通信导论第五章电波传播.ppt
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1、第五章电波传播与无线传输模式第五章电波传播与无线传输模式主要内容:主要内容:一一.电波传播基本概念;电波传播基本概念;二二.电波传播主要方式;电波传播主要方式;三三.电离层反射传播;电离层反射传播;四四.各波段传播的特点;各波段传播的特点;一一.电波传播基本概念电波传播基本概念1、电磁波、电磁波 我们知道,静电荷会在周围空间产生静电场,直流电我们知道,静电荷会在周围空间产生静电场,直流电流会在周围空间产生恒定磁场,电场和磁场的大小和流会在周围空间产生恒定磁场,电场和磁场的大小和方向可分别用电场强度和磁场强度来表示。若在一根方向可分别用电场强度和磁场强度来表示。若在一根导线上加上交流电流,那么周
2、围空间就会产生交变磁导线上加上交流电流,那么周围空间就会产生交变磁场,根据麦克斯威波动方程,一个变动的磁场又产生场,根据麦克斯威波动方程,一个变动的磁场又产生一交变电场,此电场再产生磁场,从而产生一连串能一交变电场,此电场再产生磁场,从而产生一连串能量移转。能量从电场移转到磁场,再由磁场移转到电量移转。能量从电场移转到磁场,再由磁场移转到电场,如此不断移转下去,表现为电磁场向远处不断传场,如此不断移转下去,表现为电磁场向远处不断传播,亦即电磁能量的辐射,这就是电磁波,亦称无线播,亦即电磁能量的辐射,这就是电磁波,亦称无线电波。电波。电磁波的产生原理电磁波的产生原理 电磁波波段划分电磁波波段划分
3、表:表:无线电波频段划分无线电波频段划分波段名称波段名称频率范围频率范围波长范围波长范围频段名称频段名称超长波超长波3-30KHZ10103100103m甚低频VLF长波长波30-300KHZ110310103m低频LF中波中波300-1500KHZ2001103m中频MF短短波波中短波中短波1.51036103KHZ50200m中高频IF短波短波630MHZ1050m高频HF超超短短波波米波米波30300MHZ110m甚高频VHF分米波分米波3003103MHZ10100cm超高频UHF微微波波厘米波厘米波310330103MHZ110cm特高频SHF毫米波毫米波30103300103MHZ
4、110mm极高频EHF *也有将分米波高端称为微波也有将分米波高端称为微波。2 2、自由空间的电波传播、自由空间的电波传播 无线电波在空间各点的电场和磁场,都是从波源出发并无线电波在空间各点的电场和磁场,都是从波源出发并以一定速度向外传播。若电波以速度以一定速度向外传播。若电波以速度v向前传播,经过向前传播,经过t1时时间后,到达距波源距离为间后,到达距波源距离为r的的P点,那么点,那么P点的电场相位就要点的电场相位就要比波源相位滞后,通常我们把电磁波相位相同的那些点的比波源相位滞后,通常我们把电磁波相位相同的那些点的轨迹称为波前或波面。显然,若波源近似看成一点,且在轨迹称为波前或波面。显然,
5、若波源近似看成一点,且在无限大的自由空间传播时,则无限大的自由空间传播时,则r r相同各点的相位是相同的,相同各点的相位是相同的,这样的波叫这样的波叫球面波球面波。1.1.当距波源很远时,由于接收电波的面积与距离相比极小,当距波源很远时,由于接收电波的面积与距离相比极小,波面可以看成平面,这种波称之为波面可以看成平面,这种波称之为平面波平面波。2.2.在自由空间传播时,在自由空间传播时,通过某点单位面积的电磁波能量与通过某点单位面积的电磁波能量与传播距离传播距离r r的平方成反比的平方成反比 。球面波球面波平面电磁波平面电磁波TEM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,若它的
