1、7.1 電波傳播的基本概念電波傳播的基本概念7.2 視距傳播視距傳播7.3 天波傳播天波傳播7.4 地面波傳播地面波傳播7.5 不均勻媒質(zhì)的散射傳播不均勻媒質(zhì)的散射傳播第第7 7章章 電波傳播概論電波傳播概論本章要點(diǎn)：*自由空間電磁波傳播的菲涅區(qū)*通信鏈路的損耗計(jì)算（式7-1-7,7-1-10）*多徑干擾、快衰落的類型（頻率選擇性衰落）*視距傳播的條件、特點(diǎn)（雨衰、空氣窗口）*視距傳播鏈路的主要類型*天波傳播的條件、特點(diǎn)*地波傳播的特點(diǎn)7.1 電波傳播概論電波傳播概論天線一側(cè)面向發(fā)射/接收系統(tǒng)，一側(cè)面向無線信道（存在各種干擾）。本章的內(nèi)容：*建立信道傳播模式的模型*了解快衰落的原因、類型*形成

2、鏈路計(jì)算的概念*研究改進(jìn)接受質(zhì)量的措施7.1 電波傳播的基本概念電波傳播的基本概念 直射直射：在無界均勻線性媒質(zhì)中，電波以直線方式傳播。：在無界均勻線性媒質(zhì)中，電波以直線方式傳播。 發(fā)收dd d與傳輸波長成正比。與傳輸波長成正比。光為直線傳播。光為直線傳播。 當(dāng)電波傳播的過程中有障礙物時(shí)，電波將產(chǎn)生反射、折當(dāng)電波傳播的過程中有障礙物時(shí)，電波將產(chǎn)生反射、折射、繞射、衍射和散射。射、繞射、衍射和散射。多多 徑徑1. 1. 無線電波的傳播機(jī)制：無線電波的傳播機(jī)制：菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)第一菲涅爾區(qū)：以發(fā)射點(diǎn)和接受點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓體區(qū)域，是電波二次輻射源干涉的結(jié)果，也是直射電磁波能量傳播的主要區(qū)域。球面波的二

3、次輻射源波程差第一菲涅爾區(qū)第二菲涅爾區(qū)橢圓與基本電振子的E面圖特點(diǎn)有關(guān)菲涅爾區(qū)(Fresnel Zone) 發(fā)射天線必須高于障礙物足夠的高度來使它和接收天線之間保持視線路徑 在沒有任何障礙物狀態(tài)下，圍繞直接傳播路徑的區(qū)域就叫做菲涅耳區(qū)域 菲涅耳區(qū)域可以被看成是橢圓形或橄欖球形，它是天線之間主要的射頻能量傳播的區(qū)域 要保證通信鏈路正常工作，大約60%的菲涅耳區(qū)域必須無障礙物的遮擋 反射反射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面平表面平滑滑、且、且遠(yuǎn)大于傳播電波遠(yuǎn)大于傳播電波的波長的波長時(shí)，電波會產(chǎn)生時(shí)，電波會產(chǎn)生反射；反射；導(dǎo)體入射波反射波非導(dǎo)體入射波折射波反射波繞射散射 散射散射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面粗糙

4、表面粗糙或障礙物或障礙物遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長小于波長時(shí)，則會產(chǎn)生散射；時(shí)，則會產(chǎn)生散射； 折射折射：當(dāng)障礙物：當(dāng)障礙物表面平滑表面平滑、且當(dāng)且當(dāng)障礙物為非導(dǎo)體障礙物為非導(dǎo)體時(shí)，則時(shí)，則會產(chǎn)生折射；會產(chǎn)生折射； 繞射繞射：當(dāng)：當(dāng)障礙物可與波長相比障礙物可與波長相比時(shí)，時(shí)，則會產(chǎn)生繞射；（則會產(chǎn)生繞射；（頻率低時(shí)較明頻率低時(shí)較明顯）顯）除了直射路徑外，還存在衍射：（微波波段）電磁波穿過縫隙（如建筑物之間的縫隙）時(shí)存在衍射，衍射的干涉也是造成多徑衰落的原因之一 1. 無線電波在自由空間傳播的鏈路估算無線電波在自由空間傳播的鏈路估算 在無線傳輸中，以下因素會影響傳輸質(zhì)量1) 吸收（Absorption）2)

