电波传播概论精.ppt

电波传播概论第1页，本讲稿共38页 7.1电波传播的基本概念一、自由空间的基本传输损耗 1、定义：自由空间中，收发天线相距r，载波频率为f，输入到发射天线的功率为Pi，从接收天线接收的功率为PR，则输入功率与接收功率的比值定义为自由空间的基本损耗：和 分别为发射天线和接收天线的增益系数。第2页，本讲稿共38页 2、分析：如果忽略两个天线的因素，自由空间的基本传输损耗为：可见，自由空间的基本传输损耗是由于球面波在传输过程中，由于距离的增大，能量扩散而引起的，是球面波的扩散损耗。第3页，本讲稿共38页二、传输媒质对电波传播的影响 1、传输损耗（信道损耗）电波传播时实际媒质并非自由空间。因此，实际的传输损耗会在自由空间基本传输损耗的基础上附加实际媒质产生的损耗。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,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射引起的。A为实际媒质的损耗。第4页，本讲稿共38页 2、衰落现象、衰落现象 衰落的概念：衰落的概念：一般是指信号电平随时间或空间位置的随机起伏变化。一般是指信号电平随时间或空间位置的随机起伏变化。衰落的产生原因：吸收型衰落和干涉型衰落衰落的产生原因：吸收型衰落和干涉型衰落 吸收型衰落吸收型衰落 主主要要是是大大气气中中的的氧氧、水水汽汽以以及及由由水水汽汽凝凝聚聚而而成成的的云云、雾雾、雨雨、雪雪等等对对电电波波的的吸吸收收而而产产生生的的衰衰落落。吸吸收收型型衰衰落落与与气气候候条条件件密切相关。密切相关。吸收型衰落为慢衰落，引起信号电平中值的缓慢变化。吸收型衰落为慢衰落，引起信号电平中值的缓慢变化。第5页，本讲稿共38页第6页，本讲稿共38页 干涉型衰落干涉型衰落 主要是由随机多径干涉现象引起的。主要是由随机多径干涉现象引起的。在在传传播播过过程程中中，往往往往存存在在多多条条随随机机的的传传播播路路径径，行行程程的的不不同使信号到达接收天线时的相位随机变化。同使信号到达接收天线时的相位随机变化。多多个个不不同同强强度度、不不同同相相位位的的信信号号（多多径径信信号号）在在接接收收天天线线处处相相互互迭迭加加（干干涉涉），引引起起接接收收的的信信号号电电平平发发生生快快速速而而深深度度的的衰落，这种衰落称为快衰落。衰落，这种衰落称为快衰落。抗衰落措施抗衰落措施 信信号号的的衰衰落落现现象象严严重重地地影影响响电电波波传传播播的的稳稳定定性性和和系系统统的的可可靠性，必要时可采取有效措施（如分集接收）加以克服。靠性，必要时可采取有效措施（如分集接收）加以克服。第7页，本讲稿共38页 3、传输失真、传输失真 定义定义 无线电波通过媒质时产生的信号畸变称为失真，包括振无线电波通过媒质时产生的信号畸变称为失真，包括振幅失真和相位失真。幅失真和相位失真。衰落和失真衰落和失真 如果只有信号衰落而没有失真，理论上可以通过理想的如果只有信号衰落而没有失真，理论上可以通过理想的放大器完全恢复原始信号。如果产生了失真，就不能实现。放大器完全恢复原始信号。如果产生了失真，就不能实现。产生失真的原因：媒质的色散效应，随机多径传输效应。产生失真的原因：媒质的色散效应，随机多径传输效应。色散效应色散效应 载有信号的无线电波都占据一定的频带，不同频率的无载有信号的无线电波都占据一定的频带，不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别，因此到达接收天线时不线电波在媒质中的传播速度有差别，因此到达接收天线时不能严格保持原来的相位关系，从而引起信号的失真。能严格保持原来的相位关系，从而引起信号的失真。第8页，本讲稿共38页 多径效应多径效应 多多径径效效应应使使接接收收端端获获得得的的是是多多个个不不同同幅幅度度、相相位位信信号号的的迭迭加，因此会同时产生幅度和相位失真。加，因此会同时产生幅度和相位失真。设设接接收收点点的的场场是是两两条条路路径径传传来来的的相相位位差差为为=的的两两个个电电场场的的矢矢量量和和。最最大大的的传传输输时时延延与与最最小小的的传传输输时时延延的的差差值值定定义义为为多多径径时时延延。对对所所传传输输信信号号中中的的每每个个频频率率成成分分,相相同同的的值值引引起起不不同同的的相相差差。例例如如对对f1，若若1=1=,则则因因二二矢矢量量反反相相抵抵消消,此此分分量量的的合合成成场场强强呈呈现现最最小小值值；而而对对f2,若若2=2=2,则则因因二二矢矢量量同同相相加相相加,此分量的合成场强呈现最大值。此分量的合成场强呈现最大值。多径效应引起信号的多径效应引起信号的频率选择性衰落频率选择性衰落，如图，如图7-2。显显然然,若若信信号号带带宽宽过过大大,就就会会引引起起较较明明显显的的失失真真。所所以以一一般般情况下情况下,信号带宽不能超过信号带宽不能超过1/（相关带宽相关带宽）。）