電波傳播概論課件

1、第6章電波傳播概論 6.1電波傳播的基本概念 1. 無線電波在自由空間的傳播 天線置于自由空間中, 假設(shè)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 功率流密度又可以表示為（6-1-1）由此, 離天線為r處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0值為 又假設(shè)發(fā)射天線是一實(shí)際天線, 其輻射功率仍為P, 設(shè)它的輸入功率為Pi, 若以Gi表示實(shí)際天線的增益系數(shù), 則在離實(shí)際天線r處的最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為（6-1-2）（6-1-3）（6-1-4） 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 將輸入功率與接收功率之比定義為

2、自由空間的基本傳輸損耗: 將上式取對(duì)數(shù)得 （6-1-5）（6-1-6）（6-1-7） 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(kuò)散而引起的, 它反映了球面波的擴(kuò)散損耗。 2. 傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響 (1) 傳輸損耗（信道損耗） 電波在實(shí)際的媒質(zhì)（信道）中傳播時(shí)是有能量損耗的。 這種能量損耗可能是由于大氣對(duì)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(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)E、功率PR，而自由空間的場(chǎng)強(qiáng)為E0、功率為PR， 則信道

3、的衰減因子A為則傳輸損耗Lb為 若不考慮天線的影響, 即令Gi=GR=1, 則實(shí)際的傳輸損耗為 式中, 前三項(xiàng)為自由空間損耗Lbf； A為實(shí)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。 （6-1-8）（6-1-9）（6-1-10）表6-1 電磁干擾的分類 (2) 衰落現(xiàn)象 所謂衰落, 一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)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(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)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(duì)電波有吸收作用。 由于氣象的隨機(jī)性, 這種吸

4、收的強(qiáng)弱也有起伏, 形成信號(hào)的衰落。 由這種原因引起的信號(hào)電平的變化較慢, 所以稱為慢衰落, 如圖 6-1(a)所示。慢衰落通常是指信號(hào)電平的中值（五分鐘中值、小時(shí)中值、月中值等）在較長時(shí)間間隔內(nèi)的起伏變化。 圖 6 1 衰落現(xiàn)象 干涉型衰落主要是由隨機(jī)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(diǎn)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(jī)性, 因此使到達(dá)接收點(diǎn)的各路徑的時(shí)延隨機(jī)變化, 致使合成信號(hào)幅度和相位都發(fā)生隨機(jī)起伏。這種起伏的周期很短, 信號(hào)電平變化很快, 故稱為快衰落, 如圖 6-1(b)所示。 這種衰落在移動(dòng)通信信

5、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(shí)間內(nèi)觀察時(shí), 前者表現(xiàn)明顯, 后者不易被察覺。信號(hào)的衰落現(xiàn)象嚴(yán)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。 (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(huì)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(gè): 一是媒質(zhì)的色散效應(yīng), 二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。 色散效應(yīng)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(hào)失真。載有信號(hào)的無線電波都占據(jù)一定的頻帶, 當(dāng)電波通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收點(diǎn)時(shí), 由于各頻率成分傳播速度不同, 因而不能保持原來信號(hào)中的相位關(guān)系, 引起波形失真。 至于色散效

6、應(yīng)引起信號(hào)畸變的程度, 則要結(jié)合具體信道的傳輸情況而定。 多徑傳輸也會(huì)引起信號(hào)畸變。 這是因?yàn)闊o線電波在傳播時(shí)通過兩個(gè)以上不同長度的路徑到達(dá)接收點(diǎn), 接收天線檢拾的信號(hào)是幾個(gè)不同路徑傳來的電場(chǎng)強(qiáng)度之和。 設(shè)接收點(diǎn)的場(chǎng)是兩條路徑傳來的相位差為=的兩個(gè)電場(chǎng)的矢量和。最大的傳輸時(shí)延與最小的傳輸時(shí)延的差值定義為多徑時(shí)延。對(duì)所傳輸信號(hào)中的每個(gè)頻率成分, 相同的值引起不同的相差。例如對(duì)f1，若1=1=, 則因二矢量反相抵消, 此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)最小值；而對(duì)f2, 若2=2=2, 則因二矢量同相相加, 此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)最大值， 如圖6- 2(b)所示。 其余各成分依次類推。顯然, 若信號(hào)帶寬過大, 就

