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1、微波技术与天线第7章信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.2第7章 电波传播概论7.1电波传播的基本概念电波传播的基本概念 1.无线电波在自由空间的传播无线电波在自由空间的传播 天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为P瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为 功率流密度又可以表示为(7-1-1)(7-1-2)信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.3第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.4第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.5第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No
2、.6第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.7第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.8第7章 电波传播概论信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.9第7章 电波传播概论干涉型衰落：干干涉涉型型衰衰落落主主要要是是由由随随机机多多径径干干涉涉现现象象引引起起的的。在某些传输方式中,由于收、发两点间存在若干条传播路径,典型的如天波传播、不均匀媒质传播等，在这些传播方式中,传输媒质具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短,信号电平变化很快,故称为快衰落,如图 7-1(b)所
3、示。这种衰落在移动通信信道中表现得更为明显。快衰落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内观察时,前者表现明显,后者不易被察觉。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,需要采取有效措施（如分集接收等）来加以克服。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.10第7章 电波传播概论 (3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个：媒质的色散效应：色散效应是由于不同频率的无线电波在色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据一定的频带,当电
4、波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起波形失真。至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体信道的传输情况而定。随机多径传输效应：多径传输也会引起信号畸变。多径传输也会引起信号畸变。这是因这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。接收天线检拾的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.11第7章 电波传播概论 设接收点的场是两条路径传来的相位差为=的两个电场的矢量和。最大的
5、传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。对所传输信号中的每个频率成分,相同的值引起不同的相差。例如对 f1，若1=1=,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2=2=2,则因二矢量同相相加,此分量的合成场强呈现最大值，如图 7 2(b)所示。其余各成分依次类推。显显然然,若若信信号号带带宽宽过过大大,就就会会引引起起较较明明显显的的失失真真。所所以以一一般般情况下情况下,信号带宽不能超过信号带宽不能超过1/。因此，引入相关带宽的概念，定义相关带宽:信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.12第7章 电波传播概论图图7-2 多径传输效应多径传输效应信息科学与工程
6、学院 孔繁敏 Email:No.13第7章 电波传播概论 (4)电波传播方向的变化 当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。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将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;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。因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变化也是重要内容之一。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.14第7章 电波传播概论外外层层大大气气500500
7、5050平平流流层层 H:公里对对流流层层+-电电离离层层202010000010000030308585中中间间层层微波短波臭氧层臭氧层长波不不同同无无线线电电波波的的传传播播途途径径信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.15第7章 电波传播概论7.2 视距传播视距传播 所所谓谓视视距距传传播播,是是指指发发射射天天线线和和接接收收天天线线处处于于相相互互能能看看见见的的视视线线距距离离内内的的传传播播方方式式。地地面面通通信信、卫卫星星通通信信以以及及雷雷达达等等都都可可以以采采用用这这种种传传播播方方式式。它它主主要要用用于于超超短短波波和和微微波波波波段段的的电电波波传播。传播
8、。1.视线距离视线距离 设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图7-3）,由于地球曲率的影响,当两天线A、B间的距离rrv时,两天线互相“看得见”,当rrv时,两天线互相“看不见”,距离rv为收、发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离,简称视距。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.16第7章 电波传播概论图7-3 视线距离地球半径a=6.370106m信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.17第7章 电波传播概论 视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电波产生折射与衰减。由于大气层是非均匀媒质,其压力、温度与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数
9、。在标准大气压下,大气层的介电常数r随高度增加而减小，并逐渐趋近于1,因此大气层的折射率n=随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,各薄层的折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图 7-4 所示。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.18第7章 电波传播概论图 7 4 大气层对电波的折射信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.19第7章 电波传播概论 当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公式应修正为 在光学上,rrv的区域称为照明区,rrv的区域称为阴影区
