無線電波傳播的基礎(chǔ)知識(shí)

1、無線電波傳播的基礎(chǔ)知識(shí)無線電波傳播的基礎(chǔ)知識(shí)RD4 朱寧目錄目錄n 1 概述n 2 電波傳播頻段的典型應(yīng)用n 3 幾種主要的電波傳播方式n 4 自由空間電波傳播n 5 惠更斯菲涅耳原理n 6 電波傳播的菲涅爾區(qū)n 7 極限直視距離n 8 理想的戶外測(cè)試環(huán)境1 概述概述 n 人類正在觀測(cè)研究和利用的電磁波，其頻率低至千分之幾赫（地磁脈動(dòng)），高達(dá)1030Hz量級(jí)（宇宙射線），相應(yīng)的波長(zhǎng)從1011m短至10-20m以下。n 電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞。在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去

2、；n 電磁波頻率高時(shí)既可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的電磁波頻率高時(shí)既可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量。n 電磁波為橫波。n 電磁波速度等于光速c（每秒310的8次方米）。公式c=f (波長(zhǎng)，電磁每秒鐘變動(dòng)的次數(shù)便是頻率f) 。 n 電磁波通過不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等機(jī)械波與電磁波都能發(fā)生折射反射衍射干涉,因?yàn)樗械牟ǘ季哂胁上笮? 折射反射屬

3、于粒子性； 衍射干涉為波動(dòng)性。n 按序排列的頻率分布稱為頻譜（或波譜），在整個(gè)電磁波譜中，無線電波頻段（RadioFrequency Band）的劃分見P5表。n 超低頻 典型應(yīng)用為地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，電離層與磁層研究，對(duì)潛通信，地震電磁輻射前兆檢測(cè)。n 極低頻 典型應(yīng)用為對(duì)潛通信，地下通信，極穩(wěn)定的全球通信，地下遙感，電離層與磁層研究。n 甚低頻 典型應(yīng)用為Omega(美)、（俄）超遠(yuǎn)程及水下相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，全球電報(bào)通信及對(duì)潛指揮通信，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，地質(zhì)探測(cè)。n 低頻 典型應(yīng)用為L(zhǎng)oranC（美）及我國長(zhǎng)河二號(hào)遠(yuǎn)程脈沖相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，遠(yuǎn)程通信廣播。n 中頻 用于廣播、通信、導(dǎo)

4、航（機(jī)場(chǎng)著陸系統(tǒng)）n 高頻 用于遠(yuǎn)距離通信廣播，超視距天波及地波雷達(dá)，超視距地-空通信。2 電波傳播頻段的典型應(yīng)用電波傳播頻段的典型應(yīng)用n 米波 用于語音廣播，移動(dòng)（包括衛(wèi)星移動(dòng)）通信，接力（50km跳距）通信，航空導(dǎo)航信標(biāo)n 分米波分米波 用于電視廣播，飛機(jī)導(dǎo)航、著陸，警戒雷達(dá)，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)用于電視廣播，飛機(jī)導(dǎo)航、著陸，警戒雷達(dá)，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng)，蜂窩無線電通信。星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng)，蜂窩無線電通信。n 厘米波厘米波 用于多路語音與電視信道，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感，固定及移動(dòng)衛(wèi)用于多路語音與電視信道，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感，固定及移動(dòng)衛(wèi)星信道。星信道。n 毫米波 用于短路徑通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙

5、感。 此波段及以上波段的系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。n 亞毫米波 用于短路徑通信。 n 地面波傳播 表面波傳播是指電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r。 這時(shí)電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ?，地面的性質(zhì)，地貌、地物等的情況都會(huì)影響電波的傳播。 當(dāng)電波緊靠著起伏不平的地面?zhèn)鞑r(shí)，由于地球表面是半導(dǎo)體，因此一方面使電波發(fā)生變化和引起電波的吸收。另一方面由于地球表面是球型，使沿它傳播的電波發(fā)生繞射。3 幾種主要的電波傳播方式幾種主要的電波傳播方式 從物理知識(shí)中我們已經(jīng)知道，只有當(dāng)波長(zhǎng)與障礙物高度可以比較的時(shí)候，才能有繞射功能。在實(shí)際情況中只有長(zhǎng)波、中實(shí)際情況中只有長(zhǎng)波、中波以及短波的部分波段能繞過地球表面的大部分障礙

