太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算
电磁场的数值计算方法
电磁场的数值计算方法物理系0702班学生杜星星指导老师任丽英摘要：数值计算方法是一种研究并解决数学问题数值近似解的方法，广泛运用于电气、军事、经济、生态、医疗、天文、地质等众多领域。
本文综述了电磁场数值计算方法的发展历史、分类，详细介绍了三种典型的数值计算方法—有限差分法、有限元法、矩量法, 对每种方法的解题思路、原理、步骤、特点、应用进行了详细阐述, 并就不同方法的区别进行了深入分析, 最后对电磁场数值计算方法的应用前景作了初步探讨。
关键词：电磁场；数值计算；有限差分法；有限元法；矩量法引言自从1864年Maxwell建立了统一的电磁场理论，并得出著名的Maxwell方程以来，经典的数学分析方法是一百多年来电磁学学科发展中一个极为重要的手段, 围绕电磁分布边值问题的求解国内外专家学者做了大量的工作。
在数值计算方法之前, 电磁分布的边值问题的研究方法主要是解析法，但其推导过程相当繁琐和困难,缺乏通用性,可求解的问题非常有限。
上个世纪六十年代以来,伴随着电子计算机技术的飞速发展,多种电磁场数值计算方法不断涌现,并得到广泛地应用,相对于解析法而言,数值计算方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。
但各种数值计算方法都有一定的局限性,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，因此如何充分发挥各种方法的优势,取长补短,将多种方法结合起来解决实际问题,即混合法的研究和应用已日益受到人们的关注。
本文综述电磁场的数值计算方法，对三种常用的电磁场数值计算方法进行分类和比较。
1电磁场数值计算方法的发展历史在上世纪四十年代，就有人试探用数值计算的方法来求解具有简单边界的电磁场问题，如采用Ritz法[1]，以多项式在整个求解场域范围内整体逼近二阶偏微分方程在求解域中的解。
五十年代，采用差分方程近似二阶偏微分方程，诞生了有限差分数值计算方法，开始是人工计算，后来采用机械式的手摇计算机计算，使简单、直观的有限差分法得到应用和发展，该方法曾在欧、美风行一时。
电磁波大气衰减曲线
电磁波大气衰减曲线1. 介绍电磁波在自然界中传播时会受到空气等大气成分的影响，导致信号的减弱。
电磁波大气衰减曲线描述了电磁波在传播中的衰减情况。
本文将讨论电磁波大气衰减的原因、影响因素以及衰减曲线的类型和应用。
2. 电磁波的大气衰减原因大气成分和结构对电磁波的传播产生吸收、散射和其他影响，导致信号强度下降。
以下是电磁波大气衰减的主要原因：2.1 透射损失电磁波在大气中传播时会发生透射损失，即部分能量被大气吸收。
这主要是由于水分子和氧分子在特定频段会吸收电磁波。
不同频段的电磁波受到的透射损失不同，因此导致衰减情况也不同。
2.2 散射损失电磁波在大气中传播时会发生散射，即电磁波在大气中碰撞后改变传播方向。
这种散射现象导致电磁波在传播过程中损失能量。
散射现象的强度与电磁波频率和大气中颗粒（如尘埃、烟雾）的浓度有关。
2.3 天线高度天线高度也会影响电磁波的大气衰减情况。
天线高度越高，大气衰减越小，信号强度损失越小。
因此，在无线通信系统中，提高天线高度可以减小大气衰减带来的影响。
3. 影响电磁波大气衰减的因素除了上述原因外，还有一些因素会影响电磁波大气衰减的程度。
3.1 频率不同频率的电磁波在大气中传播时受到的衰减程度不同。
一般来说，高频电磁波受到的大气衰减较小，而低频电磁波受到的大气衰减较大。
这是由于不同频率的电磁波与大气成分相互作用的方式不同。
3.2 大气湿度大气湿度也是影响电磁波大气衰减的重要因素。
湿度越高，电磁波在大气中的衰减越严重。
这是因为水蒸汽对电磁波有强烈的吸收作用。
3.3 大气温度大气温度对电磁波的传播也有影响。
一般来说，大气温度越高，电磁波的传播衰减越小。
这是由于高温会减小大气中水蒸汽的浓度，从而降低湿度对电磁波的影响。
3.4 天线高度与地形天线高度和信号源与接收器之间的地形也会影响电磁波的大气衰减。
天线高度越高、地形越平坦，大气衰减越小，信号传播损失越小。
4. 电磁波衰减曲线类型根据电磁波频率和距离的关系，可以分为几种不同类型的大气衰减曲线。
一篇文章了解太赫兹
太赫兹波段自从19世纪后期正式命名之后，收到欧美日中等多个国家的高度关注，各国纷纷将其入选改变世界的技术评比之中。
尤其是中国，在当今的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。
自从正式命名之后，涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少，在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器，因此这一波段一度被称为T er ah er t z G ap“太赫兹鸿沟”。
由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。
太赫兹波太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0T Hz的电磁波，波长范围为0.03~3.00m m，介于微波频段与红外之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段，兼具二者的优点。
