微波技術(shù)與天線第7章

1、第7章電波傳播概論第第7章章 電波傳播概論電波傳播概論 7.1電波傳播的基本概念電波傳播的基本概念 1. 無線電波在自由空間的傳播無線電波在自由空間的傳播 天線置于自由空間中, 假設發(fā)射天線是一理想的無方向性天線, 若它的輻射功率為P瓦, 則離開天線r處的球面上的功率流密度為 S0=功率流密度又可以表示為)/(422mwrps第7章電波傳播概論120)Re(21200EnHEs由此, 離天線為r處的電場強度E0值為 rPE300 又假設發(fā)射天線是一實際天線, 其輻射功率仍為P, 設它的輸入功率為Pi, 若以Gi表示實際天線的增益系數(shù), 則在離實際天線r處的最大輻射方向上的場強為rGPEii30

2、0第7章電波傳播概論 如果接收天線的增益系數(shù)為GR, 有效接收面積為Ae, 則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為44220RiieRGrGpASp 將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間的基本傳輸損耗: RiRibfGGrpPL14將上式取對數(shù)得 RibfppLlg10)()()(lg20)(lg2045.32dBGdBGkmrMHZfRi第7章電波傳播概論 由上式可見: 若不考慮天線的因素, 則自由空間中的傳輸損耗, 是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴散而引起的, 它反映了球面波的擴散損耗。 2. 傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響 (1) 傳輸損耗（信道

3、損耗） 電波在實際的媒質(zhì)（信道）中傳播時是有能量損耗的。 這種能量損耗可能是由于大氣對電波的吸收或散射引起的, 也可能是由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射而引起的。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下, 設接收點的實際場強E、功率PR，而自由空間的場強為E0、功率為PR， 則信道的衰減因子A為第7章電波傳播概論RRPpEEdBAlg10lg20)(0則傳輸損耗Lb為)(lg10lg10lg10dBALpPpPpPLbfRRRiRib 若不考慮天線的影響, 即令Gi=GR=1, 則實際的傳輸損耗為 )()(lg20)(lg2045.32dBAkmrMHzfLb 式中,

4、 前三項為自由空間損耗Lbf； A為實際媒質(zhì)的損耗。 不同的傳播方式、 傳播媒質(zhì), 信道的傳輸損耗不同。 第7章電波傳播概論 (2) 衰落現(xiàn)象 所謂衰落, 一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。 根據(jù)引起衰落的原因分類, 大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落。 吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化, 使得信號在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應的變化而引起的。如大氣中的氧、 水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對電波有吸收作用。 由于氣象的隨機性, 這種吸收的強弱也有起伏, 形成信號的衰落。 由這種原因引起的信號電平的變化較慢, 所以稱為慢衰落, 如圖 7 1(a)所示。慢衰落通常是指信號電平的中值（五分

5、鐘中值、小時中值、月中值等）在較長時間間隔內(nèi)的起伏變化。 第7章電波傳播概論圖 7 1 衰落現(xiàn)象第7章電波傳播概論 干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中, 由于收、 發(fā)兩點間存在若干條傳播路徑, 典型的如天波傳播、 不均勻媒質(zhì)傳播等， 在這些傳播方式中, 傳輸媒質(zhì)具有隨機性, 因此使到達接收點的各路徑的時延隨機變化, 致使合成信號幅度和相位都發(fā)生隨機起伏。這種起伏的周期很短, 信號電平變化很快, 故稱為快衰落, 如圖 7 -1(b)所示。 這種衰落在移動通信信道中表現(xiàn)得更為明顯。 快衰落疊加在慢衰落之上。在較短的時間內(nèi)觀察時, 前者表現(xiàn)明顯, 后者不易被察覺。信號的衰落現(xiàn)

6、象嚴重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性, 需要采取有效措施（如分集接收等）來加以克服。 第7章電波傳播概論 (3) 傳輸失真 無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外, 還會產(chǎn)生失真振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個: 一是媒質(zhì)的色散效應, 二是隨機多徑傳輸效應。 色散效應是由于不同頻率的無線電波在媒質(zhì)中的傳播速度有差別而引起的信號失真。載有信號的無線電波都占據(jù)一定的頻帶, 當電波通過媒質(zhì)傳播到達接收點時, 由于各頻率成分傳播速度不同, 因而不能保持原來信號中的相位關(guān)系, 引起波形失真。 至于色散效應引起信號畸變的程度, 則要結(jié)合具體信道的傳輸情況而定。 第7章電波傳播概論 多徑傳輸也會引起

