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气象雷达雷达雷达的事例

为了减轻局部大雨和暴雨的破坏，国土交通省安装了XRAIN的X波段雷达 (8~12GHz)，能够进行高分辨率的准实时观测。
C波段雷达 (4~8GHz) 适用于广域观测，而XRAIN能够详细实时地观测局部暴雨^*1。
然而，频率较高的X波段的无线电波衰减量随着到达树脂表面的水膜而增加。

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。

如果不采取水膜措施，由于水膜衰减^*3，操作范围变得非常窄

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。

水膜对策的要点

通过在雷达罩表面涂覆接触角为 140 度或以上的疏水材料^*3，可以抑制水膜的形成。
^HIREC®兼具超疏水和耐用性，可使表面与水滴之间的接触角达到 150 度。
此外，它还具有自清洁功能，使其疏水性能能够保持约三年。

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) 《日本河流管理中的降水雷达观测》，国土交通省，2013年9月30日，http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf (1.7MB)
*2) “9GHz 频段气象雷达罩衰减降低技术改进研究报告”，先进通信技术研究发展中心，2009 年 3 月。
*3） “9GHz频段天气雷达雷达罩衰减对抗措施研究”，先进通信技术研究促进中心（AIST）

BS天线示例

降雨时天线的电波衰减

① 卫星和天线之间的降雨衰减
➁在天线下的雨中产生的水膜衰减

↓

HIREC大幅降低水膜引起的电波衰减!

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。

降雨期间无线电波的衰减不仅仅是由于卫星和基站天线之间的降雨造成的，也就是说，并非仅仅是太空中的雨滴造成的衰减。
有一种现象叫做 水膜衰减。
水膜衰减是指由于雨水在基站天线上形成的水膜而导致的无线电波衰减。
超疏水材料 HIREC 应用于基站天线表面，可使表面几乎不形成水膜，从而显著降低水膜衰减。

图1降雨强度与降雨衰减的关系 — 引自东京卫星仰角45°时“日本电子信息通信学会期刊(第79卷，1996-1卷)”
图4降雨强度与降雨衰减量的关系

图 4 显示了降雨强度与降雨衰减之间的关系。
当工作频率超过 10 GHz时，会出现降雨衰减现象，且衰减量随频率升高而增大。此外，降雨量越大，衰减量也越大。
例如，在广播系统 (BS) 使用的 12 GHz频段中，降雨强度为 5 毫米/小时和 10 毫米/小时分别会导致降雨衰减约 1 分贝和 2 分贝。

上图以水膜厚度为参数，表示频率和水膜衰减量的关系。(根据112号气象研究笔记中的水膜衰减方程和水的复介电常数数据计算得出)
可以看出，即使频率约为几GHz,水膜衰减也会发生。频率越高，水膜越厚，衰减越大。
虽然特定降雨强度下水膜的厚度因天线的尺寸和形状而异，但我们将介绍139号气象研究报告中的示例。
10°C、直径5m的半球形、降雨强度10mm/hr、水膜厚度约0.16mm。从这个例子来看，即使在正常降雨中也可能产生厚度为0.1-0.2mm的水膜。
此外，考虑到紫外线对天线表面的影响，即使在相同的天线上，户外安装时间越长，即使降雨量相同，水膜也会越厚。

图 4 中的降雨衰减数据和图 5 中的水膜衰减计算结果汇总于图 6 中。
这表明水膜衰减的影响不容忽视。尤其是在10 GHz及以下频段，水膜抑制措施尤为重要。
通过在天线表面涂覆疏水以强烈排斥水，可以几乎完全消除 10GHz 以下由水膜引起的无线电波衰减。
虽然降雨衰减确实发生在 10GHz 以上的频率，但水膜衰减可以消除，从而减少整体衰减。

天线防雨对策事例

图5 BS天线 (12 GHz频段) 的无线电接收特性 — 图7 BS天线的电波接收特性（12GHz频段）

图 7 显示了一个 BS 天线（12 千兆赫频段）上测量到的无线电接收特性示例。
超疏水对涂覆和未涂覆 HIREC 材料的天线进行比较后发现，在降雨期间（17:00-19:00），未涂覆 HIREC 材料的天线会出现约 3-4 dB 的衰减，而涂覆 HIREC 材料的天线则不会出现衰减。
降雨强度不详，但由于在涂有 HIREC 涂层的天线上没有出现衰减，因此从降雨强度与降雨衰减的对比图中估计，降雨强度小于 5 毫米/小时。
降雨强度与降雨衰减关系图显示，降雨强度为 5 mm/h 时，12 GHz 波段的降雨衰减约为 1 dB，因此图 7 中的 3-4 dB 衰减可解释为水膜衰减，而不是降雨衰减。
此外，19:00 雨停后仍出现衰减的事实也证实了这是由于天线表面存在水膜造成的水膜衰减。
这意味着，如果天线上下雨，水膜衰减将在雨停后的一段时间内发生。另一方面，涂有超疏水材料 HIREC 的天线不会出现衰减，这表明天线表面几乎没有水膜。
因此，超疏水材料 HIREC 是最有前途的水膜衰减对策之一。
最后，有传言称水膜衰减也可能发生在 10 千兆赫以下的频率，但目前尚未得到证实，因此一旦有了最新情况，我们将及时补充。

利用天线上的疏水布进行防雪措施

即使在冬天也可以穿着疏水布。

传统上，防雪措施主要涉及直接在天线和其他结构上安装解决方案，但一个主要挑战是冬季的低温使得现场安装成为不可能。
因此，我们将介绍一种疏水布的例子，这种片材即使在冬季也能保护现场设备免受雪的侵害。

疏水布的优点: 冬季也可安装←不能在5°C以下对天线进行现场涂装

可在1-2小时内安装←天线现场施工至少需要两天
疏水布的缺点: 寿命约为1年 (取决于薄片材料的耐候性) ←传统现场绘画的情况下约3年

*疏水布材：聚乙烯 (PE) 或聚酯
*疏水罩为定制产品，详情请联系我们。

疏水布的结构和实际应用

反光片：疏水布: 聚乙烯或聚酯薄膜（蓝色区域）上涂覆有超疏水材料[HIREC底漆（浅绿色区域）和HIREC 100（红色区域）]。
右图显示的是附着在天线反射器部分的疏水布。
转换器:仅HIREC100 (红色区域) 用刷子涂漆: HIREC100 是一种功能性材料，而非涂料，因此刷涂会留下刷痕（不均匀）。这些白色不均匀痕迹恰恰证明了其优异的疏水。（转换器放大视图）