太赫兹电磁波频谱太赫兹波的优越特性由于太赫兹在电磁波谱中有着特殊的位置，因此，它有一系列的优越性，而这优越性使其具有很好的应用前景。
其主要特性如下：1波粒二相性太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性。
太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性，在与物质相互作用时，太赫兹波显示出了粒子特性。
2高透性太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。
另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。
3安全性相对于X射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏的数量级。
它的能量低于各种化学键的键能，因此它不会引起有害的电离反应。
这点对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用至关重要。
另外，由于水对太赫兹波有非常强烈的吸收性，太赫兹波不能穿透人体的皮肤。
因此，即使强烈的太赫兹辐射，对人体的影响也只能停留在皮肤表层，而不是像微波可以穿透到人体的内部。
电波传播理论
其中：f----工作频率，MHz h1---基站天线高度，m h2---移动台天线高度m d---到基站的距离，km a(h2)---移动台天线高度增益因子，dB a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城 市) =3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市) s(a)---市区建筑物密度修正因子，dB; s(a)=30-25lga (5%<a≤50%) =20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%<a≤5%) =20 (a≤1%)=69.55+26.16Log(f)-13.82Log(hb)+(44.9- 65.5Loghb)Logd-Ahm 其中对中等或大城市Ahm=(1.1Log(f)-0.7)hm-(1.56Log(f)-0.8)
( m) (m)
电磁波的绕射
在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕 过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的 绕射。 波的绕射主要是对遮挡物后面的“阴影区” 研究。 波长越短（即频率越高）绕射能力越差， 反之则较强。
波的绕射在覆盖中的影响
超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱， 在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴 影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑 物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离 有关，还和频率有关。 频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近， 信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频 率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远， 影响越小。
电磁波传播基本理论
电磁波在自由空间中的传输损耗
Pt
d
Pr
pt λ pr = Gt Gr ( ) 2 4πd 4π
2
接收功率推导公式
第三章大气、云、降水对电磁波的衰减-南京大学
A = aZ b
Hitschfeld-Bordan solution
g( r) = exp -0.46b ò 0 A( l) dl
r
r
[
]
Z (r ) = Z ¢(r ) é1 - 0.46ba ò Z ¢ b (l ) dl ù ê ú 0 ë û
-1/ b
H-B solution is not stable
由于衰减作用，对于同一降雨带可能波长较长的雷 达能准确探测到，而波长较短的却不一定。
雨的衰减系数kp(dB/km) 雨强 (mm/h) 0.5 1 5 10 20 50 100 200
波 长 (cm)
0.9
0.11 0.22 1.1 2.2 4.4 11 22 44
3.2
0.003 0.007 0.061 0.151 0.375 1.25 3.08 7.65
5.6
0.001 0.002 0.014 0.033 0.0732 0.214 0.481 1.083
10.0
0.00015 0.0003 0.0015 0.003 0.006 0.015 0.030 0.060
减少
随着波长的增加，雨对雷达波的衰减迅速减小。当波长等于10cm时，雨强 达到100mm/h，所产生的衰减系数也小于0.03dB/km。但是在3cm波长时， 衰减相当严重，穿过径向尺度为100km、雨强为10mm/h的降水区，回波信 号的衰减可达30dB。5.6cm波长的电磁波，在穿过径向尺度为100km、雨强 为20mm/h的降水区，回波信号的总衰减量也可达15dB。
；