7、信號畸變。 這是因為無線電波在傳播時通過兩個以上不同長度的路徑到達接收點, 接收天線檢拾的信號是幾個不同路徑傳來的電場強度之和。 設接收點的場是兩條路徑傳來的相位差為=的兩個電場的矢量和。最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延。對所傳輸信號中的每個頻率成分, 相同的值引起不同的相差。例如對f1，若1=1=, 則因二矢量反相抵消, 此分量的合成場強呈現(xiàn)最小值；而對f2, 若2=2=2, 則因二矢量同相相加, 此分量的合成場強呈現(xiàn)最大值， 如圖 7 2(b)所示。 其余各成分依次類推。顯然, 若信號帶寬過大, 就會引起較明顯的失真。所以一般情況下, 信號帶寬不能超過1/。因此，引入相關(guān)

8、帶寬的概念，定義相關(guān)帶寬:第7章電波傳播概論圖7-2 多徑傳輸效應第7章電波傳播概論1f (4) 電波傳播方向的變化 當電波在無限大的均勻、線性媒質(zhì)內(nèi)傳播時, 射線是沿直線傳播的。 然而電波傳播實際所經(jīng)歷的空間場所是復雜多樣的: 不同媒質(zhì)的分界處將使電波折射、 反射; 媒質(zhì)中的不均勻體如對流層中的湍流團將使電波產(chǎn)生散射; 球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射; 特別是某些傳輸媒質(zhì)的時變性使射線軌跡隨機變化, 使得到達接收天線處的射線入射角隨機起伏, 使接收信號產(chǎn)生嚴重的衰落。 因此, 在研究實際傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響問題時, 電波傳播方向的變化也是重要內(nèi)容之一。 第7章電波傳播概論7.2 視距傳

9、播視距傳播 所謂視距傳播, 是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信以及雷達等都可以采用這種傳播方式。它主要用于超短波和微波波段的電波傳播。 1. 視線距離視線距離 設發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2（圖7-3）, 由于地球曲率的影響, 當兩天線A、B間的距離rrv時, 兩天線互相“看得見”, 當rrv時, 第7章電波傳播概論圖7-3 視線距離第7章電波傳播概論 兩天線互相“看不見”, 距離rv為收、 發(fā)天線高度分別為h2和h1時的視線極限距離, 簡稱視距。圖 7 3 中, AB與地球表面相切, a為地球半徑, 由圖可得到以下關(guān)系式: )(221hh

10、arv將地球半徑a=6.370106m代入上式, 即有32110)(57. 3hhrv 式中，h1和h2的單位為米。 視距傳播時, 電波是在地球周圍的大氣中傳播的, 大氣對電波產(chǎn)生折射與衰減。 由于大氣層是非均勻媒質(zhì), 其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化, 大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)。 第7章電波傳播概論 在標準大氣壓下, 大氣層的介電常數(shù)r隨高度增加而減小， 并逐漸趨近于1, 因此大氣層的折射率n= 隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄片層, 每一薄層是均勻的, 各薄層的折射率n隨高度的增加而減小。這樣當電波在大氣層中依次通過每個薄層界面時, 射線都將產(chǎn)生偏折, 因而電波射線形成一條向下

11、彎曲的弧線， 如圖 7 4 所示。 當考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時, 視距公式應修正為r)(10)(12. 4)(232121mhhhharev 在光學上, rrv的區(qū)域稱為照明區(qū), rrv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。 第7章電波傳播概論圖 7 4 大氣層對電波的折射第7章電波傳播概論 于電波頻率遠低于光學頻率, 故不能完全按上述幾何光學的觀點劃分區(qū)域。通常把r0.8rv的區(qū)域稱為照明區(qū), 將r1.2rv的區(qū)域稱為陰影區(qū), 而把0.8rvr1.2rv的區(qū)域稱為半照明半陰影區(qū)。 2. 大氣對電波的衰減大氣對電波的衰減 大氣對電波的衰減主要來自兩個方面。一方面是云、霧、 雨等小水滴對電波的熱吸收