6、到達(dá)較波以及短波的部分波段能繞過地球表面的大部分障礙到達(dá)較遠(yuǎn)的地方遠(yuǎn)的地方。 在短波的部分波段和超短波、微波波段波段和超短波、微波波段，由于障礙高度比波長(zhǎng)大，因而電波在地面上不繞射，而是按直線傳播電波在地面上不繞射，而是按直線傳播。n 天波傳播 發(fā)射天線向高空輻射的電波在電離層內(nèi)經(jīng)過連續(xù)折射而返回地面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為天波傳播。 盡管中波、短波中波、短波都可以采用這種傳播方式，但是仍然以短波為主。它的優(yōu)點(diǎn)是能以較小的功率進(jìn)行可達(dá)數(shù)千千米的遠(yuǎn)距離傳播。 天波傳播的規(guī)律與電離層密切相關(guān)，由于電離層具有隨機(jī)變化的特點(diǎn)，因此天波信號(hào)的衰落現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。 n 視距傳播 電波依靠發(fā)射天線與接收天線

7、之間的直視的傳播方式稱為視距傳播（Line of sight）。 它可以分為地-地視距傳播和地-空視距傳播。視距傳播的工作視距傳播的工作頻段為超短波及微波波段頻段為超短波及微波波段。 此種工作方式要求天線具有強(qiáng)方向性并且有足夠高的架設(shè)高度。信號(hào)在傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波信號(hào)在傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波和地面反射波之間的干涉和地面反射波之間的干涉。 在幾千兆赫和更高的頻率上，還必須考慮雨和大氣成分的衰幾千兆赫和更高的頻率上，還必須考慮雨和大氣成分的衰減及散射作用。在較高的頻率上，山、建筑物和樹木等對(duì)電減及散射作用。在較高的頻率上，山、建筑物和樹木等對(duì)電磁波的散射

8、和繞射作用變得更加顯著磁波的散射和繞射作用變得更加顯著。n 除了上述3種基本的傳播方式外，還有散射傳播 散射傳播是利用低空對(duì)流層、高空電離層下緣的不均勻的“介質(zhì)團(tuán)”對(duì)電波的散射特性來達(dá)到傳播目的的。 散射傳播的距離可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地-地視距傳播的視距。 對(duì)流層散射主要用于100MHz10GHz頻段頻段，傳播距離r1000km。散射通信的主要優(yōu)點(diǎn)是距離遠(yuǎn)，抗毀性好，保密性強(qiáng)。不 均 勻 介 質(zhì)4 自由空間電波傳播自由空間電波傳播 n 不同的電波傳播方式反映在不同傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響不同，帶來的損耗不同。n 但是即使在自由空間傳播，電波在傳播的過程中的功率密度也不斷衰減。為了便于對(duì)各種傳播方式進(jìn)行

9、定量的比較，有必要先進(jìn)行電波在自由空間傳播的討論。AMrPrn dBm的概念: dBm即分貝毫瓦。 功率單位 與P（瓦特）換算公式： (10*P)dBm=(10*P)dB-30dB (P:瓦 ) 純計(jì)數(shù)單位純計(jì)數(shù)單位 首先， DB 是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位：對(duì)于功率，dB = 10*lg(A/B)。對(duì)于電壓或電流，dB = 20*lg(A/B).dB的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過了，就是把一個(gè)很大（后面跟一長(zhǎng)串0的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串0的）的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來。如： X=1000000000000000 (15個(gè)) 10lgX=150dB X=0.000000000000001 10lgX=-150 dB

10、 dBm 定義的是 miliwatt。 0 dBm=10lg1mw； dBw 定義 watt。 0 dBw = 10lg1 W = 10lg1000 mw = 30 dBm。 n dBm功率轉(zhuǎn)換表功率轉(zhuǎn)換表DBm功功 率率（W）dBm功功 率率（W）dBm功功 率率（W）dBm功功 率率（W） 00.001160.04311.284640 10.00125170.048321.64751.2 30.002180.0643324864 40.0025190.08342.564980 5 0.003200.1353.250100 60.004210.12836451128 70.005220.16

11、375.1252160 80.006230.2386.453200 90.008240.25639854256100.01250.32401055320110.012260.44112.856400120.016270.512421657512130.02280.64432058640140.024290.84425.65980015 0.0323014532601000dBm=10logmW mW=Lg(dBm/10)n 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗（Free Space Propagation Loss）的定義 當(dāng)發(fā)射天線與接收天線的方向系數(shù)都為1時(shí)，發(fā)射天線的輻射功率Pr與接收天線的