10、。由于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学的观点划分区域。通常把r0.8rv的区域称为照明区,将r1.2rv的区域称为阴影区,而把0.8rvr1.2rv的区域称为半照明半阴影区。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.20第7章 电波传播概论2.大气对电波的衰减大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面：云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。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。当工作波长短于5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,尤其当工
11、作波长短于3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重。就云、雾、雨、雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最为严重,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.21第7章 电波传播概论3.场场 分分 析析 在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。图图 7 5 直射波与反射波直射波与反射波信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.22第7章 电
12、波传播概论 设h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收、发天线间距,E为接收点场强,E1为直射波,E2为反射波。根据上面的分析,接收点的场强为 式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e j,f()为天线方向函数。(7-2-4)(7-2-5)信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.23第7章 电波传播概论式中，而将其代入式（7 2 7）得(7-2-6)(7-2-7)(7-2-8)(7-2-9)如果两天线间距离dh1,h2,则有信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.24第7章 电波传播概论 对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的（通常小于1）,所以有 当地面电导率为有限
13、值时,若射线仰角很小,则有 RHRV-1 式中,RH为水平极化波的反射系数;RV垂直极化波的反射系数。(7-2-10)(7-2-11)信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.25第7章 电波传播概论 图 7 6 接收点场强随天线高度的变化曲信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.26第7章 电波传播概论图 7 7 接收点场强随间距d的变化曲线信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.27第7章 电波传播概论 由上式可得到下列结论: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的变化而在零值与最大值之间波动，如图 7-6 所示。当工作波长和两天线高度h1和h2都
14、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，如图 7-7所示。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呈波动变化，如图 7-8 所示。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.28第7章 电波传播概论图 7 8 接收点场强随工作波长的变化曲线信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.29第7章 电波传播概论 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。信息科学
15、与工程学院 孔繁敏 Email:No.30第7章 电波传播概论7.3 天波传播天波传播 1.电离层概况电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为D,E,F1,F2四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 7-9所示。电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照密切相关白天大,晚间小,而且晚间D层消失;电离层电子密度又随四季不同而发生变化。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.31第7章 电波传播概论图 7-9 电离层电子密度的高度分布 信息科学与
16、工程学院 孔繁敏 Email:No.32第7章 电波传播概论 2.无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为其折射率为式中,f为电波的频率。(7-3-1)(7-3-2)信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.33第7章 电波传播概论 当电波入射到空气电离层界面时,由于电离层折射率小于空气折射率,折射角大于入射角,射线要向下偏折。当电波进入电离层后,由于电子密度随高度的增加而逐渐减小,因此各薄片层的折射率依
17、次变小,电波将连续下折,直至到达某一高度处电波开始折回地面。可见,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。如图 7-10,在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1=ni sini 式中,n0为空气折射率,n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。(7-3-3)信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.34第7章 电波传播概论图 7 10 电离层对电波的连续折射信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.35第7章 电波传播概论 上式揭示了天波传播时,电波频率f(Hz)与入射角0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。(7-3
18、-4)(7-3-5)设电波在第i层处到达最高点,然后即开始折回地面,则将i=90代入上式得信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.36第7章 电波传播概论式中,Nmax为电离层的最大电子密度。也就是说,当电波入射角0一定时,随着频率的增高,电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时,由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度,因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，见图 7-11 所示,这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。（1）最高可用频率 由式（7-3-5）可求得当电波以0角度入射时,电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为(7-3-6)天波传播的基本概念天波传
19、播的基本概念信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.37第7章 电波传播概论图 7 11 0 一定而频率不同时的射线信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.38第7章 电波传播概论 由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,使得以发射天线为中心的、一定半径的区域内就不可能有天波到达,从而形成了天波的静区。（3）多径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线,各根射线的入射角稍有不同,它们将在不同的高度上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点（图 7-13）,这种现象称为多径传输。(7-3-7)（2）天波静区 由式（7-3-4）可得电离层能把频率为f(Hz)的电波“反射”回
