《微波与卫星通信 第二版 教学课件 ppt 作者 孙学康 张政 第四章 微波传播》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波与卫星通信 第二版 教学课件 ppt 作者 孙学康 张政 第四章 微波传播（254页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第四章 微波传播,4.1 电波传播模式,无线通信中主要的电波传播模式有空间波、地表面波和天波三种。,1空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。在电波的传播过程中，会出现反射、折射和散射等现象。长途微波通信和移动通信中均采用这种视距通信方式。,2地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。长波、中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。,3天波是利用电离层的折射、反射和散射作用进行的电波传播模式。短波通信采用的正是这种电波传播模式。,4.2 长途微波通信系统中的电波传播,4.2.1自由空间的电波传播 1电波与自由空间的概念 微波是一种电磁波，微波射频为300MHz300GHz，是全部
2、电磁波频谱的一个有限频段。,根据微波传播的特点，可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。 自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。,2自由空间的传播损耗 在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。,但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。,因为电波由天线辐射后，便向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分，距离越远，这一部分能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。,显而易见，距离光源越远的地方，单位面积上
3、接收到的能量也越少。 上面所说的这种电波扩散衰耗就称为自由空间传播损耗。,下面用图4-1说明自由空间传播损耗。 假定发信设备位于球体中心，使用无方向性天线，以功率Pt向周围空间辐射电磁波，在半径为d的球面上接收点B的单位面积上的平均功率为,由天线理论知道，一个各向均匀辐射的天线，其有效面积为：,这样，一个无方向性天线在B点收到的功率为,还可写成,则传播损耗为 （4-1） 或 （4-2）,当距离d以km为单位，频率f以GHz为单位时，传播损耗 Ls（dB）=92.4+20lg d +20lg f （4-3）,当频率f以MHz为单位时，传播损耗 Ls（dB）=32.4+20lg d +20lg f
4、 （4-4） 式中d为收发天线的距离，f为发信频率。,3自由空间传播条件下收信电平的计算 微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线。,当 收发天线增益分别为Gr（dB）、Gt（dB）； 收发两端馈线系统损耗分别为Lfr（dB）、Lft（dB）。,收发两端分路系统损耗分别为Lbr（dB）、Lbt（dB）； 自由空间传播损耗为Ls（dB）。,则，在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为 Pr（dBm）Pt（dBm）+（Gt+Gr）（LftLfr）（LbtLbr）Ls （4-5）,【例题4-1】已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，GtGr39dB，LftLfr2 d
5、B，LbtLbr1 dB。,求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。,解： 由已知条件，站距d45km，工作频率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得 Ls（dB）=32.4+20lg 45 +20lg 3800137 dB,4.2.2地面反射对电波传播的影响 不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。,地面散射：往往表现为乱反射，对主波射束的影响较小，本章不予讨论。,绕射：在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，将在下节讨论。,反射影响主要表现是：地面可以把天线发出的一部分信号能量反射
6、到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更大些），与主波信号产生干涉，并与主波信号（直射波）在收信点进行矢量相加，其结果是，收信电平与自由空间传播条件下的收信电平相比，也许增加，也许减小。,1. 费涅耳区的概念 (1) 惠更斯-费涅尔原理 惠更斯提出了电磁波的波动性学说，费涅耳在这个基础上又提出了“费涅耳区”的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。,惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想是：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。,在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于站间距离的时
7、候，我们可以把发信天线近似看成一个点源，如图4-2所示。,(2) 费涅尔区的概念 设TR之间距离为d。当常数PTPR为： d/2时，P点的轨迹为第一费涅耳椭球面； d2/2时，P点的轨迹为第二费涅耳椭球面，图中分别用 A 、B 标出。,dn/2时，P点的轨迹为第n费涅耳椭球面。N越大，费涅耳椭球面越大。,再结合图4-2，当用T点发出的且过P点的第N个球面波前面与n个费涅耳旋转椭球面交割，就可在交割界面上得到一系列的圆和圆环，见图4-3。,中心是一个圆，称为第一费涅耳区。其外面的圆环（外圆减内圆得到的环）称为第二费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区第n费涅耳区。,(3) 费涅尔区
