《微波技术与天线》课件第7章.pptx

1、第 7 章 电波传播概论7.1 基本概念和公式基本概念和公式 7.2 基本要求基本要求 7.1 基本概念和公式基本概念和公式7.1.1 电波传播的基本概念电波传播的基本概念 1.电波传播的方式电波传播的方式 根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响,可将电波传播方式分为视距 传播、天波传播、地面波传播、不均匀媒质传播等。2.自由空间的基本传输损耗自由空间的基本传输损耗 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Pi 与接收功率PR 之比定义为自由空间的基本传输损耗,其表达式 为式中,Gi 和GR 分别为发射天线和接收天线的增益系

2、数。3.传输媒质对电波传播的影响传输媒质对电波传播的影响 1)传输损耗(信道损耗)若不考虑天线的影响,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。可见不同的传播方式、传播媒 质,其信道的传输损耗也不同。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。根据引起衰落的原因分类,大致可 分为:吸收型衰落和干涉型衰落。(1)吸收型衰落 由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化,如大气中的 氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。由于气象的随机性,因而这种吸收的强弱也有起伏,所形成的信号衰落,称为吸收型衰落。由这种机理

3、引 起信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,它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化,如图7 1(a)所示。(2)干涉型衰落 由随机多径干涉现象引起的信号幅度和相位的随机起伏称为干涉型衰落。这种起伏的 周期很短,信号电平变化很快,故称为快衰落,如图7 1(b)所示。图 7 1 信号的衰落3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生振幅失真和相位失真。产生失真的原 因有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。(1)色散效应 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。(2)多径传输效应 无线电波在传播时

4、通过两个以上不同长度的路径到达接收点,如图7 2(a)所示,接 收天线收到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 值却引起了不同的相差。例如,对 f1,若1=1=,则因二矢量反相抵消,此分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,此分量的合成场强呈现最大值,如图7 2(b)所示,其余各成分依次类推。显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。这种现象称之为 频率选择性衰落。图 7 2 多径传输效应(3)相关带宽 最大

5、的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。一般情况下,信号带宽 不能超过1/。若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。定义相关带宽为4)电波传播方向的变化 当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,它是沿直线传播的。然而,在不同媒质分 界处将使电波产生折射、反射;媒质中的不均匀体(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;特别是某些传输媒质的时变性将使射线轨迹随机变 化,从而使到达接收天线处的射线入射角随机起伏,导致接收信号产生严重的衰落。7.1.2 视距传播视距传播 1.视距传播的定义视距传播的定义 视距传播是指发射天线和接收天线处于相互“能看见”的视线距离内

6、的传播方式,如图 7 3所示。它是超短波和微波波段主要的电波传播方式。图 7 3 视线距离3.大气对电波的衰减大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面:云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收,热吸收 与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的6次方成正比,与波 长的4次方成反比。4.场分析场分析 1)场的表达式 在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波,如图7 4所示,因此接收天线处的场是直射波与反 射波的叠加。图 7 4 直射波与反射设h

7、1 为发射天线高度,h2 为接收天线高度,d 为收、发天线间距,接收点的场强为式中,f()为天线方向函数。对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的(通常小于1),所以2)讨论 当工作波长和收、发天线间距不变时,接收点场强随天线高度h1 和h2 的变化在零 值与最大值之间波动,如图7 5所示。当工作波长 和两天线高度h1、h2 都不变时,接收点场强随两天线间距的增大而 呈波动状态变化,间距减小,最大值与最小值的间隔变小,如图7 6所示。当两天线高度h1、h2 和间距d 不变时,接收点场强随工作波长 呈波动状态变化,如图7 7所示。图 7 5 接收点场强随天线高度变化曲线图 7 6 接收点场强

8、随间距d 变化曲线图 7 7 接收点场强随工作波长(m)的变化曲线5.结论结论 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。7.1.3 天波传播天波传播 1.天波传播的定义天波传播的定义 天波传播通常是指自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。有时也称为电离层电波传播,主要用于中波和短波波段。2.电离层概况电离层概况 电离层主要是由于太阳的紫外辐射使高空电子电离形成的。电离层是地球高空大气层的

9、一部分,从离地面60km 的高度一直延伸到1000km 的高空。按电子密度随高度的变化将电离层相应地分为D、E、F1、F2 四层,每一个区域都 有一个电子浓度的最大值,如图7 8所示。电离层电子密度与日照密切相关:白天大,晚间小,而且晚间D 层消失。电离层电子密度又随四季发生变化。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的影响。图 7 8 电离层电子密度的高度分布3.无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 1)电波频率f(Hz)与入射角0 和电子密度的关系 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,此时射线要向下偏折。当电波进入