。第9页，本讲稿共38页图7-2 多径传输效应第10页，本讲稿共38页 4、电波传播方向的变化 电波在无限大的均匀、线性媒质内沿直线传播。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的：不同媒质的分界处将使电波折射、反射；媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团使电波产生散射；球形地面和障碍物将使电波产生绕射；特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化，使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏，使接收信号产生严重的衰落。第11页，本讲稿共38页7.2 视距传播视距传播 一、定义 视距传播：依靠发射天线与接收天线之间的直射线进行的传播方式。主要用于超短波和微波波段的电波传播。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。二、视线距离 1、地球曲率对视线距离的影响 设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2，由于地球曲率的影响，两个天线之间的视线距离（相互看得见）为：第12页，本讲稿共38页图7-3 视线距离第13页，本讲稿共38页 2、大气折射率对视线距离的影响 大气层是非均匀媒质，介电常数和折射率是高度的函数，随高度的增加而减小。大气折射率的变化使电波射线向下弯曲，有利于电波实现更远距离的传播。如果考虑大气折射率的影响，视距传输距离需要修正。第14页，本讲稿共38页三、大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面：1、热吸收和谐振吸收：云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收与小水滴的浓度有关；水分子、氧分子对电波的谐振吸收与工作波长有关。2、散射衰减：云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比，与波长的四次方成反比。工作波长短于5cm时，就应该考虑大气层对电波的衰减，工作波长短于3cm时，大气层对电波的衰减将趋于严重。第15页，本讲稿共38页四、反射波的影响四、反射波的影响 1、概念、概念 视视距距传传播播中中，除除了了直直射射波波外外，还还存存在在从从发发射射天天线线经经由由地地面面反反射射到到达达接接收收天天线线的的反反射射波波，接接收收天天线线处处的的场场是是直直射射波波与与反反射射波的叠加。波的叠加。当当波波长长较较大大、投投射射角角很很小小时时，光光滑滑地地面面的的反反射射系系数数接接近近于于1。2、结论、结论 当当工工作作波波长长和和收收、发发天天线线间间距距不不变变时时,接接收收点点场场强强随随天天线高度线高度h1和和h2的变化在零值与最大值之间波动。的变化在零值与最大值之间波动。第16页，本讲稿共38页 工作波长工作波长和天线高度和天线高度h1和和h2都不变时都不变时,接收点场强随两接收点场强随两天线间距的增大而呈波动变化，间距减小，波动范围减小。天线间距的增大而呈波动变化，间距减小，波动范围减小。衰衰减减因因子子天线高度距离接收点场强随天线高度和距离的变化曲线第17页，本讲稿共38页 当两天线高度h1和h2和间距d不变时,接收点场强随工作波长呈波动变化。衰衰减减因因子子接收点场强随工作波长的变化曲线第18页，本讲稿共38页五、总结 总之，在微波视距通信设计中，为使接收点场强稳定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路径的设计和选择时，要尽可能地利用起伏不平的地形或地物，使反射波场强削弱或改变反射波的传播方向，使其不能到达接收点，以保证接收点场强稳定。第19页，本讲稿共38页7.3 天波传播天波传播 一、概念 天波传播：指发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式，主要用于中波和短波波段。二、大气层介绍第20页，本讲稿共38页第21页，本讲稿共38页三、电离层概况 1、产生 电离层主要是由于高层大气分子吸收太阳辐射能量后电离而产生的，主要电离源是太阳紫外线。电离特性可用电子密度衡量。2、电子密度分布特性 电离层的高度从60km到1000km，电子密度分布不均匀：电子密度先随着高度的增加而增大，随后逐渐减小。电子密度的分布与空气分子密度相关。第22页，本讲稿共38页 3、电离层的变化规律、电离层的变化规律 太阳是电离层的主要能源，电离层的状态与阳光照射情况密太阳是电离层的主要能源，电离层的状态与阳光照射情况密切相关。切相关。