天線與電波傳輸?shù)?次課

1、天線與電波傳播天線與電波傳播第第9 9次課次課By 樊振宏樊振宏8. 8. 電波傳播的基礎(chǔ)知識電波傳播的基礎(chǔ)知識8.1 8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 電磁波譜電磁波譜8.1.2 8.1.2 幾種主要的電波傳播方式幾種主要的電波傳播方式 8.2 8.2 自由空間電波傳播自由空間電波傳播8.3 8.3 電波傳播的菲涅爾區(qū)電波傳播的菲涅爾區(qū) 8.1概述概述8.1.1 電磁波譜電磁波譜頻段名稱及典型業(yè)務(wù)頻段名稱及典型業(yè)務(wù)名稱名稱符號符號頻率頻率波段波段波長波長傳播特性傳播特性主要用途主要用途甚低頻甚低頻VLFVLF3-30KHz3-30KHz甚長波甚長波100-10 100-10 kmkm空

2、間波為主空間波為主海岸潛艇通信；遠(yuǎn)距離通信；超遠(yuǎn)海岸潛艇通信；遠(yuǎn)距離通信；超遠(yuǎn)距離導(dǎo)航距離導(dǎo)航低頻低頻LFLF30-30-300KHz300KHz長波長波10-10-1km1km地波為主地波為主越洋通信；中距離通信；地下巖層越洋通信；中距離通信；地下巖層通信；遠(yuǎn)距離導(dǎo)航通信；遠(yuǎn)距離導(dǎo)航中頻中頻MFMF0.3-3MHz0.3-3MHz中波中波1km-1km-100m100m地波與天波地波與天波船用通信；業(yè)余無線電通信；移動船用通信；業(yè)余無線電通信；移動通信；中距離導(dǎo)航通信；中距離導(dǎo)航高頻高頻HFHF3-30MHz3-30MHz短波短波100m-100m-10m10m天波與地波天波與地波遠(yuǎn)距離短波

3、通信；國際定點(diǎn)通信遠(yuǎn)距離短波通信；國際定點(diǎn)通信甚高頻甚高頻VHFVHF30-30-300MHz300MHz米波米波10m-10m-1m1m空間波空間波電離層散射（電離層散射（30-60MHz30-60MHz）；流星余）；流星余跡通信；人造電離層通信（跡通信；人造電離層通信（30-30-144MHz144MHz）；對空間飛行體通信；移）；對空間飛行體通信；移動通信動通信特高頻特高頻UHFUHF0.3-3GHz0.3-3GHz分米波分米波100-100-10cm10cm空間波空間波小容量微波中繼通信；（小容量微波中繼通信；（3 5 2 -3 5 2 -420MHz420MHz）；對流層散射通信（）

4、；對流層散射通信（700-700-10000MHz10000MHz）；中容量微波通信）；中容量微波通信（1700-2400MHz1700-2400MHz）超高頻超高頻SHFSHF3-30GHz3-30GHz厘米波厘米波10-10-1cm1cm空間波空間波大 容 量 微 波 中 繼 通 信 （大 容 量 微 波 中 繼 通 信 （ 3 6 0 0 -3 6 0 0 -4200MHz4200MHz）；大容量微波中繼通信）；大容量微波中繼通信（5850-8500MHz5850-8500MHz）；數(shù)字通信；衛(wèi)）；數(shù)字通信；衛(wèi)星通信；國際海事衛(wèi)星通信（星通信；國際海事衛(wèi)星通信（1500-1500-160

5、0MHz1600MHz）極高頻極高頻EHFEHF30-30-300GHz300GHz毫米波毫米波10-10-1mm1mm空間波空間波在入大氣層時(shí)的通信；波導(dǎo)通信在入大氣層時(shí)的通信；波導(dǎo)通信8.1.2 8.1.2 電波傳播方式電波傳播方式電波傳播特性同時(shí)取決于電波傳播特性同時(shí)取決于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和和電波特征參量電波特征參量。對于特定頻率和極化的代表與特定媒質(zhì)條件相匹配，將對于特定頻率和極化的代表與特定媒質(zhì)條件相匹配，將具有某種占優(yōu)勢的傳播方式。常用的電波傳播方式分為：具有某種占優(yōu)勢的傳播方式。常用的電波傳播方式分為：地面波傳播；天波傳播；視距傳播；地面波傳播；天波傳播；視距傳播；8.2

