第三章-无线电波的传播与天线

第三章无线电波的传播与天线无线电波的传播与天线的理论基础是麦克斯韦方程组、电磁场边界条件和媒质的特性方程。在不同的激励条件和传播环境下，无线电波的传播规律与天线的辐射特性不同。激励条件由天线的形状、安装地点和位置等确定，无线电波的传播环境由电磁场边界条件和传播媒质的特性确定。本章主要讨论无线电波的传播规律和天线原理。3.1无线电波的传播3.1.1无线电波的基本概念1.无线电波的理论基础无线电波的理论基础是麦克斯韦方程组、电磁场边界条件和媒质的特性方程。下面简要复习这些方程，并着重说明其物理意义。麦克斯韦方程组的微分形式如下：tBEtDJHvD0B上述方程的物理意义分别是：变化的磁场产生电场；电流和变化的电场产生磁场；电场的源是电荷；磁场是无源的。麦克斯韦方程组包含的物理意义可简要表述为：变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场，变化的电场又产生变化的磁场从而形成电磁波。这是1873年Maxwell总结的规律，并为1887年Hertz的试验所证实，最后导致Marconi和Popov于1895年成功地进行了无线电波传送实验，从而开创了人类应用无线电波的新纪元。两种不同媒质分界面上电磁场的边界条件如下：ttEE21tstHJH21snnDD21nnBB21①②n为边界上由媒质②至①的法矢量图3.1电磁场边界条件上述方程的物理意义分别是：切向电场连续；切向磁场与分界面上的面电流密度有关；法向电位移矢量与分界面上的面电荷密度有关；法向磁感应强度连续。若两种媒质均为理想介质，则0sJ，0s，ttEE21，ttHH21，nnDD21，nnBB21，即两种介质分界面上的切向场分量和法向场分量均连续。若媒质②为理想导体，媒质①为理想介质，则022DE，01tE，stJH1，snD1，01nB，即电力线垂直于理想导体表面，磁场力平行于理想导体表面。电磁场的媒质特性方程相当复杂，对场匀、线性介质，介质的特性方程如下：EDr0HBr0上式中，r和r分别称为介质的相对介电常数和相对磁导率；0和0分别称为真空的介电常数和磁导率，且)/(1036190mF，)/(10470mH。2.无线电波在无限均匀线性介质中的传播规律若无线电波在无限均匀线性介质中传播，且无线电波的电场沿x轴方向，则根据麦克斯韦方程组可导出如下波动方程：0222xxEkdxEd此方程的正向行波解为)cos()(0kztEtEx（1）上式中，0E是0z处的电场强度；t称为时间相位；kz称为空间相位。将公式（1）代入麦克斯韦方程组可得：)cos()(0kztHtHy进一步分析计算表明，无线电波在无限均匀线性介质中的传播规律为：(1)、电场)(tEx和磁场)(tHy相互垂直，且均与传播方向（z轴）垂直，场无纵向分量，称此无线电波为横电磁波。(2)、)(tEx、)(tHy处处同相，00/HE（波阻抗），电磁场与x、y无关，又称为均匀平面电磁波。真空中1rr，1200。(3)、电磁波沿z轴传播，传播的平均功率密度为2/20Es，群速等于相速pgVV。(4)、激励均匀平面电磁波的条件为沿xoy平面安装一块无限大的导体平板，此导体平板上任意点的电流分布为titixcos)(0。(5)、均匀平面电磁波的电场和磁场在某一时刻的分布见图3.2所示。图3.2均匀平面波的场分布若在无限均匀线性介质中。激励条件改为图3.3所示的正弦变化点电流源，点电流源（波源）的辐射功率为P，则此点电流源将激发球面波。在球面上任一点r处，球面波的平均功率密度、电场和磁场分别为24rPS)cos(0krtEE（2）EH上式中，)1()2(0rPE，与均匀平面波比较，球面波的主要特点为：电场、磁场和传播方向相互垂直，波沿半径r方向向外传播；传播的平均功率密度与离开波源的距离r的平方成反比（能量扩散）；激励条件为点电流源。