天线与电波传输第9次课

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1、天线与电波传播 第9次课By 樊振宏8. 电波传播的基础知识8.1 概述 8.1.1 电磁波谱 8.1.2 几种主要的电波传播方式 8.2 自由空间电波传播 8.3 电波传播的菲涅尔区8.1概述8.1.1 电磁波谱频段名称及典型业务 名称符号频率波段波长传播特性主要用途甚低频VLF3-30KHz甚长波100-10 km空间波为主海岸潜艇通信；远距离通信；超远 距离导航低频LF30- 300KHz长波10- 1km地波为主越洋通信；中距离通信；地下岩层 通信；远距离导航中频MF0.3-3MHz中波1km- 100m地波与天波船用通信；业余无线电通信；移动 通信；中距离导航高频HF3-30MHz短

2、波100m- 10m天波与地波远距离短波通信；国际定点通信甚高频VHF30- 300MHz米波10m- 1m空间波电离层散射（30-60MHz）；流星余 迹通信；人造电离层通信（30- 144MHz）；对空间飞行体通信；移 动通信特高频UHF0.3-3GHz分米波100- 10cm空间波小容量微波中继通信；（352- 420MHz）；对流层散射通信（700- 10000MHz）；中容量微波通信（ 1700-2400MHz）超高频SHF3-30GHz厘米波10- 1cm空间波大容量微波中继通信（3600- 4200MHz）；大容量微波中继通信（ 5850-8500MHz）；数字通信；卫星 通信；

3、国际海事卫星通信（1500- 1600MHz） 极高频EHF30- 300GHz毫米波10- 1mm空间波在入大气层时的通信；波导通信8.1.2 电波传播方式电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量 。对于特定频率和极化的代表与特定媒质条件相匹配， 将具有某种占优势的传播方式。常用的电波传播方式分 为：地面波传播；天波传播；视距传播；8.2. 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，有必要先进行在自由空间传播的讨论。1. 自由

4、空间传输损耗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 (D=1), 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由此, 离天线为r处的电场强度E0值为 又假设发射天线是一实际天线, 其辐射功率仍为P, 设它的输入功率为Pi, 若以Gi表示实际天线的增益系 数, 则在离实际天线r处的最大辐射方向上的场强为（8-2-1）实际工程中，为了对发射机、发射天线及接收机、接收天线合理地提出要求，需要预先进行电道计算 ：主要是计算电波在传播过程中的衰减程度。如果接收天线的增益系数为GR, 有效接收面积为Ae, 则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率

5、为将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基 本传输损耗: 将上式取对数得 （8-2-5）（8-2-6）（8-2-7）如果收发天线的增益系数均为1,则可得自由空间传输损耗为：由上式可见: 若不考虑天线的因素, 则自由空间中的传输 损耗, 是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩 散而引起的, 它反映了球面波的扩散损耗。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。当波长l=100m, 传播距离r = 50km时,L0 = 76dB这是一个不小的数据。 电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。 这种能 量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的, 也

6、可能是由于电 波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。 在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下, 设接收点的实际场强E、功率PR，而自由空间的场强为E0、功率为PR， 则信道的衰减因子A为（8-2-9）相应的衰减损耗为（8-2-8）2. 信道的传输损耗则传输损耗Lb为式中, 前三项为自由空间损耗Lbf； A为实际媒质的损耗。 不同的传播方式、 传播媒质, 信道的传输损耗不同。 在传播路径损耗Lb客观存在的条件下，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。（8-2-10）（8-2-14）9 地面波传播无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播 (Groun

7、d Wave Propagation), 当天线低架于地面, 且最大辐射方 向沿地面时, 这时主要是地面波传播。在长波、长波、中波 波段和短波的低频段（104106 Hz)均可用这种传播方式。军 事上常用于近距离通信、侦察和干扰。 特点： 信号稳定，基本上不受气象条件、昼夜及季节变化的 影响。频率升高，损耗迅速增大。9.1 地球表面电特性地球平均半径6370km,最外层是地壳层，它的表面是电导率较 大的冲积层。由于地球内部作用，以及外部的风化作用，使得地 球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，还有人为建筑 、田野等，它们影响了电波传播。 地面波主要取决于地面条件。 1 、地面的不平坦性（

8、长波中波时，除高 山外可认为地面为平坦的） 2、地质的情况 ：复介电常数表9-1-1 地面的电参数 导电？介电？ 传导电流与位移电流密度之比良导体电介质半电介质Page 197 表9-1-29.2 地面波的传播特性电磁波是沿着半导电性质和起伏不平的地 表面进行传播的。 1、吸收。（水平极化衰减大、垂直极化吸 收小，见图9-2-1） 2、绕射(波长长的绕射能力强）9.2.1 波前倾斜现象 设有一直立天线（发射天线）架设于地面之上, 辐射的垂直极化波沿地面传播时, 若大地是理想 导体, 则接收天线接收到的仍是垂直极化波。 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

9、应出与其一起移动 的电荷, 进而形成电流, 由于地面是半导电媒质 ，从而产生欧姆损耗, 产生压降，即沿地表面形 成较小的电场水平分量, 致使波前倾斜, 变为椭 圆极化波, 如图 9-2-2所示。 显然, 波前的倾斜 程度反映了大地对电波的吸收程度。 图9-2-2 波前倾斜现象M.A.列翁托维奇 近似边界条件9.2.2 地面波传播的场分量从以上知识可以得到如下结论: 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。因此,

10、 地面波传播主要用于长、中波传播, 短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时, 只能进行几千米或十几千米 的近距离通信。海水的电导率比陆地的高, 因此在海面上要比陆地上传得 远的多。 9.2.3 地面波传播特性 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，直立天线附近宜用湿地。也可以采用低架或埋地水平天线接收，并且其附近宜用er和s较小的干地，并且不宜埋地过深。 第74页的G型天线 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。 4

11、极化 地面上水平极化损耗大5 有绕射损耗。6.长波中波时是一个狭长椭圆极化波。短波、超短波时，相位差趋于零，可近似认为是线极化波。9.3 地面波场强的计算 使用(9-3-1)计算传播距离较远时的E1x的有效 值。的严格计算非常复杂 工程上，应用CCIR(国际无线电咨询委员会 )推荐的一组曲线（Bremmer计算曲线) 使用条件： 地面光滑，地质均匀 发射天线使用短于l/4的直立天线，辐射功率为 1kW 计算的是E1x的有效值图中衰减因子A值已经计入大地的吸收损耗及球面地的绕射损 耗。100km后的急剧衰减，主要是绕射损耗增大所致。9.4 地面不均匀对地面波传播的影响 比如船与岸上基站的通信。不满足互易定理，即EAC与EcA不等。补救方法：总路径相等时，“海洋-干土-海洋” 的路径损耗 小于“干土-海洋-干土” 的路径损耗地面波的“起飞” “ 着落” 效应 可见，实际工作中适当选择发射、接收天 线附近的地质是很重要的。