电信传输原理及应用第五章-电波传播概论优秀PPT.ppt

第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 无线电通信系统无线电通信系统接收机接收天线馈线导行波导行波导行波导行波发射机发射天线馈线导行波导行波 5.1电波传播的基本概念电波传播的基本概念第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 1.传输媒质对电波传播的影响 (1)传输损耗（信道损耗）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取或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在传播距离、工作频率、放射天线、输入功率和接收天线都相同的状况下,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为第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 则传输损耗Lb为 若不考虑天线的影响,即令Gi=GR=1,则实际的传输损耗为 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。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 (2)衰落现象 所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。依据引起衰落的缘由分类,大致可分为吸取型衰落和干涉型衰落。吸取型衰落主要是由于传输媒质电参数的变更,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变更而引起的。如大气中的氧、水汽以及由后者凝合而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸取作用。由于气象的随机性,这种吸取的强弱也有起伏,形成信号的衰落。由这种缘由引起的信号电平的变更较慢,所以称为慢衰落,如图 5 1(a)所示。慢衰落通常是指信号电平的中值（五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的起伏变更。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 1 衰落现象第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中,由于收、发两点间存在若干条传播路径,典型的如天波传播、不匀整媒质传播等，在这些传播方式中,传输媒质具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变更,致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短,信号电平变更很快,故称为快衰落,如图 5-1(b)所示。这种衰落在移动通信信道中表现得更为明显。快衰落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内视察时,前者表现明显,后者不易被察觉。信号的衰落现象严峻地影响电波传播的稳定性和系统的牢靠性,须要实行有效措施（如分集接收等）来加以克服。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 (3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的缘由有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据确定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起波形失真。至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体信道的传输状况而定。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 多径传输也会引起信号畸变。这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。设接收点的场是两条路径传来的相位差为=的两个电场的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。对所传输信号中的每个频率成分,相同的值引起不同的相差。例如对f1，若1=1=,则因二矢量反相抵消,此重量的合成场强呈现最小值；而对f2,若2=2=2,则因二矢量同相相加,此重量的合成场强呈现最大值，如图 5 2(b)所示。其余各成分依次类推。明显,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。所以一般状况下,信号带宽不能超过1/。因此，引入相关带宽的概念，定义相关带宽:第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图5-2 多径传输效应第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 (4)电波传播方向的变更 当电波在无限大的匀整、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。然而电波传播实际所经验的空间场所是困难多样的:不同媒质的分界处将使电波折射、反射;媒质中的不匀整体如对流层中的湍流团将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;特殊是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变更,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号产生严峻的衰落。因此,在探讨实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变更也是重要内容之一。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 5.2 视距传播 所谓视距传播,是指放射天线和接收天线处于相互能望见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以接受这种传播方式。它主要用于超短波和微波波段的电波传播。1.视线距离 设放射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图5-3）,由于地球曲率的影响,当两天线A、B间的距离rrv时,两天线相互“看得见”,当rrv时,第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图5-3 视线距离第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 两天线相互“看不见”,距离rv为收、发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离,简称视距。图 5 3 中,AB与地球表面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式:将地球半径a=6.350106m代入上式,即有 式中，h1和h2的单位为米。视距传播时,电波是在地球四周的大气中传播的,大气对电波产生折射与衰减。由于大气层是非匀整媒质,其压力、温度与湿度都随高度而变更,大气层的介电常数是高度的函数。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 在标准大气压下,大气层的介电常数r随高度增加而减小，并渐渐趋近于1,因此大气层的折射率n=随高度的增加而减小。若将大气层分成很多薄片层,每一薄层是匀整的,各薄层的折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图 5 4 所示。当考虑大气的不匀整性对电波传播轨迹的影响时,视距公式应修正为 在光学上,rrv的区域称为照明区,rrv的区域称为阴影区。