12、及水分子、氧分子對電波的諧振吸收。 熱吸收與小水滴的濃度有關(guān), 諧振吸收與工作波長有關(guān)。 另一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的散射, 散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比, 與波長的四次方成反比。 第7章電波傳播概論 當工作波長短于5cm時, 就應該考慮大氣層對電波的衰減, 尤其當工作波長短于3cm時, 大氣層對電波的衰減將趨于嚴重。 就云、霧、雨、雪對微波傳播的影響來說, 降雨引起的衰減最為嚴重, 對10千兆赫以上的頻率, 由降雨引起的電波衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設計中都要考慮由降雨引起的衰減。 3. 場分析場分析 在視距傳播中, 除了自發(fā)射天線直接到達接收天線的

13、直射波外, 還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達接收天線的反射波， 如圖 75 所示。因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。第7章電波傳播概論圖 7 5 直射波與反射波dh1h2h1z第7章電波傳播概論 設h1為發(fā)射天線高度, h2為接收天線高度, d為收、 發(fā)天線間距, E為接收點場強, E1為直射波, E2為反射波。根據(jù)上面的分析, 接收點的場強為 E=E1+E2 E1=E 0 f() rejkrE2=RE0f() rerjk 式中, R為反射點處的反射系數(shù), R=|R|e j, f()為天線方向函數(shù)。 如果兩天線間距離dh1, h2, 則有第7章電波傳播概論= FrefEaEjkr)(0

14、)(1rrkjeRF式中，而dhhdhhdhhrr2121222122)(2)(將其代入式（7 2 7）得)/(2121dhhkjeRF當?shù)孛骐妼蕿橛邢拗禃r, 若射線仰角很小, 則有 RHRV1 第7章電波傳播概論式中, RH為水平極化波的反射系數(shù); RV垂直極化波的反射系數(shù)。 對于視距通信電路來說, 電波的射線仰角是很小的（通常小于1）, 所以有)2sin(2121/221dhheFdhhjk 由上式可得到下列結(jié)論: 當工作波長和收、發(fā)天線間距不變時, 接收點場強隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動，如圖 7 6 所示。 當工作波長和兩天線高度h1和h2都不變時, 接收點場強

15、隨兩天線間距的增大而呈波動變化, 間距減小，波動范圍減小， 如圖 7 7所示。 第7章電波傳播概論圖 7 6 接收點場強隨天線高度的變化曲 圖 7 7 接收點場強隨間距d的變化曲線第7章電波傳播概論 當兩天線高度h1和h2和間距d不變時, 接收點場強隨工作波長呈波動變化， 如圖 7 8 所示。 總之, 在微波視距通信設計中, 為使接收點場強穩(wěn)定, 希望反射波的成分愈小愈好。 所以在通信信道路徑的設計和選擇時, 要盡可能地利用起伏不平的地形或地物, 使反射波場強削弱或改變反射波的傳播方向, 使其不能到達接收點, 以保證接收點場強穩(wěn)定。 第7章電波傳播概論圖 7 8 接收點場強隨工作波長的變化曲線

16、第7章電波傳播概論7.3 天波傳播天波傳播 天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達接收點的傳播方式, 有時也稱電離層電波傳播, 主要用于中波和短波波段。 1. 電離層概況電離層概況 電離層是地球高空大氣層的一部分, 從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層電子密度不是均勻分布的, 因此, 按電子密度隨高度的變化相應地分為D, E, F1, F2四層, 每一個區(qū)域的電子濃度都有一個最大值, 如圖 7 - 9所示。 電離層主要是太陽的紫外輻射形成的, 因此其電子密度與日照密切相關(guān)白天大, 晚間小, 而且晚間D層消失; 電離層電子密度又隨四季不同而發(fā)生變化

17、。 除此之外, 太陽的騷動與黑子活動也對電離層電子密度產(chǎn)生很大影響。 第7章電波傳播概論圖 7- 9 電離層電子密度的高度分布 第7章電波傳播概論 2. 無線電波在電離層中的傳播無線電波在電離層中的傳播 仿照電波在視距傳播中的介紹方法, 可將電離層分成許多薄片層, 每一薄片層的電子密度是均勻的, 但彼此是不等的。 根據(jù)經(jīng)典電動力學可求得自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質(zhì)的相對介電常數(shù)為28 .801fNer其折射率為18 .8012fNne式中, f為電波的頻率。 第7章電波傳播概論 當電波入射到空氣電離層界面時, 由于電離層折射率小于空氣折射率, 折射角大于入射角, 射線要向下偏折。當電波