7、會(huì)引起較明顯的失真。所以一般情況下, 信號(hào)帶寬不能超過1/。因此，引入相關(guān)帶寬的概念，定義相關(guān)帶寬:圖6-2 多徑傳輸效應(yīng) (4) 電波傳播方向的變化 當(dāng)電波在無限大的均勻、線性媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí), 射線是沿直線傳播的。 然而電波傳播實(shí)際所經(jīng)歷的空間場(chǎng)所是復(fù)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(duì)流層中的湍流團(tuán)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(shí)變性使射線軌跡隨機(jī)變化, 使得到達(dá)接收天線處的射線入射角隨機(jī)起伏, 使接收信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落。 因此, 在研究實(shí)際傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響問題時(shí), 電波傳播方向的變化也是重要內(nèi)容之一。

8、 6.2 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(dá)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 設(shè)發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2（圖6-3）, 由于地球曲率的影響, 當(dāng)兩天線A、B間的距離rrv時(shí), 兩天線互相“看得見”, 當(dāng)rrv時(shí), 圖6-3 視線距離 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(shí)的視線極限距離, 簡稱視距。圖6-3 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: 將地球半徑a=6.370106m代入上式, 即有 式

9、中，h1和h2的單位為米。 視距傳播時(shí), 電波是在地球周圍的大氣中傳播的, 大氣對(duì)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)。 （6-2-1）（6-2-2） 在標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)電波在大氣層中依次通過每個(gè)薄層界面時(shí), 射線都將產(chǎn)生偏折, 因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線， 如圖 6-4 所示。 當(dāng)考慮大氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響時(shí),

10、 視距公式應(yīng)修正為 在光學(xué)上, rrv的區(qū)域稱為照明區(qū), rrv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。 （6-2-3）圖 6- 4 大氣層對(duì)電波的折射 于電波頻率遠(yuǎn)低于光學(xué)頻率, 故不能完全按上述幾何光學(xué)的觀點(diǎn)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(duì)電波的衰減 大氣對(duì)電波的衰減主要來自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、 雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)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(duì)電波的散射, 散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比, 與

11、波長的四次方成反比。 當(dāng)工作波長短于5cm時(shí), 就應(yīng)該考慮大氣層對(duì)電波的衰減, 尤其當(dāng)工作波長短于3cm時(shí), 大氣層對(duì)電波的衰減將趨于嚴(yán)重。 就云、霧、雨、雪對(duì)微波傳播的影響來說, 降雨引起的衰減最為嚴(yán)重, 對(duì)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(shè)計(jì)中都要考慮由降雨引起的衰減。 3. 場(chǎng)分析 在視距傳播中, 除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外, 還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波， 如圖6-5所示。因此接收天線處的場(chǎng)是直射波與反射波的疊加。圖 6 5 直射波與反射波 設(shè)h1為發(fā)射天線高度, h2為接收天線高度, d為

12、收、 發(fā)天線間距, E為接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng), E1為直射波, E2為反射波。根據(jù)上面的分析, 接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為 E=E1+E2 E1=E 0 f() E2=RE0f() 式中, R為反射點(diǎn)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（6-2-4）（6-2-5）= 式中，而將其代入式（6-2-7）得當(dāng)?shù)孛骐妼?dǎo)率為有限值時(shí), 若射線仰角很小, 則有 RHRV1 （6-2-7）（6-2-6）（6-2-8）（6-2-9）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(duì)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 由