综上所述，在相同的传播环境下，激励条件不同，无线电波的传播规律不同。实际工作中，很难满足产生均匀平面波或球面波的条件。因此，在无线电波传播与天线工程中，我们遇到的问题比上述理论模型复杂得多。3.无线电波的基本概念（1）无线电波的传播速度空间相位相同的场点所构成的曲面称为等相面（或波前或波阵面），等相面传播的速度称为相xzy点电流源位于坐标原点，变化规律为i（t）=I0cosω0txzyx、y为无限大导体板，电流分布为i(t)=I0cosω0t图3.3a无限大导体板激励的波图3.3b点电流激励的波传播方向速1//kdtdzVp，真空中smVVp/10318000。无线电波能量传播的速度称为群速。对均匀平面波或球面波，pgVV。（2）无线电波的波长和频率无线电波的空间相位kz变化2π所经过的距离称为波长λ，2k，Tvfvk//2，k称为波数。时间相位ωt变化2π所经过的时间称为周期T，2T，周期的倒数为频率Tf1。（3）无线电波的极化无线电波传播过程中，电场方向变化的轨迹称为极化。若电场方向平行于地面，称此无线电波为水平极化；若电场方向垂直于地面，称此无线电波为垂直极化；若电场方向变化的轨迹为圆或椭圆，称为圆极化或椭圆极化。沿波的传播方向看，电场顺时针旋转的称右旋极化，反之称左旋极化。在研究无线电波传播时，极化是一个非常重要的概念。例如，利用正交极化可实现频率复用。（4）无线电波的波段划分无线电波的波长不同，传播特征亦不完全相同。表3.1列出了无线电波（3kHz～3000GHz）的波段划分。在微波波段300MHz～3000GHz，又可细分为L（1～2GHz）、S（2～4GHz）、C（4～8GHz）、X（8～12GHz）、Ku（12～18GHz）、K（18～26GHz）、Ka（26～40GHz）和v（40～75GHz）。丝米波波段以后依次是红外、可见光、紫外、X射线和γ射线。它们不属于无线电波。表3.1无线电波的波段划分带号频带名称频率范围波段名称波长范围-1至低频（ELF）0.03～0.3Hz至长波或千兆米波10000～1000Mm（兆米）0至低频（ELF）0.3～3Hz至长波或百兆米波1000～100Mm（兆米）1极低频（ELF）3～30Hz极长波100～10Mm（兆米）2超低频（ELF）30～300Hz超长波10～1Mm（兆米）3特低频（ULF）300～3000Hz特长波1000～100km（千米）4甚低频（VLF）3～30kHz甚长波100～10km（千米）5低频（LF）30～300kHz长波10～1km（千米）6中频（MF）300～3000kHz中波1000～100m（米）7高频（HF）3～30MHz短波100～10m（米）8甚高频（VHF）30～300MHz米波10～1m（米）9特高频（UHF）300～3000MHz分米波微波10～1dm（分米）10超高频（SHF）3～30GHz厘米波10～1cm（厘米）11极高频（EHF）30～300GHz毫米波10～1mm（毫米）12至高频（THF）300～3000GHz丝米波10～0.1dmm（丝米）注：频率范围和波长范围均含上限，不含下限。相应名词非正式标准，仅作简化称呼参考用。3.1.2无线电波传播的基本规律1.无线电波的直线传播无线电波在无限均匀线性介质中是沿直线传播的。卫星通信、地面微波中继通信、无线电测距和测向原理，就是以这一规律为基础的。2.无线电波的反射无线电波经过不同媒质分界面时，将会发生反射现象。若媒质分界面是平面，且其尺寸远大于无线电波的波长，则无线电波的反射遵循光的反射定律。雷达就是利用无线电波的反射现象来探测目标的。3.无线电波的折射无线电波从一种媒质进入另一种媒质时，除了在分界面上发生的反射现象外，还会产生折射现象。产生折射的原因是由于波在不同媒质中的传播速度不同，波经过分界面后波阵面发生偏转，从而改变了无线电波的传播方向。