云中液态水含量一般在1 - 2.5 g/m3，浓积云上部可达40 g/m3;
冰云中的含水量很少超过0.5 g/m3，通常小于0.1 g/m3 。 与复折射指数 m，波长 都有关系。 ，温度 T ，以及粒子的相态
二.2电磁波的衰减
可以把雨的衰减表示 为降水率R的函数。 降水率取决于液态水 含量和雨滴的降速， 而雨滴的降速又取决 于雨滴的尺寸。
每公里的衰减分贝数为：
r0
∫ KR = [R(r)]a dr 0
X波段
S波段
雨的衰减
总之λ＝10cm（S波段雷达），雨的衰减小 到可以忽略。即使在降水强度为10 mm/h的中雨 时，衰减系数也小于0.02dB/km。当λ＝3.2cm （X波段的雷达），衰减很大，以至于在雷达探 测中必须考虑雨的衰减影响。波长5.7cm的雷达 波的衰减情况介于10cm和3.2cm波长之间，大雨 时有较大的衰减，应该考虑。
衰减对气象雷达信号的不利影响： 一、由于衰减的存在，同一方向上远处降雨的后向 散射的定量测量比近处难得多。－距离 二、如果传输过程的衰减太大，则强吸收区后面的 降雨单元的回波有可能被完全衰减掉。—V缺口
天气雷达需要测定传播路径上衰减大小，从而 通过算法修正来检测出远目标的真实回波强度。
冰雹回波特征：“V”形缺口
湿雪的衰减：湿雪对雷达波的衰减要比干雪 大得多，因为湿雪外面包有一层水膜，其误差截 面将为同体积水球的10倍左右。
冰雹对雷达波的衰减
冰雹的衰减是雨的1％，表面溶化的冰雹情况 不一样。
溶化的冰粒产生更强的后向散射，这一现象 会导致在零度等温线附近出现雷达所发现的“亮 带”，对C波段的雷达会出现“V”字型缺口。（层 状云的零度层亮带）
0
氧气对雷达波的吸收 100
水汽对雷达波的吸收 10-1
λ=1.35：强吸收带。 10-2
0.5cm 氧气吸收线
对于厘米波长的电磁波，水 汽引起的衰减很小，当波长 为10cm时衰减可以忽略。
10-3 1.35cm 水汽吸收线
太赫兹电磁波空气的传输损耗
太赫兹电磁波空气的传输损耗太赫兹电磁波空气的传输损耗与大气特性相关，了解这一点对于深入探讨太赫兹电磁波在通信和传感领域的应用至关重要。
在本文中，我们将从简单的概念开始，逐步深入，详细探讨太赫兹电磁波在空气中的传输损耗，并分析其影响因素和应用前景。
1. 太赫兹电磁波空气传输损耗的基本概念太赫兹电磁波是指频率介于红外光和微波之间的电磁辐射波段，波长范围大约在0.1毫米到1毫米之间。
这一波段的电磁波具有穿透力强、非电离辐射、对生物安全无害等特点，因此在通信、成像、安检等领域具有广阔的应用前景。
然而，正是由于其特殊的频率和波长特性，太赫兹电磁波在空气传输过程中会发生一定程度的传输损耗，限制了其在实际应用中的性能表现。
2. 太赫兹电磁波在空气中的传输特性空气对太赫兹电磁波的传输损耗主要受到频率、大气湿度和气压等因素的影响。
在一般情况下，太赫兹电磁波与大气中的气体和水汽分子发生相互作用，导致能量的逐渐衰减和吸收，从而产生传输损耗。
空气中的气压和温度也会对太赫兹电磁波的传输性能产生一定影响。
在实际应用中需要充分考虑这些因素，以提高太赫兹电磁波的传输效率和性能稳定性。
3. 影响太赫兹电磁波空气传输损耗的因素太赫兹电磁波在空气传输过程中的损耗主要受到频率、大气湿度、气压和温度等因素的影响。
频率直接影响了太赫兹电磁波与空气分子间的相互作用方式，高频率下太赫兹电磁波更容易被空气吸收。
大气湿度也是一个重要影响因素，水汽能够吸收太赫兹波辐射，特别是在高湿度环境下，传输损耗将更加显著。
气压和温度会影响大气密度和分子振动等参数，从而改变太赫兹电磁波的传输性能。
4. 太赫兹电磁波空气传输损耗的应用前景尽管太赫兹电磁波在空气中存在一定的传输损耗，但其在通信、成像和安检等领域的应用前景依然非常广阔。
通过对太赫兹电磁波的传输损耗进行深入研究和理解，可以有针对性地优化相关设备和技术，提高太赫兹电磁波的传输效率和性能稳定性，从而推动相关领域的发展和应用。
电磁波在传播中的大气气体吸收衰减薛成斌
电磁波在传播中的大气气体吸收衰减薛成斌发布时间：2023-06-24T01:52:34.717Z 来源：《中国科技信息》2023年7期作者：薛成斌[导读] 电磁波在传播过程中会受到大气气体吸收衰减的影响，这是由于大气分子中的自由电子和极化效应导致的。
大气气体的吸收率与电磁波的频率相关，高频电磁波比低频电磁波更易被大气气体吸收。
在可见光范围内，大气气体主要吸收紫外线和红外线，而对于无线电信号等高频电磁波来说，水汽、氧气和二氧化碳是吸收的主要因素。
其中，水汽对微波信号的吸收最强，尤其是在雨天或雾天时，会严重影响无线电信号的传输距离和质量。
而在较高频率的毫米波段，氧气和二氧化碳则是主要的吸收因素。
这也是为什么毫米波通信需要更密集的基站布设以保证信号的稳定性和可靠性。
针对大气气体吸收衰减的影响，在实际的通信应用中可以采取一些措施，例如选择合适的频段、增加信号功率、优化天线设计等。
同时，也可以通过使用通信卫星等技术来规避大气气体吸收衰减对信号传输的影响。
中国电子科技集团公司第二十二研究所重庆 404100摘要：电磁波在传播过程中会受到大气气体吸收衰减的影响，这是由于大气分子中的自由电子和极化效应导致的。
大气气体的吸收率与电磁波的频率相关，高频电磁波比低频电磁波更易被大气气体吸收。
在可见光范围内，大气气体主要吸收紫外线和红外线，而对于无线电信号等高频电磁波来说，水汽、氧气和二氧化碳是吸收的主要因素。
其中，水汽对微波信号的吸收最强，尤其是在雨天或雾天时，会严重影响无线电信号的传输距离和质量。