13、上式可得到下列結(jié)論: 當(dāng)工作波長和收、發(fā)天線間距不變時(shí), 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動(dòng)，如圖 6-6 所示。 當(dāng)工作波長和兩天線高度h1和h2都不變時(shí), 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨兩天線間距的增大而呈波動(dòng)變化, 間距減小，波動(dòng)范圍減小， 如圖6-7所示。 （6-2-10）圖 6 6 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨天線高度的變化曲 圖 6 7 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨間距d的變化曲線 當(dāng)兩天線高度h1和h2和間距d不變時(shí), 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長呈波動(dòng)變化， 如圖 6-8 所示。 總之, 在微波視距通信設(shè)計(jì)中, 為使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)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(shè)計(jì)和選擇時(shí), 要盡可能地利

14、用起伏不平的地形或地物, 使反射波場(chǎng)強(qiáng)削弱或改變反射波的傳播方向, 使其不能到達(dá)接收點(diǎn), 以保證接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定。 圖 6 8 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長的變化曲線6.3 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(dá)接收點(diǎn)的傳播方式, 有時(shí)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(yīng)地分為D, E, F1, F2四層, 每一個(gè)區(qū)域的電子濃度都有一個(gè)最大值, 如圖 6- 9所示。 電離層主要是太陽的紫外

15、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。 除此之外, 太陽的騷動(dòng)與黑子活動(dòng)也對(duì)電離層電子密度產(chǎn)生很大影響。 圖 6- 9 電離層電子密度的高度分布 2. 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(dòng)力學(xué)可求得自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為其折射率為式中, f為電波的頻率。 （6 -3 -1）（6 -3 -2） 當(dāng)電波入射到空氣電離層界面時(shí), 由于電離層折射率小于空氣折射率, 折射角大于入射

16、角, 射線要向下偏折。當(dāng)電波進(jìn)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(dá)某一高度處電波開始折回地面。 可見, 電離層對(duì)電波的反射實(shí)質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。 如圖 6 - 10, 在各薄片層間的界面上連續(xù)應(yīng)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(jìn)入電離層時(shí)的入射角。 設(shè)電波在第i層處到達(dá)最高點(diǎn), 然后即開始折回地面, 則將i=90代入上式得（6 -3 -3）圖610 電離層對(duì)電波的連續(xù)折射 上式揭示了天波傳播時(shí), 電波頻率f(Hz)與入射角0和電

17、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(gè)概念: （1） 最高可用頻率 由式（6 -3 -5）可求得當(dāng)電波以0角度入射時(shí), 電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為（6 -3 -5）（6 -3 -4）（6 -3 -6）式中, Nmax為電離層的最大電子密度。 也就是說, 當(dāng)電波入射角0一定時(shí), 隨著頻率的增高, 電波反射后所到達(dá)的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)電波工作頻率高于fmax時(shí), 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 6 - 11 所示, 這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。 （2） 天波靜區(qū) 由式（6 -3

18、-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為圖 611 0 一定而頻率不同時(shí)的射線 這就是說，當(dāng)電波頻率一定時(shí), 射線對(duì)電離層的入射角0越小, 電波需要到達(dá)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 6 - 12 的曲線“1”、“2” 所示； 但當(dāng)0繼續(xù)減小時(shí), 通信距離變遠(yuǎn), 如圖 6 -12 中的曲線“3”; 當(dāng)入射角00 min時(shí), 則電波能被電離層“反射”回來所需的電子密度超出實(shí)際存在的Nmax值, 于是電波穿出電離層, 如圖6 -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

19、徑的區(qū)域內(nèi)就不可能有天波到達(dá), 從而形成了天波的靜區(qū)。 （6 -3 -7）圖 6 12 頻率一定時(shí)通信距離與入射角的關(guān)系 （3） 多徑效應(yīng) 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(dá)接收點(diǎn)（圖 6 - 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(shí)發(fā)生起伏, 引起各射線路徑也不時(shí)變化, 這樣, 各射線間的波程差也不斷變化, 從而使接收點(diǎn)的合成場(chǎng)的大小發(fā)生波動(dòng), 這種由多徑傳輸引起的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的起伏變化稱為多徑效應(yīng)。正如本章前面所述, 多徑效應(yīng)造成了信號(hào)的衰落。 （4） 最佳工作頻率fopt 電離層中自

