7电波传播解析课件

7-7-电波波传播解析播解析本章要点：*自由空间电磁波传播的菲涅区*通信链路的损耗计算（式7-1-7,7-1-10）*多径干扰、快衰落的类型（频率选择性衰落）*视距传播的条件、特点（雨衰、空气窗口）*视距传播链路的主要类型*天波传播的条件、特点*地波传播的特点7.1电波传播概论电波传播概论天线一侧面向发射/接收系统，一侧面向无线信道（存在各种干扰）。本章的内容：*建立信道传播模式的模型*了解快衰落的原因、类型*形成链路计算的概念*研究改进接受质量的措施7.1 电波传播的基本概念电波传播的基本概念直射直射：在无界均匀线性媒质中，电波以直线方式传播。：在无界均匀线性媒质中，电波以直线方式传播。dd d与传输波长成正比。与传输波长成正比。光为直线传播。光为直线传播。当电波传播的过程中有障碍物时，电波将产生反射、折当电波传播的过程中有障碍物时，电波将产生反射、折射、绕射、衍射和散射。射、绕射、衍射和散射。多多径径1.1.无线电波的传播机制：无线电波的传播机制：菲涅尔区菲涅尔区第一菲涅尔区：以发射点和接受点为焦点的椭圆体区域，是电波二次辐射源干涉的结果，也是直射电磁波能量传播的主要区域。球面波的二次辐射源波程差第一菲涅尔区第二菲涅尔区椭圆与基本电振子的E面图特点有关菲涅尔区(FresnelZone)发射天线必须高于障碍物足够的高度来使它和接收天线之间保持视线路径 在没有任何障碍物状态下，围绕直接传播路径的区域就叫做菲涅耳区域菲涅耳区域可以被看成是椭圆形或橄榄球形，它是天线之间主要的射频能量传播的区域要保证通信链路正常工作，大约60%的菲涅耳区域必须无障碍物的遮挡反射反射：当障碍物：当障碍物表面平表面平滑滑、且、且远大于传播电波远大于传播电波的波长的波长时，电波会产生时，电波会产生反射；反射；散射散射：当障碍物：当障碍物表面粗糙表面粗糙或障碍物或障碍物远远小于波长小于波长时，则会产生散射；时，则会产生散射；折射折射：当障碍物：当障碍物表面平滑表面平滑、且当且当障碍物为非导体障碍物为非导体时，则时，则会产生折射；会产生折射；绕射绕射：当：当障碍物可与波长相比障碍物可与波长相比时，时，则会产生绕射；（则会产生绕射；（频率低时较明频率低时较明显）显）除了直射路径外，还存在衍射：（微波波段）电磁波穿过缝隙（如建筑物之间的缝隙）时存在衍射，衍射的干涉也是造成多径衰落的原因之一 1.无线电波在自由空间传播的链路估算无线电波在自由空间传播的链路估算 在无线传输中，以下因素会影响传输质量1)吸收（Absorption）2)反射（Reverberation）3)阴影（Shadowing）4)多路径干扰（MultipathInterference）路径损耗（PathLoss）为确保可靠的通信，系统增益加上天线增益必须大于所有的路径损耗之和路径损耗包括电缆损耗、接头损耗、传播损耗及衰落储备（多径干扰和衰减影响的安全界限）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由此,离天线为r处的电场强度E0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功率流密度又可以表示为 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:将上式取对数得 此为自由空间的基本传播衰减损耗，本章的重要公式之一2.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）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而引起的。在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下,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(7-1-8)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。A可以是雨衰，也可以是地面、建筑物、树木等环境产生的衰减室外传播模型：针对不同工程问题可以提出相应的室外传播模型，实测其衰减因子 (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。吸收型衰落主要是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而引起的。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,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号的衰落。由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,如图 7-1(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化。图 7 1 衰落现象(a)慢衰落 (b)快衰落 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、不均匀媒质传播等，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化,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,信号电平变化很快,故称为快衰落,如图7-1(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。在较短的时间内观察时,前者表现明显,后者不易被察觉。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）来加以克服。快衰落 定义：移动台附近的散射体（地形，地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加，造成接收信号快速起伏的现象叫快衰落快衰落细分为：时间选择性衰落（快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散）空间选择性衰落（不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样）频率选择性衰落（不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散）。(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。产生失真的原因有两个: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一定的频带,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情况而定。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。所以一般情况下,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:图7-2 多径传输效应多径传输多径传输多径多径不同路径不同路径场的叠加场的叠加信号的衰落信号的衰落同相叠加同相叠加信号增强信号增强反相叠加反相叠加信号减弱信号减弱克服多径小尺度快衰落的技术措施之一空间分集空间分集以阵列天线来接受信号此外还涉及编码技术等方面 (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,射线是沿直线传播的。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。因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变化也是重要内容之一。7.2视距传播视距传播a)视距传播视距传播（距离（距离1050km，300M以上），以上），主主要要特特点点：传传播播区区域域限限于于视视线线距距离离以以内内；频频率率越越高高受受地地形形、地地物物的的影影响响越越大大；微微波波衰衰落落严严重重；大大气气吸吸收收及及雨雨衰衰减减严严重重（1GHz）（存在一些相对稳定的频点，称为空气窗口）（存在一些相对稳定的频点，称为空气窗口）（存在直射、折射、多径反射，衍射等)视距（LineofSight,LOS）链路，一般适用于空旷地区（如平原等）。LLOS是一条完全有视距的链路，在收、发机之间无遮挡，收发机相互可视，即，如果从发射端发射一道激光，它可以无遮挡地到达接收端。此时，传输信道不是靠反射、折射或衍射建立起来的。当某链路有不小于60%的（第一）菲尼尔区无遮挡时，我们则可以认为该链路为视距（LOS）链路。视距链路的定义图7-3 视线距离视距传播的距离估算将地球半径a=6.370106m代入上式,即有 式中，h1和h2的单位为米。视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电波产生折射与衰减。由于大气层是非均匀媒质,其压力、温度与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数。