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1、 无线电波传播的基础知识 RD4朱宁 目录 1概述2电波传播频段的典型应用3几种主要的电波传播方式4自由空间电波传播5惠更斯 菲涅耳原理6电波传播的菲涅尔区7极限直视距离8理想的户外测试环境 1概述 人类正在观测研究和利用的电磁波 其频率低至千分之几赫 地磁脉动 高达1030Hz量级 宇宙射线 相应的波长从1011m短至10 20m以下 电磁波频率低时 主要借由有形的导电体才能传递 在低频的电振荡中 磁电之间的相互变化比较缓慢 其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去 电磁波频率高时既可以在自由空间内传递 也可以束缚在有形的导电体内传递 在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中 磁电互变甚
2、快 能量不可能全部返回原振荡电路 于是电能 磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去 不需要介质也能向外传递能量 电磁波为横波 电磁波速度等于光速c 每秒3 10的8次方米 公式c f 波长 电磁每秒钟变动的次数便是频率f 电磁波通过不同介质时 会发生折射 反射 绕射 散射及吸收等等机械波与电磁波都能发生折射 反射 衍射 干涉 因为所有的波都具有波粒两象性 折射 反射属于粒子性 衍射 干涉为波动性 按序排列的频率分布称为频谱 或波谱 在整个电磁波谱中 无线电波频段 Radio FrequencyBand 的划分见P5表 超低频典型应用为地质结构探测 电离层与磁层研究 对潜通信
3、地震电磁辐射前兆检测 极低频典型应用为对潜通信 地下通信 极稳定的全球通信 地下遥感 电离层与磁层研究 甚低频典型应用为Omega 美 俄 超远程及水下相位差导航系统 全球电报通信及对潜指挥通信 时间频率标准传递 地质探测 低频典型应用为Loran C 美 及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统 时间频率标准传递 远程通信广播 中频用于广播 通信 导航 机场着陆系统 高频用于远距离通信广播 超视距天波及地波雷达 超视距地 空通信 2电波传播频段的典型应用 米波用于语音广播 移动 包括卫星移动 通信 接力 50km跳距 通信 航空导航信标分米波用于电视广播 飞机导航 着陆 警戒雷达 卫星导航 卫星
4、跟踪 数传及指令网 蜂窝无线电通信 厘米波用于多路语音与电视信道 雷达 卫星遥感 固定及移动卫星信道 毫米波用于短路径通信 雷达 卫星遥感 此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展 亚毫米波用于短路径通信 地面波传播表面波传播是指电波沿着地球表面传播的情况 这时电波是紧靠着地面传播的 地面的性质 地貌 地物等的情况都会影响电波的传播 当电波紧靠着起伏不平的地面传播时 由于地球表面是半导体 因此一方面使电波发生变化和引起电波的吸收 另一方面由于地球表面是球型 使沿它传播的电波发生绕射 3几种主要的电波传播方式 从物理知识中我们已经知道 只有当波长与障碍物高度可以比较的时候 才能有绕射功能
5、在实际情况中只有长波 中波以及短波的部分波段能绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方 在短波的部分波段和超短波 微波波段 由于障碍高度比波长大 因而电波在地面上不绕射 而是按直线传播 天波传播发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播 尽管中波 短波都可以采用这种传播方式 但是仍然以短波为主 它的优点是能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播 天波传播的规律与电离层密切相关 由于电离层具有随机变化的特点 因此天波信号的衰落现象也比较严重 视距传播电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播 Lineofsight 它可以分为地 地视
6、距传播和地 空视距传播 视距传播的工作频段为超短波及微波波段 此种工作方式要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度 信号在传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉 在几千兆赫和更高的频率上 还必须考虑雨和大气成分的衰减及散射作用 在较高的频率上 山 建筑物和树木等对电磁波的散射和绕射作用变得更加显著 除了上述3种基本的传播方式外 还有散射传播散射传播是利用低空对流层 高空电离层下缘的不均匀的 介质团 对电波的散射特性来达到传播目的的 散射传播的距离可以远远超过地 地视距传播的视距 对流层散射主要用于100MHz 10GHz频段 传播距离r1000km 散射通信的主要优
7、点是距离远 抗毁性好 保密性强 4自由空间电波传播 不同的电波传播方式反映在不同传输媒质对电波传播的影响不同 带来的损耗不同 但是即使在自由空间传播 电波在传播的过程中的功率密度也不断衰减 为了便于对各种传播方式进行定量的比较 有必要先进行电波在自由空间传播的讨论 dBm的概念 dBm即分贝毫瓦 功率单位与P 瓦特 换算公式 10 P dBm 10 P dB 30dB P 瓦 纯计数单位首先 DB是一个纯计数单位 对于功率 dB 10 lg A B 对于电压或电流 dB 20 lg A B dB的意义其实再简单不过了 就是把一个很大 后面跟一长串0的 或者很小 前面有一长串0的 的数比较简短地
8、表示出来 如 X 1000000000000000 15个 10lgX 150dBX 0 00000000000000110lgX 150dBdBm定义的是miliwatt 0dBm 10lg1mw dBw定义watt 0dBw 10lg1W 10lg1000mw 30dBm dBm功率转换表 自由空间传播损耗 FreeSpacePropagationLoss 的定义当发射天线与接收天线的方向系数都为1时 发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值 记为L0 即 或 如果实际情况下的接收点的场强为E 而自由空间传播的场强为E0 定义比值 E E0 为衰减因子 Attenuatio