日夜变化日夜变化：日出后电子密度不断增加，到正午后达到最大：日出后电子密度不断增加，到正午后达到最大值，以后又逐渐减小。夜间没有照射，电子和正离子复合使值，以后又逐渐减小。夜间没有照射，电子和正离子复合使D层层消失。消失。季节变化季节变化：夏季的电子密度大于冬季（：夏季的电子密度大于冬季（F2层例外）。层例外）。随太阳黑子随太阳黑子11年周期的变化年周期的变化：黑子数目增加时，太阳辐射：黑子数目增加时，太阳辐射的能量增强，因而各层电子密度增大的能量增强，因而各层电子密度增大。随地理位置变化随地理位置变化：地理位置不同，太阳光照强度也不相同。：地理位置不同，太阳光照强度也不相同。赤道附近电子密度最大，越靠近两极电子密度越小。赤道附近电子密度最大，越靠近两极电子密度越小。第23页，本讲稿共38页四、无线电波在电离层中的传播 1、反射的原理 由公式可得：电波进入电离层后，随着高度的增加，电子密度增加，折射率减小。电波每通过一层薄片就发生一次折射，当薄片数目无限增多时，电波传播的轨迹变成一条光滑的曲线。电波连续下折，直至到达某一高度处电波开始折回地面。电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。第24页，本讲稿共38页图图 7 10 电离层对电波的连续折射电离层对电波的连续折射第25页，本讲稿共38页 2、电离层反射能力与频率的关系 由公式可得：频率越低，折射率随电子密度的变化越显著。电离层反射能力越强。入射角一定时，频率越低越容易反射。频率越低，电波进入电离层的深度就越小：长波长波在在D层反射，由于层反射，由于夜晚夜晚D层消失，长波将在层消失，长波将在E层反层反射；射；中波中波在在E层反射，由于层反射，由于白天白天D层对中波吸收较大，故层对中波吸收较大，故中波仅在夜间由中波仅在夜间由E层反射；层反射；短波短波将在将在F层反射；层反射；超短波、微波超短波、微波则可以穿则可以穿透电离层。因此存在最高可用透电离层。因此存在最高可用频率。第26页，本讲稿共38页 3、电离层反射与入射角的关系、电离层反射与入射角的关系 当电波频率一定时，反射与入射角的关系：当电波频率一定时，反射与入射角的关系：入入射射角角较较大大时时：角角度度越越大大，越越易易反反射射，反反射射后后可可到到达达的的距距离越远。离越远。入入射射角角较较小小时时：角角度度越越小小，进进入入电电离离层层的的深深度度就就越越大大，传传输距离越远。当小于某一临界角时，电波将穿透电离层。输距离越远。当小于某一临界角时，电波将穿透电离层。因此，在以发射天线为中心，一定半径的区域内，不能有天波到达，称为天波静区。第27页，本讲稿共38页 4、多径效应 不同角度入射的电波，入射深度不一样，在不同高度被反射，可能到达同一接收点，称为多径传输。多径传输使接收场强为多个场强的迭加，引起多径衰落。5、最佳工作频率 为了减小电波传播过程中电离层的吸收损耗，希望使用较高的工作频率。但工作频率过高时，入射到电离层的深度很大，大大增加了电离层中的传播距离，增大了电离层对电波的衰减。通常选择最佳工作频率为：fopt=0.85fmax。第28页，本讲稿共38页 总之，天波传播有以下特点：总之，天波传播有以下特点：频频率率的的选选择择很很重重要要,频频率率太太高高,电电波波穿穿透透电电离离层层射射向向太太空空;频频率率太太低低,电电离离层层吸吸收收太太大大,以以致致不不能能保保证证必必要要的的信信噪噪比比。因因此此，通通信信频频率率必必须须选选择择在在最最佳佳频频率率附附近近。而而这这个个频频率率的的确确定定,不不仅仅与与年年、月月、日日、时时有有关关,还还与与通通信信距距离离有有关关。同同样样的的电电离离层层状状况况,通通信信距距离离近近的的,最最高高可可用用频频率率低低,通通信信距距离离远远的的,最最高高可可用用频频率率高高。显显然然,为为了了通通信信可可靠靠,必必须须在在不不同同时时刻刻使使用用不不同同的的频频率率。但但为为了了避避免免换换频频的的次次数数太太多多,通通常常一一日日之之内内使使用用两个（日频和夜频）或三个频率。两个（日频和夜频）或三个频率。天天波波传传播播的的随随机机多多径径效效应应严严重重,多多径径时时延延较较大大,信信道道带带宽宽较较窄窄。因因此此,对对传传输输信信号号的的带带宽宽有有很很大大限限制制,特特别别是是对对于于数数字字通通信信来来说说,为为了了保保证证通通信信质质量量,在在接接收收时时必必须须采采用用相相应应的的抗抗多径措施。多径措施。第29页，本讲稿共38页 天天波波传传播播不不太太稳稳定定,衰衰落落严严重重,在在设设计计电电路路时时必必须须考考虑虑衰落影响衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。使电路设计留有足够的电平余量。电电离离层层所所能能反反射射的的频频率率范范围围是是有有限限的的,一一般般是是短短波波范范围围。