18、進入電離層后, 由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小, 因此各薄片層的折射率依次變小, 電波將連續(xù)下折, 直至到達某一高度處電波開始折回地面。 可見, 電離層對電波的反射實質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。 如圖 7 - 10, 在各薄片層間的界面上連續(xù)應用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1= ni sini式中, n0為空氣折射率, n0=1,0為電波進入電離層時的入射角。 設電波在第i層處到達最高點, 然后即開始折回地面, 則將i=90代入上式得第7章電波傳播概論圖 7 10 電離層對電波的連續(xù)折射第7章電波傳播概論208 .801sinfNnii0sec8 .80iNf 上式揭

19、示了天波傳播時, 電波頻率f(Hz)與入射角0和電波折回處的電子密度Ni（電子數(shù)/m3）三者之間的關(guān)系。 由此引入下列幾個概念: （1） 最高可用頻率 由式（7 -3 -5）可求得當電波以0角度入射時, 電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為0maxmaxsec8 .80Nf第7章電波傳播概論式中, Nmax為電離層的最大電子密度。 也就是說, 當電波入射角0一定時, 隨著頻率的增高, 電波反射后所到達的距離越遠。當電波工作頻率高于fmax時, 由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度, 因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層，見圖 7 - 11 所示, 這正是超短波和微波不能以天波

20、傳播的原因。 （2） 天波靜區(qū) 由式（7 -3 -4）可得電離層能把頻率為f(Hz)的電波“反射”回來的最小入射角0 min為第7章電波傳播概論圖 7 11 0 一定而頻率不同時的射線0f1f2f3 fmaxf3 f2 f1第7章電波傳播概論2maxmin08 .801arcsinfN 這就是說，當電波頻率一定時, 射線對電離層的入射角0越小, 電波需要到達電子濃度較高的地方才能被反射回來, 且通信距離越近， 如圖 7 - 12 的曲線“1”、“2” 所示； 但當0繼續(xù)減小時, 通信距離變遠, 如圖 7 -12 中的曲線“3”; 當入射角00 min時, 則電波能被電離層“反射”回來所需的電子

21、密度超出實際存在的Nmax值, 于是電波穿出電離層, 如圖7 -12中的曲線“4”。 由于入射角00min的電波不能被電離層“反射”回來, 使得以發(fā)射天線為中心的、一定半徑的區(qū)域內(nèi)就不可能有天波到達, 從而形成了天波的靜區(qū)。 第7章電波傳播概論圖 7 12 頻率一定時通信距離與入射角的關(guān)系 0靜區(qū)23 11 2 3 44第7章電波傳播概論 （3） 多徑效應 由于天線射向電離層的是一束電波射線, 各根射線的入射角稍有不同, 它們將在不同的高度上被“反射”回來, 因而有多條路徑到達接收點（圖 7 - 13）, 這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。 電離層的電子密度隨氣候不時發(fā)生起伏, 引起各射線路徑也不時變化,

22、 這樣, 各射線間的波程差也不斷變化, 從而使接收點的合成場的大小發(fā)生波動, 這種由多徑傳輸引起的接收點場強的起伏變化稱為多徑效應。正如本章前面所述, 多徑效應造成了信號的衰落。 （4） 最佳工作頻率fopt 電離層中自由電子的運動將耗散電波的能量, 使電波發(fā)生衰減, 但電離層對電波的吸收主要是D層和E層。第7章電波傳播概論圖 7 13 多徑效應第7章電波傳播概論 因此，為了減小電離層對電波的吸收, 天波傳播應盡可能采用較高的工作頻率。然而當工作頻率過高時, 電波需到達電子密度很大的地方才能被“反射”回來, 這就大大增長了電波的電離層中的傳播距離, 隨之也增大了電離層對電波的衰減。為此, 通常

23、取最佳工作頻率fopt為 fopt=0.85fmax 還需要注意的是, 電離層的D層對電波的吸收是很嚴重的, 夜晚, D層消失, 致使天波信號增強, 這正是晚上能接收到更多短波電臺的原因。 總之, 天波通信具有以下特點: 第7章電波傳播概論 頻率的選擇很重要, 頻率太高, 電波穿透電離層射向太空; 頻率太低, 電離層吸收太大, 以致不能保證必要的信噪比。 因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個頻率的確定, 不僅與年、月、日、時有關(guān), 還與通信距離有關(guān)。 同樣的電離層狀況, 通信距離近的, 最高可用頻率低, 通信距離遠的, 最高可用頻率高。顯然, 為了通信可靠, 必須在不同時刻使用不同的頻