6、. 8.2. 自由空間電波傳播自由空間電波傳播 不同的電波傳播方式反映在不同傳輸媒質(zhì)對電波不同的電波傳播方式反映在不同傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響不同，帶來的損耗不同。但是即使在傳播的影響不同，帶來的損耗不同。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。為了便于對各種傳播方式進(jìn)行定量也不斷衰減。為了便于對各種傳播方式進(jìn)行定量的比較，有必要先進(jìn)行在自由空間傳播的討論。的比較，有必要先進(jìn)行在自由空間傳播的討論。1 1. . 自由空間傳輸損耗自由空間傳輸損耗 天線置于自由空間中天線置于自由空間中, , 假設(shè)發(fā)射天線是一理想的假設(shè)發(fā)射天線是一理

7、想的無方向性天線無方向性天線 (D=1),(D=1), 若它的輻射功率為若它的輻射功率為P瓦瓦, , 則離則離開天線開天線r r處的球面上的功率流密度為處的球面上的功率流密度為 功率流密度又可以表示為功率流密度又可以表示為202(/)4PSW mrs2001Re()2240ESEHn由此由此, , 離天線為離天線為r r處的電場強(qiáng)度處的電場強(qiáng)度E E0 0值為值為 060PEr 又假設(shè)發(fā)射天線是一實(shí)際天線又假設(shè)發(fā)射天線是一實(shí)際天線, , 其輻射功率仍為其輻射功率仍為P, 設(shè)它的輸入功率為設(shè)它的輸入功率為Pi, 若以若以Gi表示實(shí)際天線的增益系表示實(shí)際天線的增益系數(shù)數(shù), , 則在離實(shí)際天線則在離

8、實(shí)際天線r r處的最大輻射方向上的場強(qiáng)為處的最大輻射方向上的場強(qiáng)為060iiPGEr（8-2-1） 實(shí)際工程中，為了對發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線及接收機(jī)、實(shí)際工程中，為了對發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線及接收機(jī)、接收天線合理地提出要求，需要預(yù)先進(jìn)行接收天線合理地提出要求，需要預(yù)先進(jìn)行電道計(jì)算電道計(jì)算：主要是計(jì)算電波在傳播過程中的衰減程度。主要是計(jì)算電波在傳播過程中的衰減程度。 如果接收天線的增益系數(shù)為如果接收天線的增益系數(shù)為GR, 有效接收面積為有效接收面積為Ae, 則在距離發(fā)射天線則在距離發(fā)射天線r r處的接收天線所接收的功率為處的接收天線所接收的功率為20244iiRRePGGPSAr 將輸入功率與接收功率之比定

9、義為自由空間的基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本傳輸損耗: : 241ibfRiRPrLPGG將上式取對數(shù)得將上式取對數(shù)得 10lgibfRPLP32.4520lg()20lg ()()()iRf MHzr kmG dBGdB（8-2-5）（8-2-6）（8-2-7）010lg20lgiRPrLP32.4520lg()20lg ()f MHzr km 如果收發(fā)天線的增益系數(shù)均為如果收發(fā)天線的增益系數(shù)均為1,1,則可得則可得自由空間自由空間傳輸損耗傳輸損耗為：為：121.9820lg ()20lg ()r kmcm 由上式可見由上式可見: : 若不考慮天線的因素若不考慮天線

10、的因素, , 則自由空間中的傳則自由空間中的傳輸損耗輸損耗, , 是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴(kuò)散而引起的擴(kuò)散而引起的, , 它反映了球面波的它反映了球面波的擴(kuò)散損耗擴(kuò)散損耗。 當(dāng)電波頻率提高當(dāng)電波頻率提高1 1倍或傳播距離增加倍或傳播距離增加1 1倍時(shí)，自由空間傳播倍時(shí)，自由空間傳播損耗分別增加損耗分別增加6dB6dB。 當(dāng)波長當(dāng)波長=100m, 傳播距離傳播距離r = 50km時(shí)時(shí),L0 = 76dB這是一個(gè)不小的數(shù)據(jù)。這是一個(gè)不小的數(shù)據(jù)。 204iRPrLp 電波在實(shí)際的媒質(zhì)（信道）中傳播時(shí)是有能量損耗的。電波在實(shí)際的媒質(zhì)（