由由于于波波段段范范围围较较窄窄,因因此此短短波波电电台台特特别别拥拥挤挤,电电台台间间的的干干扰扰很很大大，尤尤其其是是夜夜间间；由由于于电电离离层层吸吸收收减减小小,电电波波传传播播条条件件有有所所改改善善,台间干扰更大。台间干扰更大。由由于于天天波波传传播播是是靠靠高高空空电电离离层层的的反反射射,因因而而受受地地面面的的吸吸收收及及障障碍碍物物的的影影响响较较小小,也也就就是是说说这这种种传传播播方方式式的的传传输输损损耗耗较较小小,因此能以较小功率进行远距离通信。因此能以较小功率进行远距离通信。天天波波通通信信,特特别别是是短短波波通通信信,建建立立迅迅速速，机机动动性性好好,设设备备简单简单,是短波天波传播的优点之一。是短波天波传播的优点之一。第30页，本讲稿共38页7.4 地地 面面 波波 传传 播播 一、概念 无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播。当天线低架于地面，且最大辐射方向沿地面时，主要是地面波传播。在长、中波和短波的低频段(几K几MHz)常用这种传播方式。二：地面波不宜采用水平极化方式 电场为水平极化时，电场平行地面，传播中在地面上引起较大的感应电流，致使电波产生很大的衰减。一般只采用垂直极化方式。第31页，本讲稿共38页三、波前（等相位面）倾斜现象 一直立天线辐射垂直极化波，电波能量沿z轴方向即沿地表面传播，其辐射电磁场为E1x和H1y。某一瞬间E1x位于A点时，地面上必然感应出电荷。当波向前传播时，便产生了沿z方向的感应电流，由于大地是半导电媒质，有一定的地电阻，故在z方向产生电压降，也即在z方向产生新水平分量E2z。由于边界电场切向分量连续，即存在E1z，这样靠近地面的合成场E1就向传播方向倾斜。坡印廷矢量的方向向地面发生倾斜，出现了垂直于地面向地下传播的功率流密度S1x，这部分电磁能量被大地所吸收引起衰减。地面吸收越大，S1x越大，倾斜将越严重。第32页，本讲稿共38页第33页，本讲稿共38页四、地表面波传播的特点 1、损耗特性 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；地面的电导率越小或电波频率越高，Ez1越大，损耗越大；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。第34页，本讲稿共38页 2、波前倾的应用 由于Ex1远大于Ez1，故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合，由于受到条件的限制，也可以采用低架水平天线接收。3、传输质量稳定 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。第35页，本讲稿共38页7.5 不均匀媒质的散射传播不均匀媒质的散射传播 一、定义一、定义 电电波波在在低低空空对对流流层层或或高高空空电电离离层层下下缘缘遇遇到到不不均均匀匀的的“介介质质团团”时时就就会会发发生生散散射射，散散射射波波的的一一部部分分到到达达接接收收天天线线处处，这这种种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。传播方式称为不均匀媒质的散射传播。不均匀媒质的散射传播主要有电离层散射和对流层散射；对流层散射应用更加广泛。第36页，本讲稿共38页二、对流层散射通信的原理 大气运动形成的涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小尺度起伏，形成了不均匀的介质团。当超短波、短波投射到这些不均匀体时，就在其中产生感应电流，成为一个二次辐射源,将入射的电磁能量再辐射。这种再辐射是无序的，随机这种再辐射是无序的，随机方向的辐射，称为散射。方向的辐射，称为散射。通过散射，电波就能到达不通过散射，电波就能到达不均匀介质团能均匀介质团能“看见看见”但发射点但发射点却不能却不能“看见看见”的超视距范围。的超视距范围。第37页，本讲稿共38页三、散射通信的特点 1、损耗大：散射波相当微弱，传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,一般超过200dB），因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。2、快衰落：散射体随机变化，电性能是相互独立的，因而它们对接收点的场强影响是随机的。这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落。可通过分集接收技术来克服。3、优点：容量大，可靠性高，保密性好，单跳跨距达300800km,可用于无法建立微波中继站的地区，如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。第38页，本讲稿共38页