12、最佳接收功率PL的比值，記為L(zhǎng)0， 即0410lg20lgrLPrLdBP或或 032.4520lg()20lg ()121.9820lg ()20lg ()Lf MHzr kmr kmcmn 如果實(shí)際情況下的接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為E，而自由空間傳播的場(chǎng)強(qiáng)為E0，定義比值|E/E0|為衰減因子（Attenuation Factor），記為A， 于是0EAE相應(yīng)的衰減損耗為相應(yīng)的衰減損耗為 0120lg20lgFELAEA與工作頻率、傳播距離、媒質(zhì)電參數(shù)、地貌地物、傳播方式等因素有關(guān)?？紤]了上述路徑帶來的衰減以后，為了表明傳輸路徑的功率傳輸情況，常常引入路徑傳輸損耗路徑傳輸損耗（Propagation

13、Path Loss記為L(zhǎng)b，即0bFLLLdB 發(fā)射天線的輸入功率為Pin，增益系數(shù)為Gr，接收天線的增益系數(shù)為GL實(shí)際的傳輸電道實(shí)際的傳輸電道，定義發(fā)射天線輸入功率與接收天線輸出功率之比為該電道的傳輸損耗L（Propagation Loss），即22041()inLrLFrLPrLPA G GLLLGGdB在路徑傳輸損耗在路徑傳輸損耗Lb為客觀存在的前提下，降低傳輸損為客觀存在的前提下，降低傳輸損耗耗L的重要措施就是的重要措施就是提高收、發(fā)天線的增益系數(shù)提高收、發(fā)天線的增益系數(shù)。n 雖然自由空間是一種理想介質(zhì)，是不會(huì)吸收能量的，但是隨著傳播距離的增大導(dǎo)致發(fā)射天線的輻射功率分布在更大的球面上，

14、因此自由空間傳播損耗是一種擴(kuò)散式的能量自然損耗。n 當(dāng)電波頻率提高當(dāng)電波頻率提高1倍或傳播距離增加倍或傳播距離增加1倍時(shí)，自由空間倍時(shí)，自由空間傳播損耗分別增加傳播損耗分別增加6dB。公式舉例n 光在傳播過程中遇到障礙物，光波會(huì)繞過障礙物繼續(xù)傳播。 n 如果波長(zhǎng)與障礙物相當(dāng)，衍射現(xiàn)象最明顯。 n 惠更斯原理惠更斯原理-介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)，都可看成是發(fā)射子波的新波源，在以后的任何時(shí)刻，這些子波的包跡就是新的波陣面。 n 惠更斯原理只能定性解釋波的衍射現(xiàn)象，不能給出波的強(qiáng)度，不能解釋衍射現(xiàn)象中明暗相間條紋的形成。 n 菲涅耳在惠更斯原理基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充菲涅耳在惠更斯原理基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充，給出了關(guān)于

15、位相和振幅的定量描述，提出子波相干疊加子波相干疊加的概念。 n 從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波，在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí)，各個(gè)子波之間也可以互相迭加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 n 這個(gè)經(jīng)菲涅爾發(fā)展的惠更斯原理稱為惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理5 惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理6 電波傳播的菲涅爾區(qū)電波傳播的菲涅爾區(qū) n 理想的自由空間應(yīng)是無邊際的，但是這樣的空間是不存在的。而對(duì)某一特定方向而言，卻存在著能否視為自由空間某一特定方向而言，卻存在著能否視為自由空間傳播的概念，更有其實(shí)際的意義傳播的概念，更有其實(shí)際的意義。對(duì)此，需要介紹電波傳播的菲涅爾區(qū)菲涅爾區(qū)概念。n 空間A處有一球面波源，為了討論它的輻射場(chǎng)的

