《天线与电波传播》第10章.ppt

1、10.1 概述概述 10.2 自由空间电波传播自由空间电波传播 10.3 电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区习题十习题十 10.1.1 电磁波谱电磁波谱人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千分之几赫(地磁脉动)，高达1030 Hz量级(宇宙射线)，相应的波长从1011 m短至10-20m以下。按序排列的频率分布称为频谱(或波谱)，在整个电磁波谱中，无线电波频段(RadioFrequency Band)的划分见表10-1-1。10.1 概概 述述 表表10-1-1 无线电波频段的划分无线电波频段的划分 从电波传播特性出发，并考虑到系统技术问题，频段的典型应用如下：(1)超低频：典型应用为

2、地质结构(包括孕震效应)探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。(2)极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。(3)甚低频：典型应用为Omega(美)、(俄)超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。(4)低频：典型应用为LoranC(美)及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天线。(5)中频：用于广播、通信、导航(机场着陆系统)。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。(6)高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-

3、空通信。(7)米波：用于语音广播，移动(包括卫星移动)通信，接力(50 km跳距)通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高增益系数的天线系统。(8)分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信(9)厘米波：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。(10)毫米波：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。(11)亚毫米波：用于短路径通信。10.1.2 几种主要的电波传播方式几种主要的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。对于一定频率和极化的电波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

4、分为以下3种。1.地面波传播地面波传播如图10-1-1所示，电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。图 10-1-1 地面波传播 图 10-1-2 天波传播 2.天波传播天波传播如图10-1-2所示，发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。3.视距传播视距传播如图10-1-3所示，电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。图10-1-3 视距传播图 10-1-4 散射传播如图10-2-1所示，有一天线置于自由空间A处，其辐射功率为Pr，方向系数为D，在最大辐射方向上距离为r的点M处产生的场强振幅为 (10-2-1)10.2 自

5、由空间电波传播自由空间电波传播 rDPEr60图 10-2-1 自由空间的电波传播 自由空间传播损耗(Free Space Propagation Loss)的定义是：当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值，记为L0，即 或 (10-2-2)LrPPL 0dBlg100LrPPL D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为 (10-2-3)D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为 (10-2-4)所以该接收天线的接收功率为 (10-2-5)24 rPSrav42eAreavLPrASP24于是自由空间传播损耗为(10-2-6)或 (10-

6、2-7)d4lg20lg100rPPLLr)cm(lg20)km(lg2098.121 )km(lg20)MHz(lg2045.320rrfL实际的传输媒质对电波有吸收作用，这将导致电波的衰减。如果实际情况下的接收点的场强为E，而自由空间传播的场强为E0，定义比值|E/E0|为衰减因子(Attenuation Factor)，记为A，于是 (10-2-8)相应的衰减损耗为 (10-2-9)0EEAEELF0lg201lg20考虑了上述路径带来的衰减以后，为了表明传输路径的功率传输情况，常常引入路径传输损耗(Propagation Path Loss)(或称为基本传输损耗)，记为Lb，即 Lb=

7、L0+LFdB (10-2-10)如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为Gr，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密度和最佳接收功率分别为 (10-2-11)(10-2-12)2rinav4AGPSLrLGGAPrASP2in2eav4对于这样实际的传输电道，定义发射天线输入功率与接收天线输出功率(满足匹配条件)之比为该电道的传输损耗L(Propagation Loss)，即 (10-2-13)或 L=L0+LF-Gr-GLdB (10-2-14)LrLGGArPPL22in14【例例10-2-1】设微波中继通信的段距为r=50 km,工作波长为7.5 cm，收发天线的增益系数都为45

8、dB，馈线及分路系统一端损耗为3.6 dB，该路径的衰减因子A=0.7。若发射天线的输入功率为10 W，求其收信电平。解解 首先利用式(10-2-7)求出自由空间传播损耗为 L0=121.98+20 lgr(km)-20 lg(cm)=121.98+20 lg50-20 lg7.5 =121.98+33.98-17.5 =138.46 dB于是考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的总传输损耗L为 L=L0+LF-Gr-GL+23.6 =138.46-20 lg0.7-245+23.6 =58.8 dB 因发射天线的输入功率为Pin=10 W=40 dBm。(注：dBm为分贝毫瓦),于是收信电

9、平即接收天线的输出功率为 PL=Pin-L=40-58.8=-18.8 dBm如图10-3-1所示，空间A处有一球面波源，为了讨论它的辐射场的大小，根据惠更斯-菲涅尔原理，可以做一个与之同心、半径为R的球面，该球面上所有的同相惠更斯源对于远区观察点P来说，可以视为二次波源。如果P点与A点相距d=R+r0，为了计算方便起见，我们将球面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长(物理学上称这种环带为菲涅尔带(Fesnel Zone)，即10.3 电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 (10-3-1)2 22200201nrRrRrRrRrRrRn图 10

10、-3-1 菲涅尔半波带(a)剖面图；(b)迎视的菲涅尔环形带 可以证明，当r0E2E3EnEn+1 (10-3-2)从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于是P点的合成场振幅为 E=E1-E2+E3-E4+(10-3-3)如果将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2，则式(10-3-3)可以重新写为 (10-3-4)仔细观察上式，如果总带数足够大，利用式(10-3-2)的结论，可以认为 (10-3-5)22222227655433211EEEEEEEEEEE21EE 令第一菲涅尔区的半径为F1，则当各参数如图10-3-2所示时，根据第一菲涅尔区半径的定义 (10-3-6)通常d

11、1F1,d2F1，因此将上式作一级近似，可得 (10-3-7)显然，该半径在路径的中央d1=d2=d/2处达到最大值 (10-3-8)222212121ddFdFdddF211dF21max1图 10-3-2 第一菲涅尔区半径实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。如图10-3-3所示，如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性，不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收、发两点为焦点的旋转椭球。我们称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。图 10-3-3

12、菲涅尔椭球对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播。而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为该收、发两点之间被视为自由空间传播，说得更通俗一点，才可以用式(10-2-1)计算接收点的场强振幅。如图10-3-4所示，即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。图 10-3-4 不同波长的绕射能力1.推导自由空间传播损耗的公式，并说明其物理意义2.有一广播卫星系统，其下行线中心工作频率为f=700 MHz，卫星天线的输入功率为20

13、0 W，发射天线在接收天线方向的增益系数为26 dB，接收点至卫星的距离为37 740 km，接收天线的增益系数为30 dB，试计算接收机的最大输入功率。习习 题题 十十 3.在同步卫星与地面的通信系统中，卫星位于36 000 km高度，工作频率为4 GHz，卫星天线的输入功率为26 W，地面站抛物面接收天线增益系数为50 dB，假如接收机所需的最低输入功率是1pW，这时卫星上发射天线在接收天线方向上的增益系数至少应为多少？4.什么是电波传播的主要通道？它对电波传播有什么影响？5.求在收、发天线的架高分别为50 m和100 m，水平传播距离为20 km，频率为80 MHz的条件下，第一菲涅尔区半径的最大值。计算结果意味着什么？6.为什么说电波具有绕射能力？绕射能力与波长有什么关系？为什么？