短波就是利用电离层的连续折射和反射现象，实现远距离通信的。4.无线电波的绕射无线电波遇到某些障碍物时，能够绕过障碍物继续传播，这种现象称为绕射。无线电波的绕射能力与波长有关，波长越长，绕射能力越强。移动通信中，有时我们看不见基站，但确能收到基站信号，这就是利用了无线电波的绕射现象。5.无线电波的散射若大气中存在着雨点、雾、电小尺寸物体或大气本身密度不均匀，在无线电波的辐射作用下，会激励起时变电流，成为新波源。散射就是新波源向各个方向辐射的结果。对流层或电离层散射通信就是利用无线电波的散射现象实现远距离传播的。6.无线电波的衰落在无线通信中，当移动台在一个波长范围内移动时，可能引起瞬时接收场强发生3或4个数量级的变化，这种现象称为小尺度衰减（或快衰落）。快衰落是由无线电波传播的多径效应、多普勒效应或接收天线空间选择性引起。与快衰落相反，慢衰落是由于无线电波传播路径上受到障碍物阻塞或气候条件变化而引起的接收场强发生1或2个数量级的慢变化。无线通信中，采用不同技术手段克服不同衰落类型。7.无线电波的衰减无线电波在理想介质中传播时，场强的减弱只是由于传播距离增大，使能量扩散而引起。但在有耗媒质中，除了能量扩散以外，由于媒质对无线电波的吸收也会使场强减弱。这种现象称为无线电波的衰减。无线电波的场强衰减公式为：)cos(),(0zteEztEzx（3）上式中，α称为衰减常数，β称为相位常数。8.无线电波的导行无线电波除了能在空间传播外，亦能在同轴线或波导等传输线中传输。通过天线可实现无线与有线传输的转换。由于利用有线传输很容易改变无线电波的方向，引导无线电波向特定地点传播，故可称无线电波在有线中的传输为导行。现代移动通信工程中，常常综合有线传输与无线传输的优点，通过室内覆盖（有线）系统将无线电波引入地铁、地下室或电梯内，实现无线电波的无缝覆盖。3.1.3无线电波的传播方式1.无线电波的传播环境无线电波在空间传播时，其传播特性受边界条件和媒质特性的影响。若无线电波在室外传播，地表面特性、地面物体和地球以外空间区域的特性将决定无线电波的传播特性。所以，必须了解地球以外空间区域的介质特性。介质特性随离地高度的变化见图3.4所示。图3.4介质性质随离地面高度的变化2.无线电波的传播方式无线电波的传播方式受传播环境的影响。无线电波(电磁波)的几种传播方式是：沿地球表面传播的表面波；电离层反射引起的天波；对流层或电离层中的不均匀体散射引起的散射波；电磁波以直线传播方式传播到接收点的空间波传播；地球和低电离层之间构成的球形波导模传播或对流层出现温度梯度的逆变现象引起超折射形成的对流层波导模传播；雷电击发的甚低频信号沿地球磁力线从一个半球传到另一个半球的哨声传播。下面主要讨论前四类传播方式的规律。图3.5示意了表面波、天波、散射波和空间波的传播。图中A点为发射点，B点为接收点。图3.5表面波、天波、散射波和空间波的传播短波主要利用天波传播，其传播特性主要受电离层影响。中波主要利用表面波传播，其传播特性主要受地表面特性的影响。超短波通常利用空间波传播，其传播特性主要受地面上建筑、树木、小山等影响。3.2地面和大气对无线电波传播的影响本节主要分析地面、电离层和对流层对无线电波传播的影响。首先进行理论分析，然后讨论工程计算，最后总结他们对无线电波传播的影响。3.2.1地面对无线电波传播的影响1.地面上表面波的场表面波主要是由绕射形成的绕地球表面传播的无线电波。只有当波长与障碍物的高度可以比较时，电磁波才有绕射作用。所以实际上只有长波、中波和短波中波长较长的部分才能够绕过地面传到较远的地方去。地面电特性对表面波传播的影响很大，决定地面电参数的量是复相对介电常数。60'jrr若εr»60λσ，地面近似为理想介质。若εr«60λσ，地面近似为理想导体。表3.2给出了几种典型地面的电参数表3.2几种典型地面的电参数（平均值）电参数地面种类相对介电系数ε电导