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 4 大气层对电波的折射第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学的观点划分区域。通常把r0.8rv的区域称为照明区,将r1.2rv的区域称为阴影区,而把0.8rvr1.2rv的区域称为半照明半阴影区。2.大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸取及水分子、氧分子对电波的谐振吸取。热吸取与小水滴的浓度有关,谐振吸取与工作波长有关。另一方面是云、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。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 当工作波长短于5cm时,就应当考虑大气层对电波的衰减,尤其当工作波长短于3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严峻。就云、雾、雨、雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最为严峻,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数状况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 5.3 天波传播 天波传播通常是指自放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,有时也称电离层电波传播,主要用于中波和短波波段。1.电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度始终延长到1000km的高空。由于电离层电子密度不是匀整分布的,因此,按电子密度随高度的变更相应地分为D,E,F1,F2四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 5-9所示。电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照亲密相关白天大,晚间小,而且晚间D层消逝;电离层电子密度又随四季不同而发生变更。除此之外,太阳的骚动与黑子活动也对电离层电子密度产生很大影响。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5-9 电离层电子密度的高度分布 第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 2.无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成很多薄片层,每一薄片层的电子密度是匀整的,但彼此是不等的。依据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性匀整媒质的相对介电常数为其折射率为式中,f为电波的频率。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 当电波入射到空气电离层界面时,由于电离层折射率小于空气折射率,折射角大于入射角,射线要向下偏折。当电波进入电离层后,由于电子密度随高度的增加而渐渐增大,因此各薄片层的折射率依次变小,电波将连续下折,直至到达某一高度处电波起先折回地面。可见,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。如图 5-10,在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1=ni sini式中,n0为空气折射率,n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。设电波在第i层处到达最高点,然后即起先折回地面,则将i=90代入上式得第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 10 电离层对电波的连续折射第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 上式揭示了天波传播时,电波频率f(Hz)与入射角0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。由此引入下列几个概念:（1）最高可用频率 由式（5-3-5）可求得当电波以0角度入射时,电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 式中,Nmax为电离层的最大电子密度。也就是说,当电波入射角0确定时,随着频率的增高,电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时,由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度,因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，见图 5-11 所示,这正是超短波和微波不能以天波传播的缘由。（2）天波静区 由式（5-3-4）可得电离层能把频率为f(Hz)的电波“反射”回来的最小入射角0 min为第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 11 0 确定而频率不同时的射线第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 这就是说，当电波频率确定时,射线对电离层的入射角0越小,电波须要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来,且通信距离越近，如图 5-12 的曲线“1”、“2”所示；但当0接着减小时,通信距离变远,如图 5-12 中的曲线“3”;当入射角00 min时,则电波能被电离层“反射”回来所需的电子密度超出实际存在的Nmax值,于是电波穿出电离层,如图5-12中的曲线“4”。由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,使得以放射天线为中心的、确定半径的区域内就不行能有天波到达,从而形成了天波的静区。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 12 频率确定时通信距离与入射角的关系 第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 （3）多径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线,各根射线的入射角稍有不同,它们将在不同的高度上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点（图 5-13）,这种现象称为多径传输。电离层的电子密度随气候时常发生起伏,引起各射线路径也时常变更,这样,各射线间的波程差也不断变更,从而使接收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点场强的起伏变更称为多径效应。正如本章前面所述,多径效应造成了信号的衰落。（4）最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量,使电波发生衰减,但电离层对电波的吸取主要是D层和E层。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 13 多径效应第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 因此，为了减小电离层对电波的吸取,天波传播应尽可能接受较高的工作频率。然而当工作频率过高时,电波需到达电子密度很大的地方才能被“反射”回来,这就大大增长了电波的电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减。