9、nFactor 记为A 于是 相应的衰减损耗为 A与工作频率 传播距离 媒质电参数 地貌地物 传播方式等因素有关 考虑了上述路径带来的衰减以后 为了表明传输路径的功率传输情况 常常引入路径传输损耗 PropagationPathLoss记为Lb 即 发射天线的输入功率为Pin 增益系数为Gr 接收天线的增益系数为GL 实际的传输电道 定义发射天线输入功率与接收天线输出功率之比为该电道的传输损耗L PropagationLoss 即 在路径传输损耗Lb为客观存在的前提下 降低传输损耗L的重要措施就是提高收 发天线的增益系数 虽然自由空间是一种理想介质 是不会吸收能量的 但是随着传播距离的增大导致
10、发射天线的辐射功率分布在更大的球面上 因此自由空间传播损耗是一种扩散式的能量自然损耗 当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时 自由空间传播损耗分别增加6dB 公式举例 光在传播过程中遇到障碍物 光波会绕过障碍物继续传播 如果波长与障碍物相当 衍射现象最明显 惠更斯原理 介质中波动传播到的各点 都可看成是发射子波的新波源 在以后的任何时刻 这些子波的包迹就是新的波阵面 惠更斯原理只能定性解释波的衍射现象 不能给出波的强度 不能解释衍射现象中明暗相间条纹的形成 菲涅耳在惠更斯原理基础上加以补充 给出了关于位相和振幅的定量描述 提出子波相干叠加的概念 从同一波面上各点发出的子波 在传播到空间某一点时
11、 各个子波之间也可以互相迭加而产生干涉现象 这个经菲涅尔发展的惠更斯原理称为惠更斯 菲涅耳原理 5惠更斯 菲涅耳原理 6电波传播的菲涅尔区 理想的自由空间应是无边际的 但是这样的空间是不存在的 而对某一特定方向而言 却存在着能否视为自由空间传播的概念 更有其实际的意义 对此 需要介绍电波传播的菲涅尔区概念 空间A处有一球面波源 为了讨论它的辐射场的大小 根据惠更斯 菲涅尔原理 可以做一个与之同心 半径为R的球面 该球面上所有的同相惠更斯源对于远区观察点P来说 可以视为二次波源 如果P点与A点相距d R r0 为了计算方便起见 我们将球面S分成许多环形带Nn n 1 2 3 并使相邻两带的边缘到
12、观察点的距离相差半个波长 物理学上称这种环带为菲涅尔带 FesnelZone 即 菲涅尔半波带 a 剖面图 b 仰视的菲涅尔环形带 尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波 从波动光学的观点看 可以认为是通过许多菲涅尔区传播的 但起最重要作用的是第一菲涅尔区 作为粗略近似 只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡 就能得到自由空间传播时的场强 所以在实际的通信系统设计中 对第一菲涅尔区的尺寸非常关注第一菲涅尔区半径 实际上 划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的 因此当球面半径R变化时 尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化 但是它们的几何定义不变 而它们的几何定义恰恰就是以A P两点为焦点的椭圆定义
13、如图所示 如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性 不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收 发两点为焦点的旋转椭球 我们称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道 菲涅尔椭球 波长越短 第一菲涅尔区半径越小 对应的第一菲涅尔椭球越细长 对于波长非常短的光学波段 椭球体更加细长 因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播 由于电波传播的主要通道并不是一条直线 因此即使某凸出物并没有挡住收 发两点间的几何射线 但是已进入了第一菲涅尔椭球 此时接收点的场强已经受到影响 该收 发两点之间不能视为自由空间传播 而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球 即电波传播的主要通道 此时才可以认为该收 发两点之间被视为自由
14、空间传播 即使在地面上的障碍物遮住收 发两点间的几何射线的情况下 由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住 因此接收点仍然可以收到信号 此种现象被称为电波绕射 在地面上的障碍物高度一定的情况下 波长越长 电波传播的主要通道的横截面积越大 相对遮挡面积就越小 接收点的场强就越大 因此频率越低 绕射能力越强 不同波长的绕射能力 实际上 电磁信号在各种特定的媒质中传播的过程 除了以上所介绍的基本特性之外 还可能遭受衰落 反射和折射 极化偏移 干扰和噪声 时 频域畸变等效应 并因此而具有复杂的时空频域变化特性 这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产生严重的影响 因此各种媒质中各频段电磁波的传播效应是电
15、波传播研究的主要对象 7极限直视距离 超短波特别是微波 主要是由空间波来传播的 由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax 在最远直视距离之内的区域 习惯上称为照明区 极限直视距离Rmax以外的区域 则称为阴影区 利用超短波 微波进行通信时 接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内 受地球曲率半径的影响 极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为 Rmax 3 57 HT m HR m km 考虑到大气层对电波的折射作用 极限直视距离应修正为Rmax 4 12 HT m HR m km 由于电磁波的频率远低于光波的频率 电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70 即Re 0 7Rmax公式举例 8理想的户外测试环境 两点距离20Km 频率5725Mhz 149Channel 为例 求此时理想的户外测试点高度 为了把问题简单化 这里的两个测试点高度相同 计算 不考虑反射等情况 满足极限直视的两点高度h1 12m 前文已介绍 两点间电波传输当他们之间的第一菲涅尔区未被遮挡时 可视作自由空间传播 第一菲涅尔区半径r 22 85因为地球周长6378 137km 20km 所以这里计算把r h2 22 85 满足条件的两点理想地面高度为h1 h2 34 85m 谢谢