(7-2-2)m 在标准大气压下,大气层的介电常数r随高度增加而减小，并逐渐趋近于1,因此大气层的折射率n=随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,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 7-4 所示。当考虑大气的不均匀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。图 7 4 大气层对电波的折射2.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。一方面是云、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。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。当工作波长短于5cm时,就应该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重。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重,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可观的。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。吸收雨衰，一种常见的吸收现象 当微波波长与雨滴大小接近或小于雨滴的尺寸时，将会出现“雨衰”现象。2.4GHz的微波波长约为1.25分米，属于分米波，不会 出现“雨衰”问题。3.5GHz的微波波长大于8.5厘米，属于厘米波，不会出 现“雨衰”问题5.8GHz的微波波长大于5厘米，属于厘米波，不会出现“雨衰”现象。3.场分析场分析 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 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。设h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收、发天线间距,E为接收点场强,E1为直射波,E2为反射波。根据上面的分析,接收点的场强为 E=E1+E2图 7 5 直射波与反射波 式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e j,f()为天线方向函数。如果两天线间距离dh1,h2,则有(7-2-5)（7-2-6）其中式中，而将其代入式（7 2 7）得当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有 RHRV-1(7-2-7)(7-2-8)(7-2-9)(7-2-10)式中,RH为水平极化波的反射系数;RV垂直极化波的反射系数。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）,所以有（7-2-11）由上式可得到下列结论: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的变化而在零值与最大值之间波动，如图 7-6 所示。当工作波长和两天线高度h1和h2都不变时,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，如图 7-7所示。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，如图 7-8 所示。图 7 6 接收点场强随天线高度的变化曲图 7 7 接收点场强随间距d的变化曲线起伏波动变化图 7 8 接收点场强随工作波长的变化曲线7.3(电离层电离层)天波传播天波传播：b)电电离离层层散散射射传传播播（3050MHz，10002000km）；利利用用电电离离层层中中电电子子浓浓度度的的不不均均匀匀性性对对电电波波的的散散射作用完成远距离通信。射作用完成远距离通信。a)电电离离层层反反射射传传播播,天天波波:主主要要用用于于中中波波、短短波波的的远远距距离离的的广广播播、通通信信，岸岸船船间间航航海海移移动动移移动动通通信信，飞飞机机地地面面间间航航空移动通信。空移动通信。其特点：传播损耗小（远），衰其特点：传播损耗小（远），衰落现象严重，短波传播受电离落现象严重，短波传播受电离层扰动大；层扰动大；c)流星流星电离电离余迹余迹反（散）射传播。反（散）射传播。1.电离层概况电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为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 7-9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不同而发生变化。图 7-9 电离层电子密度的高度分布 2.无线电波在电离层中的传播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,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为其折射率为式中,f为电波的频率。(7-3-1)(7-3-2)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。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 7-10,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。(7-3-3)图 7 10 电离层对电波的连续折射 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:(7-3-4)(7-3-5)设电波在第i层处到达最高点,然后即开始折回地面,则将i=90代入上式得或 （1）最高可用频率 由式（7-3-5）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(7-3-6)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,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 7-11 所示,这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。（2）天波静区 由式（7-3-4）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 由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,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,从而形成了天波的静区。(7-3-7)图 7110 一定而频率不同时的射线图712 频率一定时通信距离与入射角的关系 （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 7-13）,这种现象称为多径传输。图 7 13 多径效应 （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收主要是D层和E层。因此，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。fopt=0.85fmax 还需要注意的是,电离层的D层对电波的吸收是很严重的,夜晚,D层消失,致使天波信号增强,这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。总之,天波通信具有以下特点: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,电离层吸收太大,以致不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。天波传播的随机多径效应严重,多径时延较大,信道带宽较窄。天波传播不太稳定,衰落严重,在设计电路时必须考虑衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。天波通信还有电磁波垂直往上发射，利用电离层的反射覆盖一定的区域7.4地波传播：地波传播：主要传播特点：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰主要传播特点：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄。电平高，工作频带窄。地波地波：电磁波沿地球表面传播：电磁波沿地球表面传播（）如对潜艇通信地波由于地貌环境不随时间变化，信号相对稳定，这是地波传播方式的突出优点。只有垂直极化波（天线直立与地面）才能进行地波传播。传播过程中地面有电场的沿传播方向上的水平分量，出现波前倾斜的现象。极化为椭圆极化。地波传播的倾斜现象对接受天线的意义是：即可以垂直结婚的直立天线接受，也可以水平天线来接受。谢谢！谢谢！