而在较高频率的毫米波段，氧气和二氧化碳则是主要的吸收因素。
这也是为什么毫米波通信需要更密集的基站布设以保证信号的稳定性和可靠性。
针对大气气体吸收衰减的影响，在实际的通信应用中可以采取一些措施，例如选择合适的频段、增加信号功率、优化天线设计等。
同时，也可以通过使用通信卫星等技术来规避大气气体吸收衰减对信号传输的影响。
关键词：电磁波；传播；大气；气体一、引言电磁波是一种具有波动性质和电磁性质的物理现象，其在自由空间中传播时会受到各种因素的影响。
太赫兹波段的吸收、衍射和自由空间路径损耗模型(IJEM-V10-N1-5)
Absorption, Diffraction and Free Space Path Losses Modeling for the Terahertz Band
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1. Introduction
Machine-type communications such as the Virtual reality applications, Internet of Things, Internet of Everything, vehicles Ado networks, Artificial intelligence, etc are expected to play an important role in the future wireless networks [1,2]. Especially in industry requiring automation, communication, safety for increased productivity. Edholm notes, is that we may someday see the end of wire line [3] and Moore's law is the observation that the number of transistors in a dense integrated circuit doubles about every two year [4]. This implies bandwidth scarcity in future due to the escalating rate of interconnected devices. Also, the current long term evolution advance (LTE/LTE-A) cellular networks cannot handle such gigantic connections since user terminals at the cell boundary experience very high interference, and therefore perform badly [5]. Furthermore, orthodox cellular systems are designed mainly for human users [1]. The use of a wide range of spectrum in the forth coming fifth generation (5G) communication network including the millimeter wave (MmWave) with its ability to provide large bandwidth from hundreds of MHz to several GHz range is able to offer much more bandwidth and connectivity than the traditional microwave communication below the 6GHz band [2]. Although the data rate provided by mmWave band can attain several Gbps, it is still not adequate to meet the requirement of the increasing data traffics in future wireless communications such as the future wireless local area networks (WLAN) and the wireless personal area networks (WPAN) systems with data rate of 10X Gbps [6]. Also, the least data rate of virtual reality (VR) devices is in the range of 10 Gbps while the data rate of uncompressed ultra-high-definition videos and 3D videos will reach 24 Gbps and 100 Gbps, respectively [6] leading to the need for an urgent research for much higher frequency resources.
电磁场数值计算方法
电磁场数值计算方法引论计算电磁学：现代数学方法、现代电磁场理论与现代计算机相结核的一门新兴学科。
