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1、通信技术基础课程第1页一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性对 流 层平 流 层中 间 层热 层散 逸 层中 性 层电 离 层磁 层0 km710 km50 km8085 km800 km20003000 km热分层电分层 大气的分层大气的分层 无线电波可在地球表无线电波可在地球表 面传播，也可在大气面传播，也可在大气 层和真空（自由空间层和真空（自由空间 ）中传播。）中传播。 在不同的传输媒质中在不同的传输媒质中 ，无线电波表现出不，无线电波表现出不 同的传输特性。同的传输特性。对电磁波传播有哪些影响？通信技术基础课程第2页 氧气分子与水蒸汽在特氧气分子与水蒸汽在特 定频率电磁
2、波的作用下定频率电磁波的作用下 发生共振，从而吸收信发生共振，从而吸收信 号能量。号能量。 避免在大气层内使用上避免在大气层内使用上 述吸收峰附近的频率进述吸收峰附近的频率进 行通信（行通信（可以用于空间可以用于空间 通信通信）。）。水蒸气 吸收峰 22.3GHz氧分子 吸收峰 60GHz一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性1 1、氧气分子和水蒸汽对电磁波的吸收、氧气分子和水蒸汽对电磁波的吸收通信技术基础课程第3页一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性2 2、雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射和散射通信技术基础课程第4页一、
3、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性3 3、对流层对电磁波的折射、对流层对电磁波的折射 大气的压力、温度和湿度 随地区及离开地面的高度 而变化，因而是不均匀的 大气折射率随高度的变化 ，将引起电波传播方向发 生弯曲，称为大气对电波 的折射 折 射 率 减 小12n2n1高 度 增 加简单的解释通信技术基础课程第5页3 3、对流层对电磁波的折射、对流层对电磁波的折射密 度 降 低折 射 率 减 小波阵面波阵面(Wavefront)，也称“等相面”，同一源发出的波在介质 中传播相同时间所到达各点组成的面，同一波阵面上各点的 相位相同。波在折射率大的介质中传播速度慢，而在折射率低的介质
4、中传播速度快。高 度 增 加一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性通信技术基础课程第6页4 4、电磁波在电离层中的传播、电磁波在电离层中的传播 电离层特性：电离层位于地表50800km范围内。由 于太阳辐射，使大气分子电离，产生大量电子。 电离层电子密度呈现一种“两头低、中间高”的分布，即 其最上层与最下层密度低，而中间部分密度高。 最高层辐射严重，但空气分子密度低 最低层空气分子密度高，但辐射射线较弱电子密度高 度一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性通信技术基础课程第7页4 4、电磁波在电离层中的传播、电磁波在电离层中的传播 电离层特性： 在不同年份、不同季节、
5、一天内的不同时间，由于太阳位置 的不同，会导致电离层特性（带电子密度）出现明显差异 太阳辐射的变化会导致短时间内带电子密度的剧列变化，称 为“电离层闪烁”太阳直射位置 （白天）一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性通信技术基础课程第8页4 4、电磁波在电离层中的传播、电磁波在电离层中的传播 电离层特性：大量电子的存在使电离层折射率发生变 化ne：电子密度 f：信号频率 电子离度越高，折射率越偏离“1” 频率越低，折射率越偏离“1”一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性通信技术基础课程第9页4 4、电磁波在电离层中的传播、电磁波在电离层中的传播 后果一：折射率随电子密
6、度的不同而不同，从而使信号传 播路径发生弯曲，群时延发生改变 后果二：对不同频率信号的折射率不同，通过电离层后不 同频率信号相移与频率不成线性比例，从而发生色散 失真严重程度随电子密度以及信号占用频率不同而不同 带宽越宽的信号受影响越严重原始脉冲无色散介质无色散介质 输出脉冲输出脉冲经电离层后经电离层后 输出脉冲输出脉冲一、电波在大气中的传播特性一、电波在大气中的传播特性通信技术基础课程第10页二、传播损耗二、传播损耗1 1、自由空间传播损耗、自由空间传播损耗 在接收天线处，功率通 量密度为接收功率由于 ，有于是最终可得d发射天线接收天线 发射天线与接收天线的最大辐 射方向相互指向对方 发射天
7、线在最大辐射方向上的 增益为G GT T，接收天线最大辐射 方向上的增益为G GR RPTPR“自由空间传播损耗”通信技术基础课程第11页1 1、自由空间传播损耗、自由空间传播损耗 物理意义是什么？ 天线无方向性的辐射导致绝大部分功率没有进入接收天 线，从而形成损耗。 例：某微波通信系统站间距离 d = 50km，信号频 率5GHz，求Lf以分贝形式表示为信号波长这是一个非常巨大的数值！100W功率发出后，只能 接收到1pW功率！二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第12页2 2、障碍物遮蔽形成的损耗、障碍物遮蔽形成的损耗 波的传播惠更斯原理波的衍射t时刻波阵面t+t时刻波阵面波的传播波阵
8、面上每一点相当于一个点源 ，而这点源波阵面的迭加形成新的 波阵面。二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第13页 点源点源A A波阵面上的各点的波阵面在接收波阵面上的各点的波阵面在接收B B相互相互 迭加，形成波阵面。迭加，形成波阵面。 因此对任意点源发出的波的阻挡均会影响因此对任意点源发出的波的阻挡均会影响B B点点 所接收到的电磁波。所接收到的电磁波。AB波阵面点源二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第14页 在信号传播路径上存在在信号传播路径上存在刃形障碍物刃形障碍物遮挡时，遮挡时， 会对接收点接收到的信号功率构成影响。会对接收点接收到的信号功率构成影响。d1d2hC当障碍物低于天