6、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无线电波在自由空间传播的能量变化无线电波在自由空间传播的能量变化由此,离天线为r处的电场强度E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 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:3 3、折射、反射、干涉和绕射、折射、反射、干涉和绕射 1 1)反射和折射现象)反射和折射现象式中式中v1、v2分别为电磁波在媒质分
7、别为电磁波在媒质1和媒质和媒质2中的传输速度,因为速中的传输速度,因为速度度v=,它和媒质的介电常数,它和媒质的介电常数、导磁系数导磁系数有关,除铁磁性物质有关,除铁磁性物质外,一般物质的导磁系数外,一般物质的导磁系数均可均可近似认为等于自由空间的导磁系近似认为等于自由空间的导磁系数数0,即,即0,这样折射定律又,这样折射定律又可写成:可写成:3 3、折射、反射、干涉和绕射、折射、反射、干涉和绕射2)波的干涉波的干涉由由同同一一波波源源所所产产生生的的电电磁磁波波,经经过过不不同同的的路路径径到到达达接接收收点点,则则接接收收点点的的场场强强是是由由不不同同路路径径来来的的电电波波的的合合成成
8、,这这种种现现象象称称为为波波的的干干涉涉。图图中中接接收收点点的的场场强强就就是是直直射射波和地面反射波的合成。波和地面反射波的合成。3 3、折射、反射、干涉和绕射、折射、反射、干涉和绕射3)绕射现象)绕射现象 电波在传播过程中有绕过障碍物的能力,这种现电波在传播过程中有绕过障碍物的能力,这种现象称为绕射。由于波的绕射,电波可以绕过高低不平象称为绕射。由于波的绕射,电波可以绕过高低不平的地面或绕过一定高度的障碍物,到达接收地点,这的地面或绕过一定高度的障碍物,到达接收地点,这也就是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的也就是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的原因。电波绕射能力与电波的
9、波长有关,波长越长,原因。电波绕射能力与电波的波长有关,波长越长,绕射能力越强,波长越短,绕射能力越弱。另外,当绕射能力越强,波长越短,绕射能力越弱。另外,当电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到各种有电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到各种有损耗的介质而损耗一部分能量。损耗的介质而损耗一部分能量。二、电波传播的主要方式二、电波传播的主要方式地面波传播地面波传播直接波传播直接波传播对流层传播对流层传播电离层传播(天波)电离层传播(天波)地面卫星传播地面卫星传播电波传播示意图电波传播示意图1.地面波传播地面波传播 地地面面波波传传播播(Ground Wave Propagation)指指电
10、电波波沿沿地地球球表表面面 的的 绕绕 射射 传传 播播,也也 称称 表表 面面 波波 传传 播播(Surface-Wave Propagation)当当天天线线低低架架于于地地面面时时(天天线线架架设设高高度度小小于于波波长长时时,称称为为低低架架天天线线),且且最最大大辐辐射射方方向向是是沿沿地地表表面面,这这时时电电波波传传播播的的主主要要途径就是地面波传播,也叫地表波或地波传播。途径就是地面波传播,也叫地表波或地波传播。电电波波沿沿地地表表面面传传播播时时,电电磁磁波波的的能能量量不不断断被被地地面面所所吸吸收收,因因此此地地面面上上的的场场强强要要比比自自由由空空间间传传播播时时小小
11、得得多多,能能量量的的衰衰减减数数值值与与地地面面的的电电参参数数有有关关,同同时时也也和和电电波波的的频频率率及及极极化化方方向向有有关。关。地面波传播规律与特点地面波传播规律与特点地面波传播的波前倾斜现象地面波传播的波前倾斜现象影响地面波传播损耗的因素影响地面波传播损耗的因素影响地面波传播损耗的因素影响地面波传播损耗的因素 1大地的导电性能越好,电波的传播损耗越小。大地的导电性能越好,电波的传播损耗越小。湿土湿土比干土导电性能好,故电波在湿土上比干土损耗要小,比干土导电性能好,故电波在湿土上比干土损耗要小,海水导电性能最好,所以海洋上传播损耗最小海水导电性能最好,所以海洋上传播损耗最小 。