目的：求解电磁场分布以及计算电磁场与复杂目标的相互作用。
电磁场计算方法分类分类方法按数学模型：微分方程、积分方程、变分方程。
按求解域：频域、时域法。
按近似性：解析法、半解析法、渐进法和数值法。
1、解析法求出电磁分布的数学表达式。
其优点：（1）、精确（2）、参数改变时不要重新推导（3）、解中包含了对某些参数的依赖关系，容易发现规律性主要方法有：分离变量法、级数展开法、格林函数法、保角变换法和积分变换法。
缺点：只有个别情况才能用解析法解决，一般情况较难应用。
2、渐进法由求解物体的线度l与波长λ的关系可以划分为（1）、低频区。
lλ≈（2）、谐振区。
lλ（3）、高频区。
lλ低频区：静态场近似，电路近似（等效电路）高频区：光学近似。
GO 几何光学法 GTD 几何绕射光学UTD 一般几何绕射 UAT 一致渐进理论PTD 衍射的物理理论 STD 衍射谱理论缺点：求解复杂系统的电磁场问题时可能引起大的误差，只能应用于简单的电大系统。
3、数值法把数学方程离散化，把连续问题化为离散问题，把解析方程化为代数方程。
把连续连续的场分布转换为计算离散点的场值或者表达场的级数表达式的数值化系数。
（1）、有限差分法——求解电磁场满足的微分方程。
（麦氏方程、泊松方程以及波动方程）△、用差商近似代替导数，用查分近似代替微分。
△、把微分方程转化为差分方程（代数方程）。
特点：简单，物理概念明确。
（2）、矩量法——求解电磁场积分方程。
△、把未知函数展开为选定基函数表示的级数，存在未知函数。
△、把求解未知函数问题转变为求解系数问题。
△、再选择合适权函数，计算加权平均意义下的误差。
△、令误差为零，积分方程变为关于系数的代数方程。
△、矩量法在应用时若直接采用分解法和迭代法求解则计算量非常大，例如计算电大目标散射问题的计算，为解决这个问题，产生了一系列的快速算法。
大气损耗
ITU-R P.676-6建议书修订草案无线电波在大气气体中的衰减(ITU-R 201/3号研究课题)（1990-1992-1995-1997-1999-2001-2005）国际电联无线电通信全会，考虑到a）评估无线电波在地球表面和倾斜路径由于大气气体造成衰减的必要性，建议1对于一般应用，最高至1000 GHz频率上，应采用附件1中的方法来计算大气气体造成的衰减（MA TLAB中的软件编号见无线电通信局）；21-350 GHz频率范围，应采用附件2中计算强度比较小的方法计算大气气体造成衰减的近似值。
附件 1逐线计算无线电波在大气气体中的衰减1 特征衰减最高至1 000 GHz频率上的无线电波在大气中的特征衰减主要由于干燥空气和水汽所造成。
在任何压力、任何温度和任何湿度下，采用累加氧气和水汽各自谐振线的方法，可以相当准确地计算无线电波在大气气体中的特征衰减。
这一方法同时也考虑了一些其他相对影响较小的因素，如10 GHz以下氧气的非谐振的Debye频谱，100 GHz以上的主要由大气压力造成的氮气衰减和计算实验上发现的过多水汽吸收的潮湿连续带。
下图1给出了在气压1013 hPa、温度15 ℃、水汽密度为7.5 g/m3（曲线A）和水汽密度为0的干燥空气（曲线 B）两种情况下，0-1000 GHz频带的无线电波在大气中的特征衰减（步长为1 GHz）。
图2详细给出了在60 GHz附近频率，在海平面的大气压力作用下，许多氧气吸收线合并形成一个宽的吸收带。
该图也表明：在更高的高度上的氧气衰减，其各线在更低的压力上变得清晰。
附件2中列出了在有限的气象条件下的简化算法，在不需要特别高的准确性时，该方法可以快速和近似地计算最高到350 GHz频率的无线电波在大气中的衰减特性。
图1由于大气气体造成的无线电波的衰减率，以1 G H z 为步长，包括线中心（标准：7.5 g /m 3；干燥：0 g /m 3）图2在50-70 G H z 频带内所示高度区的衰减率（0 k m ，5 k m ，10 k m ，15 k m 和 20 k m ）特征大气衰减值γ的计算方法如下：dB/km )(1820.0f "N f w o =γ+γ=γ （1）其中：γo （单位dB/km ）是干燥空气条件下的特征衰减（仅指氧气条件下，由于大气压力造成的氮和非谐振Debye 衰减）。
太赫兹大气衰减-概述说明以及解释
太赫兹大气衰减-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：太赫兹波段作为电磁波谱中的一个重要频段，具有巨大的潜力和应用前景。
然而，由于地球大气对太赫兹波段的很高吸收和散射，导致太赫兹信号在传输过程中受到严重的衰减。
大气衰减是制约太赫兹技术应用的一个关键问题，也是当前太赫兹研究面临的挑战之一。
本文将系统探讨太赫兹大气衰减的机制、影响以及应对措施，旨在深入了解太赫兹波段的特性，为克服大气衰减问题提供理论基础和实践指导。
1.2 文章结构文章结构部分应包括关于整篇文章的组织安排和主要内容提要。
在这篇关于太赫兹大气衰减的文章中，文章结构可以简要描述如下：本文分为三个主要部分：引言、正文和结论。
引言部分将首先概述太赫兹波段和大气衰减的背景以及重要性。
接着介绍文章的结构，即本文将主要讨论太赫兹大气衰减的影响，大气对太赫兹波段的影响以及大气衰减的机制。
正文部分将具体分为三个小节：太赫兹波段介绍、大气对太赫兹波段的影响以及大气衰减机制。
每个小节将详细解释这些内容，并提供相关的实例和研究结果来支持论点。
结论部分将总结太赫兹大气衰减的影响，讨论如何应对太赫兹大气衰减的措施，并展望未来研究方向。