5、反射（Reverberation）3) 陰影（Shadowing）4) 多路徑干擾（Multipath Interference）路徑損耗（Path Loss）為確保可靠的通信，系統(tǒng)增益加上天線增益必須大于所有的路徑損耗之和路徑損耗包括電纜損耗、接頭損耗、傳播損耗及衰落儲備（多徑干擾和衰減影響的安全界限）天線置于自由空間中, 假設(shè)發(fā)射天線是一理想的無方向性天線, 若它的輻射功率為P瓦, 則離開天線r處的球面上的功率流密度為22044rGPrPSiin2m/W由此, 離天線為r處的電場強(qiáng)度E0值為 rPE600又假設(shè)發(fā)射天線是一實(shí)際天線, 其輻射功率仍為P, 設(shè)它的輸入功率為Pi, 若以Gi表示

6、實(shí)際天線的增益系數(shù), 則在離實(shí)際天線r處的最大輻射方向上的場強(qiáng)為rGPEii600功率流密度又可以表示為2001|Re(*)2240ESEH 如果接收天線的增益系數(shù)為GR, 有效接收面積為Ae= ,則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為44R22iie0RGrGPASP將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間的基本傳輸損耗: 將上式取對數(shù)得 Ribflg10PPL)dB()dB()km(lg20)MHz(lg2045.32RiGGrfRi2Ribf14GGrPPL此為自由空間的基本傳播衰減損耗，本章的重要公式之一4R2G 2. 傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響 (1) 傳輸

7、損耗（信道損耗） 電波在實(shí)際的媒質(zhì)（信道）中傳播時(shí)是有能量損耗的。 這種能量損耗可能是由于大氣對電波的吸收或散射引起的, 也可能是由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射而引起的。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下, 設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)E、功率PR，而自由空間的場強(qiáng)為E0、功率為PR， 則信道的衰減因子A為0()20lg10lgRREPA dBEP(7-1-8)則傳輸損耗Lb為10lg10lg10lg()iiRbbfRRRPPPLLAdBPPP 若不考慮天線的影響, 即令Gi=GR=1, 則實(shí)際的傳輸損耗為 dB)km(lg20)MHz(lg2045.32bArfL 式

8、中, 前三項(xiàng)為自由空間損耗Lbf； A為實(shí)際媒質(zhì)的損耗。 不同的傳播方式、 傳播媒質(zhì), 信道的傳輸損耗不同。 A可以是雨衰，也可以是地面、建筑物、樹木等環(huán)境產(chǎn)生的衰減室外傳播模型：針對不同工程問題可以提出相應(yīng)的室外傳播模型，實(shí)測其衰減因子衰落現(xiàn)象衰落現(xiàn)象 所謂衰落, 一般是指信號電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。 根據(jù)引起衰落的原因分類, 大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落。 吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化, 使得信號在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的。如大氣中的氧、 水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對電波有吸收作用。 由于氣象的隨機(jī)性, 這種吸收的強(qiáng)弱也有起伏, 形成信號的衰落。由這

9、種原因引起的信號電平的變化較慢, 所以稱為慢衰落, 如圖 7-1(a)所示。慢衰落通常是指信號電平的中值（五分鐘中值、小時(shí)中值、月中值等）在較長時(shí)間間隔內(nèi)的起伏變化。 圖 7 1 衰落現(xiàn)象(a)慢衰落 (b)快衰落 干涉型衰落主要是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中, 由于收、 發(fā)兩點(diǎn)間存在若干條傳播路徑, 典型的如天波傳播、 不均勻媒質(zhì)傳播等， 在這些傳播方式中, 傳輸媒質(zhì)具有隨機(jī)性, 因此使到達(dá)接收點(diǎn)的各路徑的時(shí)延隨機(jī)變化, 致使合成信號幅度和相位都發(fā)生隨機(jī)起伏。這種起伏的周期很短, 信號電平變化很快, 故稱為快衰落, 如圖7 -1(b)所示。這種衰落在移動通信信道中表現(xiàn)得更為明顯

10、。 快衰落疊加在慢衰落之上。在較短的時(shí)間內(nèi)觀察時(shí), 前者表現(xiàn)明顯, 后者不易被察覺。信號的衰落現(xiàn)象嚴(yán)重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性, 需要采取有效措施（如分集接收等）來加以克服。 快衰落 定義：移動臺附近的散射體（地形，地物和移動體等）引起的多徑傳播信號在接收點(diǎn)相疊加，造成接收信號快速起伏的現(xiàn)象叫快衰落 快衰落細(xì)分為： 時(shí)間選擇性衰落（快速移動在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散） 空間選擇性衰落（不同的地點(diǎn)、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣） 頻率選擇性衰落（不同的頻率衰落特性不一樣，引起時(shí)延擴(kuò)散）。 (3) 傳輸失真 無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外, 還會產(chǎn)生失真振幅失真和相位失真。

