計。 圖(4.1.2)：2003年TGT累積觀測時間與lock on比率之關係圖。橫軸為1到12月，縱軸是累積觀測時間，紅色的是該月份的總觀測時間，藍色是總觀測時間中系統有lock on的時間；上圖為不分仰角的資料統計；下圖係針對仰角大於15度的資料統計。 圖(4.1.3)：RGT 2003年12月的資料，橫軸代表的是衛星pass數，該月有155次觀測資料，縱軸則是radiometer測得的天空溫度。圖中藍色的「*」點是衛星訊號有lock on時的天空溫度值，綠色的「o」點是衛星訊號沒有lock on時的值，紅色的「o」點代表那次事件有降雨的情形。大多數的事件中，衛星non-lock-on時的radiometer值較lock on時的radiometer值來的高，且由右上角的平均值可以知道兩者約相差47K。 圖(4.1.4)：RGT 2003年12月的資料，是將圖(4.1.3)中每個pass的兩個點取差值。平均約差48K，也就是比lock on時的值超過約48K，RGT無法鎖定衛星訊號。 圖(4.1.5)：TGT 2003年9月的資料，橫軸代表的是衛星pass數，該月有155次觀測資料，縱軸則是radiometer測得的天空溫度。圖中藍色的「*」點是衛星訊號有lock on時的天空溫度值，綠色的「o」點是衛星訊號沒有lock on時的值，紅色的「o」點代表那次事件有降雨的情形。大多數的事件中，衛星non-lock-on時的radiometer值較lock on時的radiometer值來的高，且由右上角的平均值可以知道兩者約相差75K。 圖(4.1.6)：TGT 2003年9月的資料，是將圖(4.1.5)中每個pass的兩個點取差值。平均約差75K，也就是比lock on時的值超過約75K，TGT無法鎖定衛星訊號。 圖(4.1.7)：RGT於 2003年12月的資料。橫軸是衛星pass數，縱軸是天空溫度，針對不同仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~ 20°、20°~ 30°、30°~45°、45°~60°、60°以上，在低仰角10°~ 20°的部分每一個pass都有non-lock-on的狀況，仰角愈高，lock on的狀況愈好。 圖(4.1.8)：RGT於 2003年12月的資料。針對低仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~12°、12°~14°、14°~16°、16°~18°、18°~20°，可以發現在10°~ 20°這樣的低仰角裡面也是有不同仰角的變化，沒有lock on的狀況主要集中在10°~12°最低仰角的時候。 圖(4.1.9)：TGT於 2003年9月的資料。橫軸是衛星pass數，縱軸是天空溫度，針對不同仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~ 20°、20°~ 30°、30°~45°、45°~60°、60°以上，在低仰角10°~ 20°的部分每一個pass都有non-lock-on的狀況，仰角愈高，lock on的狀況愈好。 圖(4.1.10)：TGT於 2003年9月的資料。針對低仰角分為五張圖，由下而上分別是10°~12°、12°~14°、14°~16°、16°~18°、18°~20°，可以發現在10°~ 20°這樣的低仰角裡面也是有不同仰角的變化，沒有lock on的狀況主要集中在10°~12°最低仰角的時候。 圖(4.1.11)：RGT 2003年12月，下圖是該月份所有的pass在不同仰角區段累積的lock on成功率，上圖是該仰角有lock on及沒有lock on時radiometer的差值，隨著仰角上升，lock on成功率也上升，radiometer的差值也降低；但低仰角(10°~12°)與高仰角(60°~90°)部份例外。 圖(4.1.12)：TGT 2003年9月，下圖是該月份所有的pass在不同仰角區段累積的lock on成功率，上圖是該仰角有lock on及沒有lock on時radiometer的差值，隨著仰角上升，lock on成功率也上升，radiometer的差值也降低；但低仰角(10°~12°)與高仰角(50°~90°)部份例外。 圖(4.1.13) ：大氣衰減值的累積機率分布圖。資料為RGT 2003年6~12月，上圖為不分仰角；下圖為分三種仰角。 圖(4.2.1)：TGT於92.11.22日移動至高雄樹德科技大學，上圖為周圍環境示意圖，下圖為架設時的照片。 圖(4.2.2)：2003年12月30日，TGT於樹德科技大學觀測實驗資料。18:51:35左右，Tracking Receiver的頻率與鎖定狀態變差，sky noise temperature突然上升，地面降雨率卻為零。 圖(4.2.3)：2003年12月30日，RGT於台南同時間的觀測資料。Tracking Receiver的頻率與鎖定狀態，以及sky noise temperature均無特別變動。 圖(4.3.1) ：TGT的ACU軟體操作介面與故障說明。 圖(4.3.2)：TGT天線車之電源箱向內部各元件的相片及故障說明。 圖(4.3.3)：X-EL Limit 電路圖及線路跳接與斷掉的地方。 圖(4.3.4)：X-EL Data Pack 電路圖及線路跳接與斷掉的地方。 圖(4.3.5)：方位角伺服馬達及固定螺絲的相片。 圖(4.3.6)：TGT於2003年10月30日實驗資料(螺絲鬆脫前)。Lock on機率為68.5%。 圖(4.3.7)：TGT於2003年11月09日實驗資料(螺絲鎖緊後)。