第7章 电波传播概论

第7章电波传播概论7.1电波传播的基本概念7.2视距传播7.3天波传播7.4地面波传播7.5不均匀媒质的散射传播第7章电波传播概论第7章电波传播概论7.1电波传播的基本概念一、自由空间的基本传输损耗1、定义：自由空间中，收发天线相距r，载波频率为f，输入到发射天线的功率为Pi，从接收天线接收的功率为PR，则输入功率与接收功率的比值定义为自由空间的基本损耗：10lg32.4520lg()20lg()()()ibfRiRPLPfMHzrkmGdBGdBiGRG和分别为发射天线和接收天线的增益系数。44220RiieRGrGpASp第7章电波传播概论2、分析：如果忽略两个天线的因素，自由空间的基本传输损耗为：可见，自由空间的基本传输损耗是由于球面波在传输过程中，由于距离的增大，能量扩散而引起的，是球面波的扩散损耗。32.4520lg()20lg()()()bfiRLfMHzrkmGdBGdB032.4520lg()20lg()LfMHzrkm第7章电波传播概论二、传输媒质对电波传播的影响1、传输损耗（信道损耗）电波传播时实际媒质并非自由空间。因此，实际的传输损耗会在自由空间基本传输损耗的基础上附加实际媒质产生的损耗。这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射引起的。A为实际媒质的损耗。)()(lg20)(lg2045.32dBAkmrMHzfLb第7章电波传播概论2、衰落现象①衰落的概念：一般是指信号电平随时间或空间位置的随机起伏变化。衰落的产生原因：吸收型衰落和干涉型衰落②吸收型衰落主要是大气中的氧、水汽以及由水汽凝聚而成的云、雾、雨、雪等对电波的吸收而产生的衰落。吸收型衰落与气候条件密切相关。吸收型衰落为慢衰落，引起信号电平中值的缓慢变化。第7章电波传播概论第7章电波传播概论③干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在传播过程中，往往存在多条随机的传播路径，行程的不同使信号到达接收天线时的相位随机变化。多个不同强度、不同相位的信号（多径信号）在接收天线处相互迭加（干涉），引起接收的信号电平发生快速而深度的衰落，这种衰落称为快衰落。④抗衰落措施信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统的可靠性，必要时可采取有效措施（如分集接收）加以克服。第7章电波传播概论3、传输失真①定义无线电波通过媒质时产生的信号畸变称为失真，包括振幅失真和相位失真。②衰落和失真如果只有信号衰落而没有失真，理论上可以通过理想的放大器完全恢复原始信号。如果产生了失真，就不能实现。产生失真的原因：媒质的色散效应，随机多径传输效应。③色散效应载有信号的无线电波都占据一定的频带，不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别，因此到达接收天线时不能严格保持原来的相位关系，从而引起信号的失真。第7章电波传播概论④多径效应多径效应使接收端获得的是多个不同幅度、相位信号的迭加，因此会同时产生幅度和相位失真。设接收点的场是两条路径传来的相位差为φ=ωτ的两个电场的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延τ。对所传输信号中的每个频率成分,相同的τ值引起不同的相差。例如对f1，若φ1=ω1τ=π,则因二矢量反相抵消,此分量的合成场强呈现最小值；而对f2,若φ2=ω2τ=2π,则因二矢量同相相加,此分量的合成场强呈现最大值。多径效应引起信号的频率选择性衰落，如图7-2。显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。所以一般情况下,信号带宽不能超过1/τ（相关带宽）。第7章电波传播概论合成场强f1f2f3f(b)(a)图7-2多径传输效应第7章电波传播概论4、电波传播方向的变化电波在无限大的均匀、线性媒质内沿直线传播。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的：不同媒质的分界处将使电波折射、反射；媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团使电波产生散射；球形地面和障碍物将使电波产生绕射；特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化，使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏，使接收信号产生严重的衰落。第7章电波传播概论7.2一、定义视距传播：依靠发射天线与接收天线之间的直射线进行的传播方式。主要用于超短波和微波波段的电波传播。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。二、视线距离1、地球曲率对视线距离的影响设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2，由于地球曲率的影响，两个天线之间的视线距离（相互看得见）为：312122()3.57()10vrahhhh第7章电波传播概论图7-3视线距离Ah1h2rvBCOa第7章电波传播概论2、大气折射率对视线距离的影响大气层是非均匀媒质，介电常数和折射率是高度的函数，随高度的增加而减小。)(10)(12.4)(232121mhhhharev大气折射率的变化使电波射线向下弯曲，有利于电波实现更远距离的传播。如果考虑大气折射率的影响，视距传输距离需要修正。第7章电波传播概论三、大气对电波的衰减大气对电波的衰减主要来自两个方面：1、热吸收和谐振吸收：云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收与小水滴的浓度有关；水分子、氧分子对电波的谐振吸收与工作波长有关。2、散射衰减：云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比，与波长的四次方成反比。工作波长短于5cm时，就应该考虑大气层对电波的衰减，工作波长短于3cm时，大气层对电波的衰减将趋于严重。第7章电波传播概论四、反射波的影响1、概念视距传播中，除了直射波外，还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。当波长较大、投射角很小时，光滑地面的反射系数接近于－1。2、结论①当工作波长和收、发天线间距不变时,接收点场强随天线高度h1和h2的变化在零值与最大值之间波动。