11、產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè): 一是媒質(zhì)的色散效應(yīng), 二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。 色散效應(yīng)是由于不同頻率的無線電波在媒質(zhì)中的傳播速度有差別而引起的信號失真。載有信號的無線電波都占據(jù)一定的頻帶, 當(dāng)電波通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收點(diǎn)時(shí), 由于各頻率成分傳播速度不同, 因而不能保持原來信號中的相位關(guān)系, 引起波形失真。 至于色散效應(yīng)引起信號畸變的程度, 則要結(jié)合具體信道的傳輸情況而定。 多徑傳輸多徑傳輸多徑多徑不同路徑不同路徑場的疊加場的疊加信號的衰落信號的衰落同相疊加同相疊加信號增強(qiáng)信號增強(qiáng)反相疊加反相疊加信號減弱信號減弱克服多徑小尺度快衰落的技術(shù)措施之一空間分集空間分集以陣列天線來接受信號此外還涉及編碼技術(shù)等方面

12、 設(shè)接收點(diǎn)的場是兩條路徑傳來的相位差為=的兩個(gè)電場的矢量和。最大的傳輸時(shí)延與最小的傳輸時(shí)延的差值定義為多徑時(shí)延。對所傳輸信號中的每個(gè)頻率成分, 相同的值引起不同的相差。例如對f1，若1=1=, 則因二矢量反相抵消, 此分量的合成場強(qiáng)呈現(xiàn)最小值；而對f2, 若2=2=2, 則因二矢量同相相加, 此分量的合成場強(qiáng)呈現(xiàn)最大值，如圖 7 2(b)所示。 其余各成分依次類推。顯然, 若信號帶寬過大, 就會引起較明顯的失真。所以一般情況下, 信號帶寬不能超過1/。因此，引入相關(guān)帶寬的概念，定義相關(guān)帶寬:1f圖7-2 多徑傳輸效應(yīng) (4) 電波傳播方向的變化 當(dāng)電波在無限大的均勻、線性媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí), 射線是

13、沿直線傳播的。 然而電波傳播實(shí)際所經(jīng)歷的空間場所是復(fù)雜多樣的: 不同媒質(zhì)的分界處將使電波折射、反射; 媒質(zhì)中的不均勻體如對流層中的湍流團(tuán)將使電波產(chǎn)生散射; 球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射; 特別是某些傳輸媒質(zhì)的時(shí)變性使射線軌跡隨機(jī)變化, 使得到達(dá)接收天線處的射線入射角隨機(jī)起伏, 使接收信號產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落。因此, 在研究實(shí)際傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響問題時(shí), 電波傳播方向的變化也是重要內(nèi)容之一。 7.2 視距傳播視距傳播a) 視距傳播視距傳播（距離（距離1050km，300M以上），以上）， 主要特點(diǎn)：傳播區(qū)域限于視線距離以內(nèi)；頻率越高受地形、主要特點(diǎn)：傳播區(qū)域限于視線距離以內(nèi)；頻率越高受地形、

14、地物的影響越大；微波衰落嚴(yán)重；大氣吸收及雨衰減嚴(yán)重地物的影響越大；微波衰落嚴(yán)重；大氣吸收及雨衰減嚴(yán)重（1GHz）（存在一些相對穩(wěn)定的頻點(diǎn)，稱為空氣窗口）（存在一些相對穩(wěn)定的頻點(diǎn)，稱為空氣窗口）視距傳播發(fā)收（存在直射、折射、多徑反射，衍射等) 視距（Line of Sight, LOS）鏈路，一般適用于空曠地區(qū)（如平原等）。 LLOS是一條完全有視距的鏈路，在收、發(fā)機(jī)之間無遮擋，收發(fā)機(jī)相互可視，即，如果從發(fā)射端發(fā)射一道激光，它可以無遮擋地到達(dá)接收端。 此時(shí)，傳輸信道不是靠反射、折射或衍射建立起來的。當(dāng)某鏈路有不小于60%的（第一）菲尼爾區(qū)無遮擋時(shí)，我們則可以認(rèn)為該鏈路為視距（LOS）鏈路。視距鏈