16、大小，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，可以做一個(gè)與之同心、半徑為與之同心、半徑為R的的球面球面，該球面上所有的同相惠更斯源同相惠更斯源對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)P來說，可以視為二次波源。n 如果P點(diǎn)與A點(diǎn)相距d=R+r0，為了計(jì)算方便起見，我們將球面S分成許多環(huán)形帶Nn(n=1,2,3,:)，并使相鄰兩帶的邊相鄰兩帶的邊緣到觀察點(diǎn)的距離相差半個(gè)波長(zhǎng)緣到觀察點(diǎn)的距離相差半個(gè)波長(zhǎng)（物理學(xué)上稱這種環(huán)帶為菲涅爾帶（菲涅爾帶（Fesnel Zone），即菲涅爾半波帶菲涅爾半波帶 (a)剖面圖剖面圖 (b)仰視的菲涅爾環(huán)形帶仰視的菲涅爾環(huán)形帶r1RRRRr2r0PAN1N2N3N4(a)(b)S1020022()2()2nR

17、rRrRrRrRrRrnn 盡管在自由空間從波源A輻射到觀察點(diǎn)P的電波，從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)看,可以認(rèn)為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的，但起最重要作用的是第一菲涅爾區(qū)第一菲涅爾區(qū)。n 作為粗略近似，只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地形地物遮擋，就能得到自由空間傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)形地物遮擋，就能得到自由空間傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。所以在實(shí)際的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)第一菲涅爾區(qū)的尺寸非常關(guān)注n 第一菲涅爾區(qū)半徑第一菲涅爾區(qū)半徑1max12FdRr1F1N1d1d2dn 實(shí)際上，劃分菲涅爾半波帶的球面是任意選取的，因此當(dāng)球面半徑R變化時(shí)，盡管各菲涅爾區(qū)的尺寸也在變化，但是它們的幾何定義不變。而它們的

18、幾何定義恰恰就是以A、P兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓定義。n 如圖所示，如果考慮到以傳播路徑為軸線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，不同位置的同一菲涅爾半波帶的外圍輪廓線應(yīng)是一個(gè)以收、發(fā)兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球。我們稱第一菲涅爾橢球?yàn)殡姴▊鞑サ闹饕ǖ?。AP2F1菲涅爾橢球菲涅爾橢球 n 波長(zhǎng)越短，第一菲涅爾區(qū)半徑越小波長(zhǎng)越短，第一菲涅爾區(qū)半徑越小，對(duì)應(yīng)的第一菲涅爾橢球越細(xì)長(zhǎng)。對(duì)于波長(zhǎng)非常短的光學(xué)波段，橢球體更加細(xì)長(zhǎng)，因而產(chǎn)生了光學(xué)中研究過的純粹的射線傳播。n 由于電波傳播的主要通道并不是一條直線，因此即使某凸出物并沒有擋住收、發(fā)兩點(diǎn)間的幾何射線，但是已進(jìn)入了第一菲涅爾橢球，此時(shí)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)受到影響，該收、發(fā)兩點(diǎn)之間不能視為

19、自由空間傳播。而當(dāng)凸出物未進(jìn)入第一菲涅爾橢球，即電波傳當(dāng)凸出物未進(jìn)入第一菲涅爾橢球，即電波傳播的主要通道，此時(shí)才可以認(rèn)為該收、發(fā)兩點(diǎn)之間被視為自由空播的主要通道，此時(shí)才可以認(rèn)為該收、發(fā)兩點(diǎn)之間被視為自由空間傳播間傳播。n 即使在地面上的障礙物遮住收、發(fā)兩點(diǎn)間的幾何射線的情況下，由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住，因此接收點(diǎn)仍然可以收到信號(hào)，此種現(xiàn)象被稱為電波繞射電波繞射。n 在地面上的障礙物高度一定的情況下，波長(zhǎng)越長(zhǎng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電波傳播的主要通道的橫截面積越大，相對(duì)遮擋面積就越小，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)就越大，因此頻率越低頻率越低，繞射能力越強(qiáng)繞射能力越強(qiáng)。AP12不同波長(zhǎng)的繞射能力不同波長(zhǎng)的繞射能力n 實(shí)際上，電磁信號(hào)在各種特定的媒質(zhì)中傳播的過程，除了以上所介紹的基本特性之外，還可能遭受衰落，衰落，反射和折射，極化偏移，干擾和噪聲，時(shí)、頻域畸變反射和折射，極化偏移，干擾和噪聲，時(shí)、頻域畸變等效應(yīng)等效應(yīng)，并因此而具有復(fù)雜的時(shí)空頻域變化特性。這些媒質(zhì)效應(yīng)對(duì)信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性常常產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此各種媒質(zhì)中各頻段電磁波的傳播效應(yīng)是電波傳播研究的主要對(duì)象。7 極限直視距離極限直視