Lock on機率為96.6%。 圖(4.3.8)：右旋訊號線連接點鬆脫的相片。 圖(4.4.1)：左旋極化與右旋極化通道測試結果，上圖為發射信號開機關機(RF Power ON/OFF)，左旋極化通道會約-22dBm與-52dBm的正常變化，而右旋極化通道始終維持約-35dBm不變。下圖為切換左旋極化與右旋極化通道，左旋極化通道為-22dBm的正常接收功率，而右旋極化通道則為約-36dBm的異常接收功率。 圖(4.4.2)：噴水器分別在天線盤面及Feed上噴水後，接收功率的變化情形，計有8種噴水狀況如右上角說明。 圖(4.4.3)：Feed上的薄膜水珠累積多寡的相片。 圖(4.4.4)：搖晃天線基座時，接收功率變化圖，並取128點FFT後，發現其共振頻率為4.5Hz左右，下圖另外有3.8Hz左右的頻率，應該是大風吹向天線搖動所造成。 圖(4.4.5)：中壢Ka波段天線系統觀測2003年4月3日降雨事件的日變化關係圖，降雨率變大時接收功率同時降低。 圖(4.4.6)：2003年4月3日中壢Ka波段天線系統觀測圖，上圖為接收功率、比衰減量與降雨率的時序圖；下圖為降雨率與比衰減量的關係，最大降雨率為106.7 mm/hr。 圖(4.4.7)：中壢Ka波段天線系統觀測2003年6月12日降雨事件的日變化關係圖，降雨率變大時接收功率同時降低；且9時至15時風速增加約為8 m/s，接收功率同時也產生約0.5dB的擾動；另外14時左右，溫度下降造成接收功率上升。 圖(4.4.8)：2003年6月12日中壢Ka波段天線系統觀測圖，上圖為接收功率、比衰減量與降雨率的時序圖；下圖為降雨率與比衰減量的關係，最大降雨率為26.7 mm/hr。 圖(4.4.9)：中壢地區2004年地面降雨率與19.5GHz比衰減量的關係圖，共有11個降雨事件，總分析時間約為378分鐘，最大降雨率為106.7 mm/hr。 圖(4.4.10)：接收功率與溫度之關係圖。上圖日變化圖，10分鐘移動平均以紅線代表，下圖為散佈圖，相關係數成負相關高達約-0.97。 圖(4.4.11)：溫度補償後接收功率、風速與溫度之標準差散佈圖，上圖為功率與風速的關係，分佈較雜亂；下圖為功率與比濕的關係，成正相關趨勢，相關係數約0.4。 圖(4.4.12)：以季節區分，溫度補償後接收功率與比濕之標準差散佈圖，上圖為夏季，相關係數約0.41；下圖為秋季，相關係數約0.46。 圖(4.4.13)：接收功率與溫度所算出之斜率與截距的累積天數分佈圖，上圖為斜率，下圖為截距。 圖(4.4.14)：依季節區分，接收功率與溫度之斜率的累積天數分佈圖，上圖為夏季，下圖為秋季。 圖(4.4.15)：依季節區分，接收功率與溫度的截距累積天數分佈圖，上圖為夏季，下圖為秋季。 表(3-1)：中華衛星一號基本規格表。 表(3-2)：華衛一號上三個實驗酬載之科學任務說明。 表(3-3)：RGT與TGT基本規格表。 表(3-4)：光學雨量計基本規格表。 表(3-5)：接收訊號處理盒及信號線受溫度高低影響之資料 表(4-1)：RGT檢修一覽表。 表(4-2)：TGT檢修一覽表。 表(4-3)：TGT 2003.4.12日測試數據
參考文獻	參考文獻 Chakraborty, D., F. Davarian, and W. L. Stutzman, The Ka-Band Propagation Measurements Campaign at JPL,IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 35, No. 1, February 1993 Shih, Shun-Peng, and Yen-Hsyang Chu, Ka Band Propagation Experiments of Experimental Communication Payload (ECP) on ROCSAT-1 – Preliminary Results, Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences TAO, Supplementary Issue, 145-164, March 1999 Crane, R.K., Estimating Risk for Earth-Satellite Attenuation Prediction, Proceedings of the IEEE, Vol. 81, No. 6, June 1993 Shih, Shuen-Peng, and Yen-Hsyang Chu, Studies of 19.5 GHz Sky Radiometric Temperature: Measurements And Applications,中華衛星一號科學成果研討會, September 1999 Alouini, Mohamed-Slim, Scott A. Borgsmiller, and Paul G. Steffes, Channel Characterization and Modeling for Ka-Band Very Small Aperture Terminals Gedney, Richard T., and Thom A. Coney, Effective Use of Rain Fade Compensation for Ka-Band Satellites, 3rd Ka Band Utilization Conference Sorrento, Italy, September 1997 Crane, R.K., Prediction of Attenuation by