9、线连线时余隙hC符号为“+” 当障碍物高于天线连线时余隙hC符号为“-”称为第一菲涅耳半径障碍物顶点低于连线0.51个第一菲涅耳半径以上时，信号功率几忽不受影响； 障碍物顶点高于上述高度后，信号功率损失开始随着障碍物高度增加而迅速增加; 二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第15页3 3、大气层内各种成份引起、大气层内各种成份引起 的损耗的损耗 在地球大气层中传播的无线 电波会有部分能量被大气中被大气中 各种成分吸收各种成分吸收，导致信号电 平下降，这一损耗的大小与 信号频率、温度、气压以及 水蒸汽浓度以及信号穿过大 气的路径长度有关 这里分析的不包括降雨、降 雪等特殊天气情况 从图中可见
10、，随着频率提高 ，大气吸收造成的损耗增大 。但绝对值仍较小。二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第16页4 4、大气闪烁、大气闪烁 “闪烁”是指由于传播媒质不规则地随时间变化而引起的无线信号参数快速变化的情况。 对流层闪烁 主要影响频率在10GHz以上的系统。对流层闪烁由大气湍流、 逆温等因素导致的折射率变化引起。ITU-R Rec.P.618-8提供了对流层损耗计算模型 低仰角情况 电离层闪烁 主要在使用3GHz以下频率的系统中表现明显。3-10GHz范围内两者均有所 表现，数值相近二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第17页5 5、降雨（雪）对信号的损耗、降雨（雪）对信号的损耗 降
11、雨会对电磁波形成散射或吸收,从而导致信号功 率损失,称为“雨衰”图中为一定的降雨强 度下降雨衰减与信号 频率的关系。雨衰对 频率越高的信号影响 越严重。二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第18页6 6、去极化效应导致的损耗、去极化效应导致的损耗 降雨的去极化效应 电磁波穿过地球磁场导致的法拉第电磁旋转极化方向发生变化，从而使电磁波极化方极化方向发生变化，从而使电磁波极化方 向与接收天线极化方向发生失配向与接收天线极化方向发生失配发射信号极 化方向极化方向被 改变传输媒 质只有与原来极化方 向一致（也与接收 天线极化方向一致 ）的分量被接收二、传播损耗二、传播损耗通信技术基础课程第19页1
12、 1、地波传播、地波传播 地波传播，也称“地表波”传播，是电磁波利用地表的导电特 性(而非对流层、电离层反、散射)而沿着地球表面的传播方式 。 主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、广播、对潜通信 等业务。发送功率为1kW 损耗随工作频率增加而迅速增大，通常使用频 率低于2MHz信号，天线尺寸通常较大； 几乎不受电离层扰动影响，但受地表特性影响 严重 在水面、沼泽等良导体表面损耗较小；而在沙漠 等干噪区域很难传播 大气噪声电平高，工作频带窄。地面地面特点特点三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第20页2 2、对流层传播、对流层传播视距传播：当收、发天线架设高度较高（远大于波长） ，
13、电波直接从发射天线传播至接收点（有时有反射波到 达），称为“直射波传播”或“视距传播”。主要用于微波 中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。 传播特点：传播距离限于视线距离以内，一般为1050km；频率愈高受地 形地物影响大；微波衰落现象严重；10GHz以上电波，大气吸 收及雨衰减严重。三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第21页2 2、对流层传播、对流层传播散射传播：利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射 作用，实现超视距传播。 传播特点： 常用频段为200MHz5GHz；由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高 灵敏度接收机及高增益天线等设备； 单跳跨距
14、可达300800km，特别适用于无法建立微波中继站的 地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第22页3 3、电离层传播、电离层传播 电离层反射传播：主要用于中、短波远距离广播 、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面间航空 移动通信等业务。 主要传播特点： 传播损耗小，能以较小功率进行远距离传播；衰落现象 严重；受电离层扰动影响大。电离层电离层三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第23页3 3、电离层传播、电离层传播 电离层散射传播：利用电离层中电子浓度不均匀 性（通常发生在离地面高度90110km处）对电 波的散射作用完成远
15、距离通信。常用的频段为35 70MHz。 主要传播特点： 传输损耗大；允许传输频带窄，一般为35kHz；衰落 现象明显。但单跳跨距可达10002000km。当电离层 受到骚扰时，仍可保持通信。三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第24页3 3、电离层传播、电离层传播 流星电离余迹散射传播：利用发生在80120km 处流星电离余迹对电波的散射作用，实现2000km 内的远距离传播。常用频段为3070MHz。 传播特点： 由于流星电离余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它 建立瞬间通信，在军事上应用较多。 三、电波传播方式三、电波传播方式流星余迹流星余迹通信技术基础课程第25页4 4、地
16、、地电离层波导传播电离层波导传播 电波在以地球表面及电离层下 缘为界的地壳形空间内传播。 主要用于低频（长波）、甚低 频（超长波）远距离通信、导 航以及标准频率和时间信号的 传播。 主要传播特点： 传输损耗小，受电离层扰动影响 小，传播相位稳定，有良好的可 预测性，但大气噪声电平高，工 作频带窄。 电离层电离层地球地球Waveguide信号波长与地表-电离层下缘 距离在同一量级三、电波传播方式三、电波传播方式通信技术基础课程第26页5 5、外大气层及行星际空间电波传播、外大气层及行星际空间电波传播 电波传播的空间主要在外大气层或行星际空间， 以宇宙飞船、人造地球卫星或天体为对象，在地 空或空空之间传播。主要用于卫星通信、宇