15、路的定義圖7-3 視線距離視距傳播的距離估算)(221vhhar將地球半徑a=6.370106m代入上式, 即有32110)(57. 3hhrv 式中，h1和h2的單位為米。 視距傳播時(shí), 電波是在地球周圍的大氣中傳播的, 大氣對電波產(chǎn)生折射與衰減。 由于大氣層是非均勻媒質(zhì), 其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化, 大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)。 (7-2-2)m 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下, 大氣層的介電常數(shù)r隨高度增加而減小， 并逐漸趨近于1, 因此大氣層的折射率n= 隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄片層, 每一薄層是均勻的, 各薄層的折射率n隨高度的增加而減小。這樣當(dāng)電波在大氣層中依次通過每個(gè)薄

16、層界面時(shí), 射線都將產(chǎn)生偏折, 因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線， 如圖 7-4 所示。 當(dāng)考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時(shí), 視距公式應(yīng)修正為rm10)(12. 4)(232121evhhhhar 在光學(xué)上, rrv的區(qū)域稱為照明區(qū), rrv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。 圖 7 4 大氣層對電波的折射大氣對電波的衰減大氣對電波的衰減 大氣對電波的衰減主要來自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、 雨等小水滴對電波的熱吸收及水分子、氧分子對電波的諧振吸收。 熱吸收與小水滴的濃度有關(guān), 諧振吸收與工作波長有關(guān)。 另一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的散射, 散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比, 與波長的四次方

17、成反比。當(dāng)工作波長短于5cm時(shí), 就應(yīng)該考慮大氣層對電波的衰減, 尤其當(dāng)工作波長短于3cm時(shí), 大氣層對電波的衰減將趨于嚴(yán)重。 就云、霧、雨、雪對微波傳播的影響來說, 降雨引起的衰減最為嚴(yán)重, 對10千兆赫以上的頻率, 由降雨引起的電波衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)中都要考慮由降雨引起的衰減。 吸收雨衰，一種常見的吸收現(xiàn)象 。當(dāng)微波波長與雨滴大小接近或小于雨滴的尺寸時(shí)，將會出現(xiàn)“雨衰”現(xiàn)象。 2.4GHz的微波波長約為1.25分米，屬于分米波，不會 出現(xiàn)“雨衰”問題。 3.5GHz的微波波長大于8.5厘米，屬于厘米波，不會出 現(xiàn)“雨衰”問題 5.8GHz的微波波長大

18、于5厘米，屬于厘米波，不會出現(xiàn) “雨衰”現(xiàn)象。 3. 場分析場分析 在視距傳播中, 除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外, 還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波， 如圖 7-5 所示。因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。 設(shè)h1為發(fā)射天線高度, h2為接收天線高度, d為收、 發(fā)天線間距, E為接收點(diǎn)場強(qiáng), E1為直射波, E2為反射波。根據(jù)上面的分析, 接收點(diǎn)的場強(qiáng)為 E=E1+E2圖 7 5 直射波與反射波 式中, R為反射點(diǎn)處的反射系數(shù), R=|R|e j, f()為天線方向函數(shù)。 如果兩天線間距離dh1, h2, 則有(7-2-5)rfREErfEErkkrj02

19、j01e)(e)(FrfEaEkrj0e)(（7-2-6） 其中)( je1rrkRF式中，而dhhdhhdhhrr2121222122)(2)(將其代入式（7 2 7）得)/( j212e1dhhkRF當(dāng)?shù)孛骐妼?dǎo)率為有限值時(shí), 若射線仰角很小, 則有 RHRV-1 (7-2-7)(7-2-8)(7-2-9)(7-2-10)式中, RH為水平極化波的反射系數(shù); RV垂直極化波的反射系數(shù)。 對于視距通信電路來說, 電波的射線仰角是很小的（通常小于1）, 所以有dhhFdhhk21/2j2sin2e121（7-2-11） 由上式可得到下列結(jié)論: 當(dāng)工作波長和收、發(fā)天線間距不變時(shí), 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨天線

20、高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動，如圖 7- 6 所示。 當(dāng)工作波長和兩天線高度h1和h2都不變時(shí), 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨兩天線間距的增大而呈波動變化, 間距減小，波動范圍減小， 如圖 7 -7所示。 當(dāng)兩天線高度h1和h2和間距d不變時(shí), 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨工作波長呈波動變化， 如圖 7 - 8 所示。 圖 7 6 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨天線高度的變化曲圖 7 7 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨間距d的變化曲線起伏波動變化圖 7 8 接收點(diǎn)場強(qiáng)隨工作波長的變化曲線 7.3 (電離層電離層)天波傳播天波傳播：散射通信發(fā)收b)電離層電離層散射傳播散射傳播（3050MHz，10002000km）；利用電離層中）；利用電離層中電