Rain, IEEE Transactions on Communications, Vol. Com-28, No. 9, September 1980 Goldhirsh, Julius, Cumulative Slant Path Rain Attenuation Statistics Associated with the Comstar Beacon at 28.56 GHz for Wallops Island, VA, IEEE Transactions of Antennas and Propagation, Vol. AP-27, No. 6, November 1979 Goldhirsh, Julius, Slant Path Fade and Rain-Rate Statistics Associated with the COMSTAR Beacon at 28.56 GHz for Wallops Island, Virginia over a Three-Year Period, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-30, No. 2, March 1982 Smoot, G.F., S.M. Levin, A. Kogut, G. De Amici, and C. Witebsky, Atmospheric emission variation measurements at 3, 0.9, and 0.33 cm wavelength, Radio Science, Vol 22, No. 4, Pages 521-528, July-August 1987 Ingold, T., R. Peter, and N. Kampfer, Weighted mean tropospheric temperature and transmittance determination at millimeter-wave frequencies for ground-based applications, Radio Science, Vol. 33, No. 4, Pages 905-918, July-August 1998 Matricciani, Emilio, Prediction of fade durations due to rain in satellite communication systems, Radio Science, Vol. 32, No. 3, Pages 935-941, May-June 1997 Slobin, Stephen D., Microwave noise temperature and attenuation of clouds:Statistics of these effects at various site in the United States, Alaska, and Hawaii, Radio Science, Vol. 17, No. 6, pages 1433-1454, November-December 1982 Vogel, W.J., Measurements of satellite beacon attenuation at 11.7, 19.04, and 28.56 GHz and radiometric site diversity at 18.6 GHz, Radio Science, Vol. 17, No. 6, pages 1511-1520, November-December 1982 Roddy, Dennis, Satellite Communications, Second Edition, McGraw-Hill Ippolito Jr., L.J., Radiowave Propagation in Satellite Communication, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1986 Davies, K., Ionospheric Radio Propagation, Department of Commerence, U.S. Government Printing Office, Washington D.C., 470pp, 1965 Chu, T.S., Rain-Induced Cross-Polarization at Centimeter and Millimeter Wavelength, The Bell System Technical J., Vol.53,No.8,pp.1557-1579, October, 1974 施順鵬，台灣地區Ka波段大氣傳播通道之研究，博士論文，國立中央大學，2002 李依穎，中華衛星一號Ka波段標識訊號大氣衰減之量測研究，碩士論文，國立中央大學，2001 蔡明嶧，利用中華衛星一號通訊酬載Ka波段標識訊號對閃爍效應的研究，碩士論文，國立中央大學，2001 葉日欣，低軌道Ka波段人造衛星標識訊號特性之研究，碩士論文，國立中央大學，2002 曾得浩, “中華衛星一浩低軌道衛星Ka波段雨衰減實驗與模型建立” , 碩士論文, 國立中央大學, 2003 郭致輝, “中華衛星一號Ka波段傳播實驗診斷分析” , 碩士論文, 國立中央大學, 2003
指導教授	朱延祥(Yen-Hsyang Chu)	審核日期	2004-6-17
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