这部分将对整篇文章的主要内容进行概括和总结，为读者提供对太赫兹大气衰减问题的深入思考和启发。
通过清晰地展示文章的结构，读者可以更容易地理解整篇文章的主要内容和论点，增强文章的逻辑性和连贯性，提高读者对文章的阅读和理解。
1.3 目的本文的主要目的是探讨太赫兹波段在大气中的衰减现象。
通过深入分析太赫兹波段的特性和大气对其影响的原因，我们希望能够更好地了解大气衰减对太赫兹通信和传感应用的影响。
同时，我们将介绍目前针对太赫兹大气衰减问题的解决方案和未来的研究方向，以期为太赫兹技术的发展提供有益的参考和启示。
通过本文的研究，我们希望能够为太赫兹技术在通信、生物医学、安全检测等领域的应用提供更好的支持和指导。
2.正文2.1 太赫兹波段介绍太赫兹波段位于微波和红外之间，波长范围从0.1毫米到1毫米，对应频率范围从300 GHz到3 THz。
光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算
光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性，利用麦克斯韦方程及其边界条件，计算了近远场的电场强度；采用电磁波时域有限差分方法(FDTD)，在Matlab系统软件中，用C语言编写程序计算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空间电磁场分布，并在计算机上以伪彩色图形显示，这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供了直观的物理依据。
太赫兹波是指波长范围为3m～3mm(011～10THz)之间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。
随着超快激光技术和低尺度半导体技术的发展，使THz电磁波的产生技术，THz辐射机理的研究，THz检测技术和应用技术得到迅速的发展。
目前，产生脉冲THz 辐射的方法主要有两种：光电导天线产生THz电磁波和光整流产生THz。
前者是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体，通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹辐射；光整流是一种非线性效应，是用飞秒激光脉冲和非线性介质(LiNbO3，LiTaO3，ZnTe等)相互作用产生低频极化场也可以辐射出THz电磁波。
近年来，国内外有不少关于光电导天线产生THz电磁波的文献报道。
Darrow等对光电导天线产生太赫兹波的理论进行了详细的解释，并且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作为光电导天线的基质材料产生太赫兹辐射进行了对比。
Hattori等研究了大孔径光电导天线产生太赫兹波的时间特性，考虑了半导体载流子寿命和弛豫时间对太赫兹辐射的影响。
大孔径光电导天线在强激光脉冲的照射下会产生饱和现象，Darrow等等分别进行了理论模拟，得出了半导体表面的辐射电场对偏置电场的屏蔽效应是产生饱和现象的主要原因。
施卫等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线产生太赫兹波的辐射特性进行了相关研究。
在国内外研究的基础上，对光电导天线产生太赫兹波的微观机制进行理论分析和计算，用麦克斯韦方程及其边界条件计算了光电导体的表面电流和近远场的辐射电场，通过计算可以看出近场条件下太赫兹波的辐射强度正比于表面电流，远场条件下太赫兹波的辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。
电磁波的信号衰减如何计算？
电磁波的信号衰减如何计算？在我们的日常生活中，电磁波无处不在，从手机通信、无线网络到广播电视等等。
然而，电磁波在传播过程中，其信号强度往往会逐渐减弱，这就是所谓的信号衰减。
理解和计算电磁波的信号衰减对于优化通信系统、确保信号质量以及解决各种与电磁波相关的问题至关重要。
首先，我们需要明白什么是电磁波的信号衰减。
简单来说，信号衰减就是电磁波在传播过程中，其能量逐渐减少的现象。
这就好像你向远处扔一个球，随着距离的增加，球的速度和力量都会逐渐减小。
电磁波的信号衰减主要有两个原因：一是传播损耗，二是障碍物的影响。
传播损耗是由于电磁波在空间中扩散导致的能量分散。
想象一下，你拿着一个手电筒，光线从手电筒中射出后，会随着距离的增加而变得越来越弱，因为光线在不断地扩散。
电磁波也是如此，它在传播时会向四面八方扩散，从而导致单位面积上的能量减少。
这种传播损耗通常可以用自由空间传播模型来计算。
自由空间传播模型中，信号衰减与距离的平方成反比，与电磁波的频率也有关系。
公式为：L ＝ 3244 ＋ 20log(d) ＋ 20log(f) 。
其中，L表示信号衰减（单位为 dB），d 是传播距离（单位为千米），f 是电磁波的频率（单位为 MHz）。
举个例子，如果一个频率为 24GHz 的电磁波在空气中传播了 100米（01 千米），那么根据上述公式计算，信号衰减大约为 60dB 。
除了传播损耗，障碍物对电磁波信号的衰减也不可忽视。
常见的障碍物如建筑物、山脉、树木等都会吸收、反射或散射电磁波，从而导致信号减弱。
不同的障碍物对电磁波的衰减程度不同。
比如，混凝土墙壁对电磁波的衰减通常比木质墙壁要大。
对于障碍物引起的信号衰减，通常需要通过实际测量或者参考相关的资料来获取具体的衰减值。