8、半径 我们把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。,第一费涅耳区半径用F1表示。下面用图4-4求第一费涅耳区半径（F1在工程上是用得最多的参数之一）。,在图4-4中，P为第一费涅耳区（PTPR=d/2）上一点，d1为P点到发信天线T的水平距离，d2为P点到收信天线R的水平距离，收发站距dd1d2。,根据费涅耳椭球面及费涅耳区的定义，由图4-4可见， （4-6）,经公式推导，可近似得到 （4-7）,同样可求，第二费涅耳区半径为,第n费涅耳区半径为 （4-8）,式（4-7）中，若的单位为米（m），d1、d2、d的单位为公里（km），则 （4-9）,由公式可见，当动点P在路
9、径中所处的位置不同时，费涅耳区半径也就不同。P在路径中点时，以第一费涅耳区半径为例，公式（4-9）中d1d2，此时的第一费涅耳区半径有最大值，用F1m表示。,2. 地面反射对收信电平的影响 本节所波及的地面均未考虑地球凸起高度的影响，当两个微波站距离较近，地面又起伏不大时，可适用于本情况。,(1) 平坦地形对电波的反射 平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。,在实际的微波通信线路中，总是把收、发天线对准，以使收端收到较强的直射波。但根据惠更斯原理（或因天线方向性所限），总会有一部分电波投射到地面，所以在收信点除收到直射波外，还要收到经地面反射并满足反射条件（入射角等于反射角）的反射波，如图4-7所
10、示。,图中P为地面上的反射点，为入射角（指投射到地面的入射线与地面的夹角），h1、h2为发端和收端的天线高度，hc是反射点P到TR连线的铅垂距离，称为余隙。有时余隙为负值，则说明地面反射点的高度高出了TR连线。,如果该点的第一费涅尔反射区半径为F1，比值hc/F1叫该点的相对余隙。,直射波： 设E0为自由空间传播时电场强度的有效值（直射波场强有效值）。则直射波场强的瞬时值为 e1 E0cost,反射波： 地面反射点P的特性用该点反射系数表示，它是一个复数，表示为,式中 | 反射系数的模 反射系数的相角,我们把合成场强E与自由空间场强的比，称为考虑地面影响时的衰落因子V，表示为 （4-10）,V
11、dB=10lgV2=20lgV 考虑地面影响后，实际的收信点电平可由下式求出 pr（dBm）= pr0（dBm）VdB,式中： pr0（dBm）为未考虑地面影响时的自由空间收信电平，用式（4-5）算； pr（dBm）为有衰落时的收信功率电平。,(2) 用费涅耳区的概念分析地面反射影响 我们把hc/F10.577时的余隙hc称自由空间余隙，并用h0表示，记为 （4-12）,(3) 路径上刃形障碍物的阻挡损耗 由图4-9可以看出，在传播路径上有刃形障碍物阻挡时，如果：,障碍物的尖峰恰好落在收发两端天线的连线上（即hc0）时，附加损耗为6dB；,障碍物峰顶超出连线（hc为负），附加损耗很快增加；,障
12、碍物顶峰在连线以下，且相对余隙hc/F1大于0.5时，则附加损耗将在0dB上下少量变动。这时，实际路径的传播损耗（或收信电平）将与自由空间的数值接近。,(4) 微波线路的分类 视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类：,（1）hch0（相对余隙）称为开路线路 这种线路可等效为平地面反射的情况。,（2）0hch0称为半开路线路 这种线路障碍物对直射波束有部分阻挡，属于绕射传播状态。由较大高地、山岭等障碍物造成。,（3）hc0称为闭路线路 这种线路障碍物对直射波束全阻挡，也属于绕射传播状态。 上述三种线路是指一般单障碍物情况。,4.2.3对流层对电波传播的影响 从地面算起，垂直向上，可
13、把大气分为六层：依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导、逸散层。,对流层是指自地面向上大约10Km范围的低空大气层。由于天线架设的高度远不会超出这个高度，而且微波通信采用空间传播方式，所以研究微波在大气中的传播只要研究电波在对流层中的传播就可以了，其它各层对微波传播的影响不大。,1. 大气折射 大气折射是指在低空中大气对电波传播的折射。,(1) 大气折射率 设大气折射率为n，它是电波自由空间中的传播速度c与电波在大气中的传播速度v之比，记作 （4-13）,(2) 折射率梯度 折射率梯度表示折射率随高度的变化率，从而体现了不同高度的大气压力、温 度、湿度对大气折射的影响，表示为 。,（1
14、） 0，n随高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v与n成反比，所以在这种情况下，v随高度的增加而减小，使电波传播的轨迹向上弯曲，如图4-11(a)所示。,（2） 0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲，如图4-11(b)所示。,(3) 等效地球半径 等效地球半径的概念就是可以把电波射线仍然看成直线，而把真实地球的半径a等效为ae。等效的概念如下图所示。,等效的条件是：电波轨迹与地面之间的高度差hc相等，或等效前及等效后的电波路径与球形地面之间的曲率之差保持不变。,定义K为等效地球半径系数 （4-15）,K与折射率的关系为 （4-16） 式中a为实际地球半径，a6370km。,(
15、4) 折射的分类 我们可根据电波受大气折射后轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类，如图4-13所示。,（1）无折射 （2）负折射 （3）正折射,正折射还可以进一步分为标准折射、临界折射、超折射等几种情况。,临界折射和超折射己于图4-13中示出，可见临界折射是折射电波方向与地球曲率一致，超折射是指折射电波射向地球。,在温带地区，我们称 时的大气为“标准大气”，它代表了温带地区气象条件的平均情况。,的大气折射叫作标准折射。 K ，所以 叫作标准等效 地球半径。,4.2.4几种大气和地面效应造成的衰落 1. 概述 使收信电平随时间而变化，这种变化称为信号的衰落，它具有随机性。,引起衰落的原因是多方面的，大体上可以分为两类：第一类是气象条件的平稳变化引起的，如大气折射的慢变化、雨雾衰减，大气中不均匀体的散射等引起的衰落；第二类是多径传播引起的衰落。由于气象条件不平稳变化，使传播异常，可能出现多条传播路径，称为多径传播。,2. 衰落的种类 (1) 大气吸收衰耗 (2) 雨雾引起的散射衰耗 (3) K型衰落,这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。,其相位干涉的程度与行程差有关，而在对流层中，行程差r是随K值（大气折射的重