20、来的最小入射角0 min为信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.39第7章 电波传播概论图 7 12 频率一定时通信距离与入射角的关系 信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.40第7章 电波传播概论图 7 13 多径效应信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.41第7章 电波传播概论（4）最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量,使电波发生衰减,但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。因此，为了减小电离层对电波的吸收,天波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作频率过高时，电波需到达电子密度很大的地方才能被“反射”回来，这就大大增长了电波在电离层中的传
21、播距离，随之也增大了电离层对电波的衰减。为此，通常选最佳工作频率fopt为还需要注意的是,电离层的D层对电波的吸收是很严重的,夜晚,D层消失,致使天波信号增强,这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.42第7章 电波传播概论天波通信的特点天波通信的特点 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。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。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。电离层所能反射的
22、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。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.43第7章 电波传播概论 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。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。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.44第7章 电波传播概论7.4 地面波传播地面波传播 设有一直立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿
23、地面传播时,若大地是理想导体,则接收天线接收到的仍是垂直极化波（图 7-14）。实际上,大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变为椭圆极化波,如图 7-15所示。显然,波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸收程度。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.45第7章 电波传播概论图 7 14 理想导电地面的场结构信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.46第7章 电波传播概论图 7 15 非理想导电地面的场结构信息科学与工程学院 孔繁敏
24、 Email:No.47第7章 电波传播概论地面波传播的特点地面波传播的特点 垂直极化波沿非理想导电地面传播时,由于大地对电波能量的吸收作用,产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高,Ez1越大,说明传播损耗越大。地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合,由于受到条件的限制,也可以采用低架水平天线接收。地面波由于地表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化,并且基本上不受气候条件的影响,因此信号稳定,这是地面波传播的突出优点。信息科学
25、与工程学院 孔繁敏 Email:No.48第7章 电波传播概论 应该指出,地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关系。大多数地质情况下,大地的磁导率0,很难存在横电波模式，因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的。根据横磁波存在的各场分量Ex1,Ez1,Hy1,其电场分量在入射平面内,故称为垂直极化波。换句话说,只只有有垂垂直直极极化化波波才才能能进进行行地面波传播。地面波传播。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.49第7章 电波传播概论 7.5 不均匀媒质的散射传播不均匀媒质的散射传播 除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播。电电波波在在低低空空对对流流层层或或高高空空电电离离
26、层层下下缘缘遇遇到到不不均均匀匀的的“介介质质团团”时时就就会会发发生生散散射射,散散射射波波的的一一部部分分到到达达接接收收天天线线处处（图图7-16）,这这种种传传播方式称为不均匀媒质的散射传播。播方式称为不均匀媒质的散射传播。电离层散射主要用于 30100MHz频段,对流层散射主要用于100 MHz以上频段。就其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性；就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.50第7章 电波传播概论图 7 16 不均匀媒质传播信息
27、科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.51第7章 电波传播概论 对流层是大气的最低层,通常是指从地面算起至高达135千米的区域,在太阳的辐射下，受热的地面通过大气的垂直对流作用,对流层升温。一般情况下,对流层的温度、压强、湿度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小尺度起伏,形成了不均匀的介质团。当超短波、短波投射到这些不均匀体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,将入射的电磁能量向四面八方再辐射。于是电波就到达不均匀介质团所能“看见”但电波发射点却不能“看见”的超视距范围。电磁波的这种无规则、无方向的辐射,即为散射,相应的介质团称为散射体,如图 7-16 所示。对于任
28、一固定的接收点来说,其接收场强就是收发双方都能“看见”的那部分空间收、发天线波束相交的公共体积中的所有散射体的总和。信息科学与工程学院 孔繁敏 Email:No.52第7章 电波传播概论 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,一般超过200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随机的。这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落。这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。这种传播方式的优点是:容容量量大大,可可靠靠性性高高,保保密密性性好好,单跳跨距达300800 km,一般用于无法建立微波中继站的地区,如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。对流层散射传播的特点对流层散射传播的特点结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！53