例如，一般的玻璃窗可能会造成 3 6dB的信号衰减，而厚厚的砖墙可能会造成 10 20dB 的衰减。
在实际的通信环境中，计算电磁波的信号衰减往往更加复杂，因为可能同时存在多种因素的影响。
电磁波衰减
[吸收系数]absorption coefficient 又称“衰减系数”当电磁波进入岩石中时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的强度随进入距离的增加而衰减，这种现象又称为岩石对电磁波的吸收作用。
吸收或衰减系数β的大小和电磁波角频率ω、岩石导电率σ、岩石导磁率μ、岩石介电系数ε有关，1)1(2222-+=δωσμεωβ。
在导体中则简化为：2ωμσβ=。
第十六章机械波和电磁波振动状态的传播就是波动,简称波.激发波动的振动系统称为波源16-1机械波的产生和传播1. 机械波产生的条件(1)要有作机械振动的物体,亦即波源.(2)要有能够传播这种振动的介质波源处质点的振动通过弹性介质中的弹性力，将振动传播开去，从而形成机械波。
波动（或行波)是振动状态的传播，是能量的传播，而不是质点的传播。
◆ 质点的振动方向和波的传播方向相互垂直,这种波称为横波.◆ 质点的振动方向和波的传播方向相互平行,这种波称为纵波.2.波阵面和波射线● 在波动过程中,振动相位相同的点连成的面称为波阵面（wave surface）● 波面中最前面的那个波面称为波前（wave front）● 波的传播方向称为波线（wave line）或波射线波面波线平面波球面波3. 波的传播速度由媒质的性质决定与波源情况无关● 液体和气体中纵波传播速度B－介质体变弹性模量ρ－介质密度●在固体中G－介质切变模量Y－介质杨氏模量4.波长和频率● 一个完整波的长度,称为波长.● 波传过一个波长的时间,叫作波的周期● 周期的倒数称为频率.振动曲线波形曲线图形研究对象某质点位移随时间变化规律某时刻，波线上各质点位移随位置变化规律物理意义由振动曲线可知周期T. 振幅A 初相φ0某时刻方向参看下一时刻由波形曲线可知该时刻各质点位移,波长λ，振幅 A只有 t=0 时刻波形才能提供初相某质点方向参看前一质点特征对确定质点曲线形状一定曲线形状随 t 向前平移16-2 平面简谐波波动方程● 前进中的波动,称为行波.● 描述介质中各质点的位移随时间变化的数学函数式称为行波的波动表式(或波动方程)设坐标原点的振动为：O 点运动传到 p 点需用时相位落后所以 p点的运动方程：1.平面简谐波的波动表式定义 k 为角波数又因此下述表达式等价：为波的相位● 波在某点的相位反映该点媒质的“运动状态”，所以简谐波的传播也是媒质振动相位的传播。
波分计算公式
1再生段光衰耗、色散、光信噪比、Q值、BER值、DGD值计算说明1.1衰耗受限计算采用最坏值法设计：L=（Ps-Pr-C）/a式中：Ps：为光放大器（OAU板）单信道的最小输出功率，单位为dBm。
光功率放大器OAU单信道输出功率取为＋1dBm。
Pr：为单信道接收端的最小允许输入功率，单位为dBm。
C：所有光连接器的衰减和，每个光连接器的衰减为0.5dB。
a：为光纤损耗系数（dB/km），包含了光纤衰减、光纤熔接衰减和光纤富裕度，默认值取0.275dB/km 。
衰耗受限距离计算：对于发端配置OAU（+1dB输出）、收端配置OAU(-32dB接收)的33dB的光中继段：L=（Ps-Pr-C）/a=[1-(-32)-2×0.5]/0.275=116km注：DWDM系统是OSNR受限系统，以上数据仅表明光放大器的在此距离内是不受限的。
本次工程站间距离及衰减已经过测试，指标值标注在传输系统配置图中。
1.2色散受限距离计算DCM的补偿方法详见3.1色散容限配置部分。
1.3级联光放大器时的光信噪比OSNR计算(1)、单个放大器产生的ASE噪声功率：一个光放大器产生的自发辐射噪声功率PASEˊ为PASEˊ=2Nsp(G-1)hv·△v（mw）式中：Nsp是放大器自发辐射因子v是光中心频率h是普朗克常数G是放大器的增益(倍数)△v是光接收机的带宽(取0.1nm)。
进而可以推导出，一个光放大器产生的以dBm计的自发辐射噪声功率：PASE = -58 + NFi + Gi（dBm）(1) 其中：NFi为光放大器噪声系数（dB）；Gi为光放大器的增益（dB）。
(2)、复用通路光接收机输入端的信噪比①、系统模型包括N个级联光放大器的WDM系统模型如下图所示图中：L1、L2、… Ln-1分别是第1、2、… n-1个区段的衰减(dB)；G1、G2、… Gn分别是第1、2、… n个光放大器的增益(dB)。
②、各光放大器产生的ASE噪声功率利用已经推导出的公式，首先分别计算出每个光放大器产生的ASE噪声功率PASEi (dBm)。
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太赫 兹 （ ＴＨｚ ） 波通 常是 指频 率 在 ０ ． ３ ～１ ０ ＴＨｚ 范 围内 的电磁 波 ， 处 于科 学技 术发 展 相对 较 好 的微 波毫 米
波 与红外 线光 波 之 间 ， 是光 子学 技 术与 电子 学技 术 、 宏 观 与微 观 的过渡 区域 。长期 以来 ， 由于 缺 乏有 效 的 ＴＨｚ
波产 生 和检测 技术 ， 对 该波 段 的电磁 辐射 性质 了解 非 常有 限 ， 因此被 称 为 ＴＨｚ 空 隙 。ＴＨｚ波所 处 的特 殊频 段