10、电离层后,由于电子密度随高度的增加而逐渐 减小,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开始 折回地面,如图7 9所示。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。图 7 9 电离层对电波的连续折射设电波在第i层处到达最高点,然后即开始折回地面,电波频率f 与入射角0 和电波 折回处的电子密度 Ni(电子数/立方米)三者之间的关系为2)结论(1)最高可用频率 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 一定时,频率越高,电 波反射后所到达的距离越远;当电波工

11、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,如图7 10所示,这正是 超短波和微波不能以天波传播的原因。图 7 10 0 一定、频率不同时的射线(2)天波静区频率为f 的电波被电离层“反射”回来的最小入射角为由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,因此使得以发射天线为中心的 一定半径的区域内就不可能有天波到达,这就形成了天波的静区。当电波频率一定,射线对电离层的入射角0 较小时,电波需要到达电子浓度较高处才 能被反射回来,此时通信距离较近,如图7 11的曲线1、2所示;但当0 继续减小时,通 信距离变远,如图7

12、11中的曲线3所示;当入射角00min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7 11中的 曲线4所示。图 7 11 频率一定时通信距离与入射角的关系(3)多径效应 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,它们在不同的高度 上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点,这种现象称为多径传输。多径传输引起的 接收点场强的起伏变化称为多径效应,如图7 12所示。图 7 12 多径效应(4)最佳工作频率fopt 为了减小电离层对电波的吸收,天波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作 频率过高时,电波需到达电子密度很大的地

13、方才能被“反射”回来,这就大大增长了电波在 电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减。通常取最佳工作频率为4.天波通信的特点天波通信的特点 选择频率是个很重要的问题,频率太高,电波穿透电离层射向太空;频率1太27低,电离层吸收太大,以致不能保证必需的信噪比,因此通信频率必须选择在最佳频率附近。天波传播随机多径效应严重,多径时延较大,信道带宽较窄。天波传播不太稳定,衰落严重。电离层所能反射的频率范围是有限的,一般是短波范围。由于天波传播是靠高空电离层反射回来的,因而受地面的吸收及障碍物的影响 较小。天波通信,特别是短波通信,建立迅速,机动性好,设备简单。7.1.4 地表面波传播地表面波

14、传播 1.地表面波传播的定义地表面波传播的定义 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,传播方式主要是地面波传播。在长、中波波段和短波的低频段(几千赫兹 至几兆赫兹)均可用这种传播方式。2.地面波的波前倾斜现象地面波的波前倾斜现象 由于大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时(见图7 13),会在地 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 吸收,并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变为椭圆极化波。这种现 象称为地面波的波前倾斜现象,如图7 14所示。不言而喻,波前的倾斜程度反映了

15、大地 对电波的吸收程度。图 7 13 理想导电地面的场结构图 7 14 非理想导电地面的场结构3.地表面波传播的特点地表面波传播的特点 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,说明传播损耗越大。因此,地面波传播主要用于长、中 波传播。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜。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。7.1.5 不均匀媒质的散射传播

16、不均匀媒质的散射传播 1.不均匀媒质的散射传播的定义不均匀媒质的散射传播的定义 电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”而发生散射,散射波的一 部分到达接收天线处,这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播,如图7 15所示。图 7 15 不均匀媒质传播2.对流层散射传播的原理对流层散射传播的原理 当超短波、短波投射到对流层中的不均匀的介质团时,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。于是电波就到达不均匀介质团所 能“看见”但电波发射点却不能“看见”的超视距范围。3.对流层散射传播的特点对流层散射传播的特点 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大(包括

17、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。由于湍流运动的特点,散射体是随机变幻的,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贡献是随机的。这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰 落。这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。这种传播方式的优点是:容量较大、可靠性高、保密性好,单跳跨距达300800km,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。7.1.6 室内电波传播室内电波传播 1.室内电波传播的特点室内电波传播的特点 电波的室内

18、传播受到许多因素的影响,诸如:建筑物形状、建筑材料、家具摆设、隔断(包括门的开关状态)以及天线的位置与摆置方式等。由于室内传播路径变化多端,电磁波 在室内传播会引起较多的附加损耗,主要是反射、散射和折射三种基本方式。2.接收功率接收功率 收发天线间距离为d,收发天线的增益分别为Gr和Gt,室内传播损耗为Ld(对于自由 空间Ld=1),则接收端的接收功率为上述公式中d=0是不成立的,因此工程上通常在满足远区条件下靠近发射天线的某 一点d0处(称为参考距离)测得接收功率为Pr(d0),则距离d 处的接收功率可写成:其中,n 称为路径损耗指数因子,通常取n=3-4。7.2 基基 本本 要要 求求 了解电波传播有哪几种方式。掌握传输媒质对电波传播的影响。掌握微波视距传播、天波传播、地面波传播及不均匀媒质散射传播的原理及其 特点。了解电离层的概况及大气对电波的衰减。了解地面波的波前倾斜现象。了解室内电波传播的特点。