11、信道）中傳播時(shí)是有能量損耗的。 這種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。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的情況下, , 設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)E E、功率功率P P R R，而自由空間的場強(qiáng)為而自由空間的場強(qiáng)為E E0 0、功率為功率為P PR R， 則則信道的衰減因子信道的衰減因子A A為0EAE0120lg20lg10

12、lg()RFREPLdBAEP（8-2-9）相應(yīng)的衰減損耗為相應(yīng)的衰減損耗為（8-2-8）2. 2. 信道的傳輸損耗信道的傳輸損耗則傳輸損耗則傳輸損耗Lb為為10lg10lg10lg()iiRbbfFRRRPPPLLLdBPPP0()bFrLLLLGGdB 式中式中, , 前三項(xiàng)為自由空間損耗前三項(xiàng)為自由空間損耗Lbf； A為實(shí)際媒質(zhì)的損耗為實(shí)際媒質(zhì)的損耗。 不同的不同的傳播方式、傳播方式、 傳播媒質(zhì)傳播媒質(zhì), , 信道的傳輸損耗不同。信道的傳輸損耗不同。 在傳播路徑損耗在傳播路徑損耗L Lb b客觀存在的條件下，降低傳輸損耗客觀存在的條件下，降低傳輸損耗L L的重要措施就的重要措施就是提高收

13、、發(fā)天線的增益系數(shù)。是提高收、發(fā)天線的增益系數(shù)。（8-2-10）（8-2-14）9 9 地面波傳播地面波傳播 無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播(Ground Wave Propagation), 當(dāng)天線低架于地面當(dāng)天線低架于地面, , 且最大輻射方且最大輻射方向沿地面時(shí)向沿地面時(shí), , 這時(shí)主要是地面波傳播。在長波、長波、中波這時(shí)主要是地面波傳播。在長波、長波、中波波段和短波的低頻段波段和短波的低頻段（104106 Hz)均可用這種傳播方式。軍均可用這種傳播方式。軍事上常用于近距離通信、偵察和干擾。事上常用于近距離通信、偵察和干擾。

14、特點(diǎn)：特點(diǎn)： 信號穩(wěn)定，基本上不受氣象條件、晝夜及季節(jié)變化的信號穩(wěn)定，基本上不受氣象條件、晝夜及季節(jié)變化的影響。頻率升高，損耗迅速增大。影響。頻率升高，損耗迅速增大。 9.1 9.1 地球表面電特性地球表面電特性 地球平均半徑地球平均半徑6370km,6370km,最外層是地殼層，它的表面是電導(dǎo)率較最外層是地殼層，它的表面是電導(dǎo)率較大的沖積層。由于地球內(nèi)部作用，以及外部的風(fēng)化作用，使得地大的沖積層。由于地球內(nèi)部作用，以及外部的風(fēng)化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，還有人為建筑、球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，還有人為建筑、田野等，它們影響了電波傳播。田野等，它

15、們影響了電波傳播。 地面波主要取決于地面條件。地面波主要取決于地面條件。 1 1 、地面的不平坦性（長波中波時(shí)，除高、地面的不平坦性（長波中波時(shí)，除高山外可認(rèn)為地面為平坦的）山外可認(rèn)為地面為平坦的） 2 2、地質(zhì)的情況、地質(zhì)的情況 ：復(fù)介電常數(shù)：復(fù)介電常數(shù)表表9-1-1 地面的電參數(shù)地面的電參數(shù) 導(dǎo)電？介電？導(dǎo)電？介電？ 傳導(dǎo)電流與位移電流密度之比傳導(dǎo)電流與位移電流密度之比060fDrrJJ 1良導(dǎo)體良導(dǎo)體1電介質(zhì)電介質(zhì)半電介質(zhì)半電介質(zhì)1Page 197 表9-1-29.2 地面波的傳播特性地面波的傳播特性 電磁波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地電磁波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地表面進(jìn)行傳播的