大气 对 ＴＨｚ有非 常 明显 的连续 和线 吸收 作用 ， 表现 为 衰减 系 数 随频 率缓 慢 上 升 的 同时 呈振 荡 分 布 ， 存 在 多 个 吸收 峰 和透射 窗 口。由于 目前 ＴＨｚ 辐射 源功 率还 无法 做 到足 够 大 ， 因此 要 实 现 对 流层 中 Ｔ Ｈｚ 通 信及 雷 达 等 应用 ， 掌握 不 同湿度 、 温度、 压强、 组分 条件 下 的 Ｔ Ｈｚ 频 段大 气窗 口的位置 和宽 度 ， 是 发展 利用该 频 谱资 源 的基 础 条 件 。因此 ， 各 国学 者对 ＴＨｚ电磁 波 的大气 传播 特性 开 展 了较 多 研究 。但是 ， 这 些 工 作 以基 于 时域 光 谱 系 统 的 实验 为主 ， 其结 果具 有诸 多 局 限性 。本文 利用 基 于分 子谱 线 数据 的逐 线 积分 方 法 ， 从 理论 角 度对 ＴＨｚ大 气 吸 收衰减 进行 了计 算 和分 析 。
选取了处理大气非均匀路径吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法发展计算程序并基于hitran分子谱线数据对水汽氧气臭氧氮气二氧化碳等单组分气体分子对太赫鳆辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置
第 ２ ５卷第 ６期
２ ０ １ ３年 ６月
重 叠 等 大气 辐射 传输 问 题 的 最 精 确 方 法 — — 逐 线 积分 法 ， 发展计算程序 ， 并 基 于 ＨＩ ＴＲ ＡＮ 分 子 谱 线 数 据 ， 对 水
汽、 氧气 、 臭 氧、 氮气 、 二 氧 化 碳 等 单 组 分 气 体 分 子 对 太 赫 兹 辐 射 传 输 的 吸 收 衰 减 情 况 进 行 了计 算 与 分 析 ， 并 给 出 了在 太 赫 兹 电 磁 波 大 气 传 输 衰 减 中 占 主要 因 素 的水 汽 和 氧 气 的 衰 减 峰 位 置 。
使其 在 物理 、 化学 、 天 文学 、 分 子光谱 、 生 命科 学等 基础 研 究领 域 以及 医学 成像 、 环 境 监测 、 材料 检 测 、 射 电天 文 等方 面均 有重 大应 用价 值 ＿ １ ＿ ３ ＿ 。但 是 ， 大气 对太 赫兹 辐射 传 输存 在 一 定 的 非协 作 性 ， 即存 在 吸收 衰减 。对 流 层
摘 要 ： 大气对太赫兹辐射传输 存在一定的非协作性 ， 即 存 在 吸 收 衰 减 。为 了实 现 太 赫 兹 辐 射 的有 效 应 用 必 须 细致 地 了 解 太 赫 兹 辐 射 大 气 传 输 的窗 口位 置 、 宽 度 及 大 气 透 过 率 。选 取 了处 理 大 气非 均 匀 路径 、 吸 收带
的级 差一 般对 应 于 中红外光 谱 区 ， 电子 能 的级 差 对 应 于 可见 光 和 紫外 区 。因此 ， ＴＨｚ的大 气 传输 主 要考 虑 分
子转 动 能级 变化 的影 响 。
２ Ｔ Ｈｚ 辐 射 大 气 吸 收 的 逐 线 积 分 方 法
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ Ｇ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ５ ，ＮＯ ． ６
Ｊ ｕ ｎ ．，２ ０ １ ３
文章编 号 ： １ ０ ０ １ — ４ ３ ２ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — １ ４ ４ ５ － ０ ５
１ 大气 分 子 光 谱 吸收 原 理
大 气对 太 赫兹频 段 电磁辐 射 的 吸收衰 减 主要 由两 部分 构 成—— 线 谱 和连 续谱 吸 收衰 减 （ 也 称过 剩 吸 收 ） 。
其 中线 谱 吸收ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ主要来 源 于大气 中水 蒸气 的分子 转动 跃迁 ， 是 ＴＨｚ 波 的吸收 衰减 的 主体 。按照量 子力 学 的基本 原理 ， 如果 忽 略不 同形 态 能量 之 间的相 互作 用 ， 则 孤 立分 子 的能量 可写 为ｌ ４
Ｅ — Ｅ ＋ Ｅ ＋ Ｅ ＋ Ｅ （ １ ）
式中 ： Ｅ 表示 电子 能 ； Ｅ 表示 振动 能 ； Ｅ 为转动能； Ｅ 为 平 动 能 。 当分 子 能量 由一 个 能态 跃迁 到另 一个 能态 时
就 吸 收或发 出辐 射 。被 吸收或 发射 的量 子 频率 由普 朗克 公式 给 出 ， 即
ＡＥ — ｈ ｖ （ ２）
式中： ｈ为普 朗克 常数 ； Ａ Ｅ为跃 迁 能量 。一 般跃 迁都 涉及 Ｅ ， Ｅ ， Ｅ 的 同时 变化 。分子 转 动能 级 的能 级差 Ａ Ｅ
在 １ ０ ～１ ０ 一 ｅ Ｖ， 对应 的吸收 或辐 射光谱 处 于微 波或 远红 外 （ ２ ． ４ ～２ ４ ＴＨｚ ） ， 正 好在 ＴＨｚ 频段 内 。振动 能级
太 赫 兹 电磁 波 大气 吸收 衰 减 逐 线 积 分 计 算
李瀚宇 。 ， 董志伟 。 ， 周海京 。 ， 周 逊
（ １ ．北 京 应 用 物 理 与 计 算 数 学 研 究 所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ９ ４ ； ２ ．中 国 工程 物 理研 究 院 激 光 聚 变 研 究 中 心 ， 成都 ６ １ ０ ０ ４ １ ； ３ ．中 国工 程 物 理 研 究 院 太 赫 兹 研 究 中 心 ，四川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）