第7章电波传播概论②工作波长λ和天线高度h1和h2都不变时,接收点场强随两天线间距的增大而呈波动变化，间距减小，波动范围减小。衰减因子天线高度距离接收点场强随天线高度和距离的变化曲线第7章电波传播概论③当两天线高度h1和h2和间距d不变时,接收点场强随工作波长λ呈波动变化。衰减因子接收点场强随工作波长的变化曲线第7章电波传播概论五、总结总之，在微波视距通信设计中，为使接收点场强稳定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路径的设计和选择时，要尽可能地利用起伏不平的地形或地物，使反射波场强削弱或改变反射波的传播方向，使其不能到达接收点，以保证接收点场强稳定。第7章电波传播概论7.3一、概念天波传播：指发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式，主要用于中波和短波波段。二、大气层介绍第7章电波传播概论第7章电波传播概论三、电离层概况1、产生电离层主要是由于高层大气分子吸收太阳辐射能量后电离而产生的，主要电离源是太阳紫外线。电离特性可用电子密度衡量。2、电子密度分布特性电离层的高度从60km到1000km，电子密度分布不均匀：电子密度先随着高度的增加而增大，随后逐渐减小。电子密度的分布与空气分子密度相关。第7章电波传播概论3、电离层的变化规律太阳是电离层的主要能源，电离层的状态与阳光照射情况密切相关。①日夜变化：日出后电子密度不断增加，到正午后达到最大值，以后又逐渐减小。夜间没有照射，电子和正离子复合使D层消失。②季节变化：夏季的电子密度大于冬季（F2层例外）。③随太阳黑子11年周期的变化：黑子数目增加时，太阳辐射的能量增强，因而各层电子密度增大。④随地理位置变化：地理位置不同，太阳光照强度也不相同。赤道附近电子密度最大，越靠近两极电子密度越小。第7章电波传播概论四、无线电波在电离层中的传播1、反射的原理由公式可得：电波进入电离层后，随着高度的增加，电子密度增加，折射率减小。电波每通过一层薄片就发生一次折射，当薄片数目无限增多时，电波传播的轨迹变成一条光滑的曲线。电波连续下折，直至到达某一高度处电波开始折回地面。电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。第7章电波传播概论图7–10电离层对电波的连续折射012n0n1n2第7章电波传播概论2、电离层反射能力与频率的关系由公式可得：频率越低，折射率随电子密度的变化越显著。电离层反射能力越强。入射角一定时，频率越低越容易反射。频率越低，电波进入电离层的深度就越小：①长波在D层反射，由于夜晚D层消失，长波将在E层反射；②中波在E层反射，由于白天D层对中波吸收较大，故中波仅在夜间由E层反射；③短波将在F层反射；④超短波、微波则可以穿透电离层。因此存在最高可用频率。第7章电波传播概论3、电离层反射与入射角的关系当电波频率一定时，反射与入射角的关系：①入射角较大时：角度越大，越易反射，反射后可到达的距离越远。②入射角较小时：角度越小，进入电离层的深度就越大，传输距离越远。当小于某一临界角时，电波将穿透电离层。因此，在以发射天线为中心，一定半径的区域内，不能有天波到达，称为天波静区。第7章电波传播概论4、多径效应不同角度入射的电波，入射深度不一样，在不同高度被反射，可能到达同一接收点，称为多径传输。多径传输使接收场强为多个场强的迭加，引起多径衰落。5、最佳工作频率为了减小电波传播过程中电离层的吸收损耗，希望使用较高的工作频率。但工作频率过高时，入射到电离层的深度很大，大大增加了电离层中的传播距离，增大了电离层对电波的衰减。通常选择最佳工作频率为：fopt=0.85fmax。第7章电波传播概论总之，天波传播有以下特点：①频率的选择很重要,频率太高,电波穿透电离层射向太空;频率太低,电离层吸收太大,以致不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。而这个频率的确定,不仅与年、月、日、时有关,还与通信距离有关。同样的电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,最高可用频率高。显然,为了通信可靠,必须在不同时刻使用不同的频率。但为了避免换频的次数太多,通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。②天波传播的随机多径效应严重,多径时延较大,信道带宽较窄。因此,对传输信号的带宽有很大限制,特别是对于数字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必须采用相应的抗多径措施。第7章电波传播概论③天波传播不太稳定,衰落严重,在设计电路时必须考虑衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。④电离层所能反射的频率范围是有限的,一般是短波范围。由于波段范围较窄,因此短波电台特别拥挤,电台间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸收减小,电波传播条件有所改善,台间干扰更大。⑤由于天波传播是靠高空电离层的反射,因而受地面的吸收及障碍物的影响较小,也就是说这种传播方式的传输损耗较小,因此能以较小功率进行远距离通信。⑥天波通信,特别是短波通信,建立迅速，机动性好,设备简单,是短波天波传播的优点之一。第7章电波传播概论7.4地面波传一、概念无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播。当天线低架于地面，且最大辐射方向沿地面时，主要是地面波传播。在长、中波和短波的低频段(几K～几MHz)常用这种传播方式。二：地面波不宜采用水平极化方式电场为水平极化时，电场平行地面，传播中在地面上引起较大的感应电流，致使电波产生很大的衰减。一般只采用垂直极化方式。第7章电波传播概论三、波前（等相位面）倾斜现象一直立天线辐射垂直极化波，电波能量沿z轴方向即沿地表面传播，其辐射电磁场为E1x和H1y。某一瞬间E1x位于A点时，地面上必然感应出电荷。当波向前传播时，便产生了沿z方向的感应电流，由于大地是半导电媒质，有一定的地电阻，故在z方向产生电压降，也即在z方向产生新水平分量E2z。由于边界电场切向分量连续，即存在E1z，这样靠近地面的合成场E1就向传播方向倾斜。坡印廷矢量的方向向地面发生倾斜，出现了垂直于地面向地下传播的功率流密度S1x，这部分电磁能量被大地所吸收引起衰减。地面吸收越大，S1x越大，倾斜将越严重。第7章电波传播概论第7章电波传播概论四、地表面波传播的特点1、损耗特性垂直极化波沿非理想导电地面传播时，由于