1、微波的電波傳播理論 基本概念：由于微波是在大氣中作視線傳播實現(xiàn)的通信，它在傳播的過程遵循 電波在自由空間的輻射和傳播理論、惠更斯-費涅耳原理、電波傳播的費涅耳區(qū) 的理論、電波的干涉和極化、電波可能會受到大氣不均勻體的反射、可能會受到大氣層中形成的倒布層的影響、可能會由于大氣的介質(zhì)梯度的不規(guī)則變化使電波出現(xiàn)超常態(tài)的超折射、電波在不同性質(zhì)平地面上的反射、在光滑球面上繞射、在刃型單障礙物、在多障物情況下的傳播、電波在大氣傳播受大氣中的雨、霧的吸收、衰減理論；這些的總和就是微波的傳播理論 1、自由空間損耗自由空間損耗 v假設(shè)電磁波在自由空間（即理想介質(zhì)空間）傳播，雖然不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象

2、，不因這些因素消耗能量，但電波在自由空間傳播時，能量會因空間擴(kuò)散而衰耗，這部分衰耗的能量稱作自由空間損耗，根據(jù)能流密度和天線理論我們可以得到自由空間電波的傳播損耗的計算公式： Ls=Pt / Pr =(4df/c) 2 -（1） 或 Ls（dB）=20log(4df/c) -（2） v上式中： LS-自由空間損耗（dB） d-電波發(fā)源射源到接收點間距離 （m） f-電波工作頻率(Hz) c -光速 3 108 （m/s） 如果d以km、f 以GHz計公式可改寫為 Ls（dB）=92.4+20log d+20logf -(3) 2、費涅爾半徑與余隙 惠更斯提出了電磁波波動性學(xué)說，費涅耳在這個基礎(chǔ)

3、惠更斯提出了電磁波波動性學(xué)說，費涅耳在這個基礎(chǔ)上提出了費涅耳區(qū)的概念，進(jìn)一步解釋了電波的反射、繞射上提出了費涅耳區(qū)的概念，進(jìn)一步解釋了電波的反射、繞射等現(xiàn)象。在微波傳輸中，我們需要根據(jù)該原理來考慮地面反等現(xiàn)象。在微波傳輸中，我們需要根據(jù)該原理來考慮地面反射對微波的影響。射對微波的影響。 惠更斯原理的基本思想：光和電磁波都是一種振動，其周惠更斯原理的基本思想：光和電磁波都是一種振動，其周圍的媒質(zhì)是具有彈性的，故一點的震動可通過媒質(zhì)傳遞給鄰圍的媒質(zhì)是具有彈性的，故一點的震動可通過媒質(zhì)傳遞給鄰近的質(zhì)點，并依次向外擴(kuò)展，而成為媒質(zhì)中傳遞的波。因此近的質(zhì)點，并依次向外擴(kuò)展，而成為媒質(zhì)中傳遞的波。因此可以

4、認(rèn)為一個點源的震動傳遞給鄰近的質(zhì)點后，就形成了二可以認(rèn)為一個點源的震動傳遞給鄰近的質(zhì)點后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果點源發(fā)出的波是球面波，那么次波源、三次波源等等。如果點源發(fā)出的波是球面波，那么由點源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次由點源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次.波前面波前面也是球面波。在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波也是球面波。在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波中繼距離時中繼距離時 可將發(fā)射天線看成是一個點源可將發(fā)射天線看成是一個點源2.1、費涅爾半徑的概念費涅耳橢球面費涅耳橢球面 假定有一個微波中繼段發(fā)信點為假定有一個微波中繼段發(fā)信點為T，收信點

5、為，收信點為R，站間距為，站間距為d，通過高，通過高等數(shù)學(xué)可以知道，平面上一個動點等數(shù)學(xué)可以知道，平面上一個動點P到兩個定點（到兩個定點（T、R）的距離若為一）的距離若為一個常數(shù)，則此點的軌跡為一個橢圓。在空間此動點的軌跡是一個旋轉(zhuǎn)橢個常數(shù)，則此點的軌跡為一個橢圓。在空間此動點的軌跡是一個旋轉(zhuǎn)橢球面。對于我們討論的電波傳播中，這個常數(shù)當(dāng)為球面。對于我們討論的電波傳播中，這個常數(shù)當(dāng)為d+/2時，得到的橢時，得到的橢球面稱為第一費涅耳橢球面；常數(shù)為球面稱為第一費涅耳橢球面；常數(shù)為d+2/2時，得到的橢球面稱為第二時，得到的橢球面稱為第二費涅耳橢球面費涅耳橢球面. 常數(shù)為常數(shù)為d+N/2時，得到的橢

6、球面稱為第時，得到的橢球面稱為第N費涅耳橢球費涅耳橢球面面 費涅耳區(qū)費涅耳區(qū) 如果前述定義的一系列費涅耳橢球面如果前述定義的一系列費涅耳橢球面,與我們從與我們從T或或R點出發(fā)認(rèn)定的點出發(fā)認(rèn)定的某一波前面相交割某一波前面相交割,在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個圓，稱為第一個費涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓心是一個圓，稱為第一個費涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓環(huán)）稱為第二個費涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費涅耳區(qū)、第四費涅環(huán)）稱為第二個費涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費涅耳區(qū)、第四費涅耳區(qū)耳區(qū). 第第N費涅耳區(qū)。這些圓