为此,通常取最佳工作频率fopt为 fopt=0.85fmax 还须要留意的是,电离层的D层对电波的吸取是很严峻的,夜晚,D层消逝,致使天波信号增加,这正是晚上能接收到更多短波电台的缘由。总之,天波通信具有以下特点:第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 频率的选择很重要,频率太高,电波穿透电离层射向太空;频率太低,电离层吸取太大,以致不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必需选择在最佳频率旁边。而这个频率的确定,不仅与年、月、日、时有关,还与通信距离有关。同样的电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,最高可用频率高。明显,为了通信牢靠,必需在不同时刻运用不同的频率。但为了避开换频的次数太多,通常一日之内运用两个（日频和夜频）或三个频率。天波传播的随机多径效应严峻,多径时延较大,信道带宽较窄。因此,对传输信号的带宽有很大限制,特殊是对于数字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必需接受相应的抗多径措施。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 天波传播不太稳定,衰落严峻,在设计电路时必需考虑衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。电离层所能反射的频率范围是有限的,一般是短波范围。由于波段范围较窄,因此短波电台特殊拥挤,电台间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸取减小,电波传播条件有所改善,台间干扰更大。由于天波传播是靠高空电离层的反射,因而受地面的吸取及障碍物的影响较小,也就是说这种传播方式的传输损耗较小,因此能以较小功率进行远距离通信。天波通信,特殊是短波通信,建立快速，机动性好,设备简洁,是短波天波传播的优点之一。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 5.4 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,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、中波波段和短波的低频段（103106 Hz)均可用这种传播方式。设有始终立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿地面传播时,若大地是志向导体,则接收天线接收到的仍是垂直极化波（图 5-14）。事实上,大地是非志向导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸取;并沿地表面形成较小的电场水平重量,致使波前倾斜,并变为椭圆极化波,如图 5-15所示。明显,波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸取程度。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 14 志向导电地面的场结构第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 15 非志向导电地面的场结构第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 从以上学问可以得到如下结论:垂直极化波沿非志向导电地面传播时,由于大地对电波能量的吸取作用,产生了沿传播方向的电场纵向重量Ez1,因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的状况。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,地面波传播主要用于长、中波传播,短波和米波小型电台接受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。地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有好用意义。由于Ex1Ez1,故在地面上接受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,也可以接受低架水平天线接收。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 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更,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。应当指出,地面波的传播状况与电波的极化形式有很大关系。大多数地质状况下,大地的磁导率0,很难存在横电波模式，因此关于地面波的探讨都是针对横磁波模式的。依据横磁波存在的各场重量Ex1,Ez1,Hy1,其电场重量在入射平面内,故称为垂直极化波。换句话说,只有垂直极化波才能进行地面波传播。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 5.5 不匀整媒质的散射传播 除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播。电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不匀整的“介质团”时就会发生散射,散射波的一部分到达接收天线处（图5-16）,这种传播方式称为不匀整媒质的散射传播。电离层散射主要用于 30100MHz频段,对流层散射主要用于100 MHz以上频段。就其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有确定的相像性；就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。现以对流层散射为例简洁介绍不匀整媒质的散射传播的原理。第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 图 5 16 不匀整媒质传播第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 对流层是大气的最低层,通常是指从地面算起至高达135千米的区域,在太阳的辐射下，受热的地面通过大气的垂直对流作用,对流层升温。一般状况下,对流层的温度、压强、湿度不断变更,在涡旋气团内部及其四周的介电常数有随机的小尺度起伏,形成了不匀整的介质团。当超短波、短波投射到这些不匀整体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,将入射的电磁能量向四面八方再辐射。于是电波就到达不匀整介质团所能“望见”但电波放射点却不能“望见”的超视距范围。电磁波的这种无规则、无方向的辐射,即为散射,相应的介质团称为散射体,如图 5-16 所示。对于任一固定的接收点来说,其接收场强就是收发双方都能“望见”的那部分空间收、发天线波束相交的公共体积中的全部散射体的总和。通过上述分析,可以看出对流层散射传播具有下列特点:第第5 5章电波传播概论章电波传播概论 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸取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接受大功率放射机、高灵敏度接收机和高增益天线。由于湍流运动的特点,散射体是随机变更的,它们之间在电性能上是相互独立的,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,使信号产生严峻的快衰落。这种快衰落一般通过接受分集接收技术来克服。这种传播方式的优点是:容量大,牢靠性高,保密性好,单跳跨距达300800 km,一般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。