16、。表面進(jìn)行傳播的。 1 1、吸收。（水平極化衰減大、垂直極化吸、吸收。（水平極化衰減大、垂直極化吸收小，見圖收小，見圖9-2-19-2-1） 2 2、繞射、繞射( (波長長的繞射能力強(qiáng)）波長長的繞射能力強(qiáng)）9.2.1 9.2.1 波前傾斜現(xiàn)象波前傾斜現(xiàn)象 設(shè)有一直立天線（發(fā)射天線）架設(shè)于地面之上設(shè)有一直立天線（發(fā)射天線）架設(shè)于地面之上, , 輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r(shí)輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r(shí), , 若大地是理想若大地是理想導(dǎo)體導(dǎo)體, , 則接收天線接收到的仍是垂直極化波。則接收天線接收到的仍是垂直極化波。 實(shí)際上實(shí)際上, , 大地是非理想導(dǎo)電媒質(zhì)大地是非理想導(dǎo)電媒質(zhì), ,垂直極化波的電垂

17、直極化波的電場沿地面?zhèn)鞑r(shí)場沿地面?zhèn)鞑r(shí), , 就在地面感應(yīng)出與其一起移動就在地面感應(yīng)出與其一起移動的電荷的電荷, , 進(jìn)而形成電流進(jìn)而形成電流, , 由于地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，由于地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，從而產(chǎn)生歐姆損耗從而產(chǎn)生歐姆損耗, , 產(chǎn)生壓降，即沿地表面形成產(chǎn)生壓降，即沿地表面形成較小的電場水平分量較小的電場水平分量, , 致使波前傾斜致使波前傾斜, , 變?yōu)樽優(yōu)闄E圓橢圓極化波極化波, , 如圖如圖 9-2-29-2-2所示。所示。 顯然顯然, , 波前的波前的傾斜程傾斜程度度反映了大地對電波的反映了大地對電波的吸收程度吸收程度。 圖圖9-2-2 9-2-2 波前傾斜現(xiàn)象波前傾斜現(xiàn)象M.A.

18、列翁托維奇列翁托維奇近似邊界條件近似邊界條件9.2.2 9.2.2 地面波傳播的場分量地面波傳播的場分量從以上知識可以得到如下結(jié)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(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí)垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí), , 由于大地對電波能由于大地對電波能量的吸收作用量的吸收作用, , 產(chǎn)生了沿傳播方向的電場縱向分量產(chǎn)生了沿傳播方向的電場縱向分量E Ez1z1, , 因此因此可以用可以用E Ez1z1的大小來說明傳播損耗的情況。的大小來說明傳播損耗的情況。當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高小或電波頻率越高, , E Ez1z1越大越大, , 說明傳播損耗越大說明傳播損

19、耗越大。 因此因此, , 地面波傳播地面波傳播主要用于主要用于長、中波傳播長、中波傳播, , 短波和米波小短波和米波小型電臺采用這種傳播方式工作時(shí)型電臺采用這種傳播方式工作時(shí), , 只能只能進(jìn)行幾千米或十幾千米進(jìn)行幾千米或十幾千米的近距離通信。的近距離通信。 海水的電導(dǎo)率比陸地的高海水的電導(dǎo)率比陸地的高, , 因此在海面上要比陸地上傳得因此在海面上要比陸地上傳得遠(yuǎn)的多。遠(yuǎn)的多。 9.2.3 9.2.3 地面波傳播特性地面波傳播特性 地面波的地面波的波前傾斜波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實(shí)現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實(shí)用意義。由于用意義。由于E Ex1x1E Ez1z1, , 故在

20、地面上采用直立天線接收較為適故在地面上采用直立天線接收較為適宜，直立天線附近宜用宜，直立天線附近宜用濕地濕地。也可以采用低架或埋地水平天。也可以采用低架或埋地水平天線接收，并且其附近宜用線接收，并且其附近宜用e er r和和s s較小的較小的干地干地，并且不宜埋地過，并且不宜埋地過深。深。 第第7474頁的頁的G G型天線型天線 地面波由于地表面的電性能及地貌、地面波由于地表面的電性能及地貌、 地物等并不隨時(shí)間地物等并不隨時(shí)間很快地變化很快地變化, , 并且基本上不受氣候條件的影響并且基本上不受氣候條件的影響, , 因此信號穩(wěn)因此信號穩(wěn)定定, , 這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。 4 4 極化極化 地面上水平極化損耗大地面上水平極化損耗大 5 5 有繞射損耗。有繞射損耗。 6.6.長波中波時(shí)是一個(gè)狹長橢圓極化波。短波、超長波中波時(shí)是一個(gè)狹長橢圓極化波。短波、超短波時(shí)，相位差趨于零，可近似認(rèn)為是線極化波。短波時(shí)，