7、和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為費涅耳區(qū)。這些圓和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為在垂直于地面且垂直于在垂直于地面且垂直于T與與R間射線的平面區(qū)域圖形間射線的平面區(qū)域圖形 TRF1Pd1d2第一費涅爾區(qū)半徑第一費涅爾區(qū)半徑 d費涅爾半徑計算公式：費涅爾半徑計算公式：v根據(jù)費涅耳橢球面、費涅耳區(qū)定義并做適當(dāng)?shù)慕撇浑y得出第一、第根據(jù)費涅耳橢球面、費涅耳區(qū)定義并做適當(dāng)?shù)慕撇浑y得出第一、第二二.第第N 個費涅耳區(qū)半徑表達(dá)式：個費涅耳區(qū)半徑表達(dá)式： vF2=（2d1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 -(4)vF1=（d1d2/d）1/2 -(5)v .vFn=（nd1d2/d）1/2 =

8、(n)1/2 F1 -(6)v上式中：上式中：vF1、含義同前，單位都為含義同前，單位都為m。d1、d2、d 含義同前，單位都為含義同前，單位都為km。我們把費涅區(qū)上的任意一點到我們把費涅區(qū)上的任意一點到R-T連線的距離稱為費涅耳區(qū)半徑，用連線的距離稱為費涅耳區(qū)半徑，用F 表示。表示。當(dāng)這一點為第一費涅耳區(qū)上的點時，此半徑稱為第一費涅耳區(qū)半徑當(dāng)這一點為第一費涅耳區(qū)上的點時，此半徑稱為第一費涅耳區(qū)半徑 2.2 余隙 v地面反射對收信電平的影響 （在這里為了便于說明，我們近似的都不考慮地球凸起高度；這相當(dāng)于站距很短地面起伏不大的情況。） 在實際的微波工程中，常會遇到刃形障礙物阻擋傳輸路徑的情況，這

9、時刃形障礙物不可能阻擋所有的費涅耳區(qū)，所以在收信點僅有一部分費涅耳區(qū)的能量繞過，使接收點多少有一定電平數(shù)。而這個數(shù)值一定低于自由空間電平。這個由于刃形障礙物的阻擋而增加的損耗我們稱之為附加損耗。當(dāng)障礙物的尖鋒正好落在收發(fā)兩端的連線上，即HC=0時，附加損耗為6dB ;當(dāng)障礙物的頂鋒超過收發(fā)兩端的連線時，附加損耗將很快增加 ;當(dāng)障礙物的頂鋒在收發(fā)兩端的連線以下時，附加損耗將在0dB上下少量變動。這時路徑上傳輸損耗（或說收信電平）將與自由空間數(shù)值接近。 余隙：障礙物的尖峰于微波收發(fā)兩端的連線的垂直距離 -24-26-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2042-2868-2.5-

10、2.0 -1.5 -1.0-0.5011.0 1.5 2.0 2.5附加損耗dB圖 3 刃形障礙物的阻擋損耗HC/F1通過的電磁波的場強(qiáng)分析，并假設(shè)段距D遠(yuǎn)遠(yuǎn)v大于兩端的天線高度（h1和h2）時，衰落因子V與相對余隙hc/F1存在以下定量關(guān)系： V=1+2+2COS（ hc/F1 ）21/2 值與地面條件有關(guān)。 234156v06dB810-20-30-40-1.0-0.500.50.5771.4141.522.5HC/F1=N1/2圖5 VdB與HC/F1D 關(guān)系曲線費涅耳區(qū)序號 v在=1時考慮地面的影響，第一次出現(xiàn)收信電平等于自由空間電平時Hc/F1=0.577。v 在1時，第一次出現(xiàn)收信

11、電平等于自由空間電平時Hc/F1=0.577。v 我們把Hc/F1=0.577時的余隙稱為自由空間余隙，用H0表示。v它的表達(dá)式為： v H0=0.577F1=（d1d2/d）1/2 考慮微波的地面反射，空氣對流層折射情況的余隙h2h1d1d2dhbhshcKddhb210785. 0地球凸起高度：其中K為大氣折射因子路徑余隙的計算公式：hh dh ddd dKhcs12211200785.余隙可得大于一階余隙可得大于一階費涅爾半徑費涅爾半徑相對余隙的計算公式：PHc/F12.3對流層對電波的影響v2.3.1大氣中射線的彎曲v在大氣中，由于隨高度的不同大氣將受到不同的壓力、溫度、濕度的影響，而使大氣隨高度的變化而不同；這種變化用dn/dh 來達(dá)。參看下圖 電波實際方向電波發(fā)射方向電波實際方向電波發(fā)射方向波前波前波前波前 小大小大（n圖10 受大氣折射影響的電波軌跡變化（n大）（n小）小）（n大）2.3.2 等效地球半徑的概念v為了方便研究分析對于電波