21、子濃度的不均勻性對電波的散電子濃度的不均勻性對電波的散射作用完成遠(yuǎn)距離通信。射作用完成遠(yuǎn)距離通信。a)電離層反射傳播電離層反射傳播, 天波天波: 主要用于中波、短波的遠(yuǎn)距離的主要用于中波、短波的遠(yuǎn)距離的廣播、通信，岸船間航海移動移動通信，飛機(jī)地面間航廣播、通信，岸船間航海移動移動通信，飛機(jī)地面間航空移動通信。空移動通信。 其特點(diǎn)：傳播損耗小（遠(yuǎn)），衰其特點(diǎn)：傳播損耗小（遠(yuǎn)），衰落現(xiàn)象嚴(yán)重，短波傳播受電離落現(xiàn)象嚴(yán)重，短波傳播受電離層擾動大；層擾動大；c) 流星流星電離電離余跡余跡反（散）射傳播。反（散）射傳播。天波 1. 電離層概況電離層概況 電離層是地球高空大氣層的一部分, 從離地面60km的

22、高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層電子密度不是均勻分布的, 因此, 按電子密度隨高度的變化相應(yīng)地分為D, E, F1, F2四層, 每一個(gè)區(qū)域的電子濃度都有一個(gè)最大值, 如圖 7 - 9所示。 電離層主要是太陽的紫外輻射形成的, 因此其電子密度與日照密切相關(guān)白天大, 晚間小, 而且晚間D層消失; 電離層電子密度又隨四季不同而發(fā)生變化。圖 7- 9 電離層電子密度的高度分布 2. 無線電波在電離層中的傳播無線電波在電離層中的傳播 仿照電波在視距傳播中的介紹方法, 可將電離層分成許多薄片層, 每一薄片層的電子密度是均勻的, 但彼此是不等的。 根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)可求得自由電子密度為Ne的各向

23、同性均勻媒質(zhì)的相對介電常數(shù)為2er8 .801fN其折射率為18 .8012efNn式中, f為電波的頻率。 (7-3-1)(7-3-2) 當(dāng)電波入射到空氣電離層界面時(shí), 由于電離層折射率小于空氣折射率, 折射角大于入射角, 射線要向下偏折。當(dāng)電波進(jìn)入電離層后, 由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小, 因此各薄片層的折射率依次變小, 電波將連續(xù)下折, 直至到達(dá)某一高度處電波開始折回地面。 可見, 電離層對電波的反射實(shí)質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。 如圖 7 - 10, 在各薄片層間的界面上連續(xù)應(yīng)用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1= ni sini式中, n0為空氣折射率, n0

24、=1,0為電波進(jìn)入電離層時(shí)的入射角。(7-3-3)圖 7 10 電離層對電波的連續(xù)折射208 .801sinfNnii0sec8 .80iNf 上式揭示了天波傳播時(shí), 電波頻率f(Hz)與入射角0和電波折回處的電子密度Ni（電子數(shù)/m3）三者之間的關(guān)系。 由此引入下列幾個(gè)概念: (7-3-4)(7-3-5) 設(shè)電波在第i層處到達(dá)最高點(diǎn), 然后即開始折回地面, 則將i=90代入上式得或 （1） 最高可用頻率 由式（7 -3 -5）可求得當(dāng)電波以0角度入射時(shí), 電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為0maxmaxsec8 .80Nf(7-3-6)式中, Nmax為電離層的最大電子密度。 也就是

25、說, 當(dāng)電波入射角0一定時(shí), 隨著頻率的增高, 電波反射后所到達(dá)的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)電波工作頻率高于fmax時(shí), 由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度, 因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層，見圖 7-11 所示, 這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。 （2） 天波靜區(qū) 由式（7 -3 -4）可得電離層能把頻率為f(Hz)的電波“反射”回來的最小入射角0 min為2maxmin08 .801arcsinfN 由于入射角00min的電波不能被電離層“反射”回來, 使得以發(fā)射天線為中心的、一定半徑的區(qū)域內(nèi)就不可能有天波到達(dá), 從而形成了天波的靜區(qū)。 (7-3-7)圖 7110 一定而頻率不同時(shí)的射線圖712 頻率一定時(shí)通信距離與入射角的關(guān)系