12、2电波频率越低损耗越小,电波频率越低损耗越小,因此,这种传播方式宜用因此,这种传播方式宜用于中波和长波。短波和超短波电台在采用这种传播方于中波和长波。短波和超短波电台在采用这种传播方式时,只能进行近距离通信。式时,只能进行近距离通信。3电波的极化与传播损耗有关电波的极化与传播损耗有关:由于水平极化波的电由于水平极化波的电场分量与地面平行,因此传播过程中在地面引起较大场分量与地面平行,因此传播过程中在地面引起较大的感应电流,致使电波产生很大的衰减。所以地面波的感应电流,致使电波产生很大的衰减。所以地面波传播通常采用垂直极化波以减小损耗,也即用直立天传播通常采用垂直极化波以减小损耗,也即用直立天线
13、辐射电磁波。线辐射电磁波。地面波通信特点地面波通信特点 1通信情况通信情况稳定稳定。因为地面波是沿地表面传播。因为地面波是沿地表面传播的,地波通信不会因时间、季节和气候的变化的,地波通信不会因时间、季节和气候的变化而有显著的影响。而有显著的影响。2通信通信距离与工作频段关系极大距离与工作频段关系极大。军用短波或。军用短波或米波波段用地波传播方式时,受电台功率的限米波波段用地波传播方式时,受电台功率的限制,通信距离一般在小几十公里范围内。而制,通信距离一般在小几十公里范围内。而中中波波地面波地面波广播广播通信距离可以超过通信距离可以超过100100公里。公里。3、长波、长波地面波通信在军事上有特
14、殊意义。地面波通信在军事上有特殊意义。2.直接波传播直接波传播 当收发天线架设较高的情况下,当收发天线架设较高的情况下,到达接收点的电波由直射波与地到达接收点的电波由直射波与地面反射波合成,如图所示,叫做面反射波合成,如图所示,叫做直接波传播。由于长波与中短波直接波传播。由于长波与中短波天线一般是接地的,不能把电磁天线一般是接地的,不能把电磁场由很高处集中辐射。而超短波场由很高处集中辐射。而超短波波段则可以高架(即天线离地面波段则可以高架(即天线离地面距离远大于波长),而且地面波距离远大于波长),而且地面波衰减很快。所以衰减很快。所以这一传播方式主这一传播方式主要用于超短波与微波波段要用于超短
15、波与微波波段。微波微波中继通信与移动通信系统中继通信与移动通信系统主要采主要采用这一方式。用这一方式。直接波传播,接收直接波传播,接收点场强有起伏现象。点场强有起伏现象。直射波所能达到的最远距离直射波所能达到的最远距离 实际上当考虑空气的不实际上当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹均匀性对电波传播轨迹的影响,在的影响,在标准大气折标准大气折射射情况下,情况下,等效地球半等效地球半径为径为R=8500km,可得,可得修正后的视距传播的极修正后的视距传播的极限距离限距离:R=6375Km等效地等效地球半径球半径的概念的概念对流层、同温层和电离层对流层、同温层和电离层 大大气气层层可可分分为为对对流流
16、层层、同同温温层层和和电电离离层层。对对流流层层离离地地面面约约1012公公里里以以内内,大大气气是是互互相相对对流流的的;离离地地面面大大约约1080公公里里的的空空间间,称称为为同同温温层层,气气体体对对流流现现象象减减小小,随随高高度度增增加加温温度度略略有有升升高高,它它对对电电波波传传播播基基本本上上没没有有什什么么影影响响;在在离离地地面面80400公公里里空空间间,是是电电离离层层。电电离离层层中中,气气体体由由于于受受阳阳光光中中紫紫外外线线及及其其它它宇宇宙宙射射线线的的照照射射,电离成为正离子和自由电子。电离成为正离子和自由电子。3.3.对流层散射对流层散射 (Tropos
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