24、率。 但為了避免換頻的次數(shù)太多, 通常一日之內(nèi)使用兩個（日頻和夜頻）或三個頻率。 天波傳播的隨機多徑效應嚴重, 多徑時延較大, 信道帶寬較窄。因此, 對傳輸信號的帶寬有很大限制, 特別是對于數(shù)字通信來說, 為了保證通信質(zhì)量, 在接收時必須采用相應的抗多徑措施。 第7章電波傳播概論 天波傳播不太穩(wěn)定, 衰落嚴重, 在設計電路時必須考慮衰落影響, 使電路設計留有足夠的電平余量。 電離層所能反射的頻率范圍是有限的, 一般是短波范圍。 由于波段范圍較窄, 因此短波電臺特別擁擠, 電臺間的干擾很大，尤其是夜間；由于電離層吸收減小, 電波傳播條件有所改善, 臺間干擾更大。 由于天波傳播是靠高空電離層的反射

25、, 因而受地面的吸收及障礙物的影響較小, 也就是說這種傳播方式的傳輸損耗較小, 因此能以較小功率進行遠距離通信。 天波通信, 特別是短波通信, 建立迅速，機動性好, 設備簡單, 是短波天波傳播的優(yōu)點之一。 第7章電波傳播概論7.4 地地 面面 波波 傳傳 播播 無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播, 當天線低架于地面, 且最大輻射方向沿地面時, 這時主要是地面波傳播。在長、中波波段和短波的低頻段（103106 Hz)均可用這種傳播方式。 設有一直立天線架設于地面之上, 輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r, 若大地是理想導體, 則接收天線接收到的仍是垂直極化波（圖 7 - 14）。 實際上,

26、 大地是非理想導電媒質(zhì), 垂直極化波的電場沿地面?zhèn)鞑r, 就在地面感應出與其一起移動的正電荷, 進而形成電流, 從而產(chǎn)生歐姆損耗, 造成大地對電波的吸收; 并沿地表面形成較小的電場水平分量, 致使波前傾斜, 并變?yōu)闄E圓極化波, 如圖 7 - 15所示。 顯然, 波前的傾斜程度反映了大地對電波的吸收程度。 第7章電波傳播概論圖 7 14 理想導電地面的場結(jié)構(gòu)第7章電波傳播概論圖 7 15 非理想導電地面的場結(jié)構(gòu)第7章電波傳播概論 從以上知識可以得到如下結(jié)論: 垂直極化波沿非理想導電地面?zhèn)鞑r, 由于大地對電波能量的吸收作用, 產(chǎn)生了沿傳播方向的電場縱向分量Ez1, 因此可以用Ez1的大小來說明傳

27、播損耗的情況。當?shù)孛娴碾妼试叫』螂姴l率越高, Ez1越大, 說明傳播損耗越大。因此, 地面波傳播主要用于長、中波傳播, 短波和米波小型電臺采用這種傳播方式工作時, 只能進行幾千米或十幾千米的近距離通信。海水的電導率比陸地的高, 因此在海面上要比陸地上傳得遠的多。 地面波的波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實用意義。由于Ex1Ez1, 故在地面上采用直立天線接收較為適宜。但在某些場合, 由于受到條件的限制, 也可以采用低架水平天線接收。 第7章電波傳播概論 地面波由于地表面的電性能及地貌、 地物等并不隨時間很快地變化, 并且基本上不受氣候條件的影響, 因此信號穩(wěn)定, 這是地面波傳播的突出優(yōu)點。 應該指出, 地面波的傳播情況與電波的極化形式有很大關(guān)系。大多數(shù)地質(zhì)情況下, 大地的磁導率0, 很難存在橫電波模式，因此關(guān)于地面波的討論都是針對橫磁波模式的。根據(jù)橫磁波存在的各場分量Ex1, Ez1, Hy1, 其電場分量在入射平面內(nèi), 故稱為垂直極化波。換句話說, 只有垂直極化波才能進行地面波傳播。 第7章電波傳播概論7.5 不均勻媒質(zhì)的散射傳播不均勻媒質(zhì)的散射傳播 除了上述三種基本傳輸方式外, 還有散射波傳播。