20、由電子的運(yùn)動(dòng)將耗散電波的能量, 使電波發(fā)生衰減, 但電離層對(duì)電波的吸收主要是D層和E層。圖 6 13 多徑效應(yīng) 因此，為了減小電離層對(duì)電波的吸收, 天波傳播應(yīng)盡可能采用較高的工作頻率。然而當(dāng)工作頻率過高時(shí), 電波需到達(dá)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(duì)電波的衰減。為此, 通常取最佳工作頻率fopt為 fopt=0.85fmax 還需要注意的是, 電離層的D層對(duì)電波的吸收是很嚴(yán)重的, 夜晚, D層消失, 致使天波信號(hào)增強(qiáng), 這正是晚上能接收到更多短波電臺(tái)的原因。 總之, 天波通信具有以下特點(diǎn): （6 -3 -8） 頻率的選擇很重

21、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(gè)頻率的確定, 不僅與年、月、日、時(shí)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(yuǎn)的, 最高可用頻率高。顯然, 為了通信可靠, 必須在不同時(shí)刻使用不同的頻率。 但為了避免換頻的次數(shù)太多, 通常一日之內(nèi)使用兩個(gè)（日頻和夜頻）或三個(gè)頻率。 天波傳播的隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重, 多徑時(shí)延較大, 信道帶寬較窄。因此, 對(duì)傳輸信號(hào)的帶寬有很大限制, 特別是對(duì)于數(shù)字通信來說, 為了保證通信質(zhì)量, 在接收時(shí)必須采用相應(yīng)的抗多徑措

22、施。 天波傳播不太穩(wěn)定, 衰落嚴(yán)重, 在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮衰落影響, 使電路設(shè)計(jì)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(tái)特別擁擠, 電臺(tái)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(tái)間干擾更大。 由于天波傳播是靠高空電離層的反射, 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(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。 天波通信, 特別是短波通信, 建立迅速，機(jī)動(dòng)性好, 設(shè)備簡單, 是短波天波傳播的優(yōu)點(diǎn)之一。 6.4 地 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

23、, 當(dāng)天線低架于地面, 且最大輻射方向沿地面時(shí), 這時(shí)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(shè)有一直立天線架設(shè)于地面之上, 輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r(shí), 若大地是理想導(dǎo)體, 則接收天線接收到的仍是垂直極化波（圖 6 - 14）。 實(shí)際上, 大地是非理想導(dǎo)電媒質(zhì), 垂直極化波的電場(chǎng)沿地面?zhèn)鞑r(shí), 就在地面感應(yīng)出與其一起移動(dòng)的正電荷, 進(jìn)而形成電流, 從而產(chǎn)生歐姆損耗, 造成大地對(duì)電波的吸收; 并沿地表面形成較小的電場(chǎng)水平分量, 致使波前傾斜, 并變?yōu)闄E圓極化波, 如圖 6 - 15所示。 顯然, 波前的傾斜程度反映了大地對(duì)電波的吸收程度。 圖

24、 6 14 理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖 6 15 非理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu) 從以上知識(shí)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), 由于大地對(duì)電波能量的吸收作用, 產(chǎn)生了沿傳播方向的電場(chǎng)縱向分量Ez1, 因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況。當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高, 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(tái)采用這種傳播方式工作時(shí), 只能進(jìn)行幾千米或十幾千米的近距離通信。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遠(yuǎn)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(shí)用意義。由于Ex1Ez1, 故在地面上采用直

25、立天線接收較為適宜。但在某些場(chǎng)合, 由于受到條件的限制, 也可以采用低架水平天線接收。 地面波由于地表面的電性能及地貌、 地物等并不隨時(shí)間很快地變化, 并且基本上不受氣候條件的影響, 因此信號(hào)穩(wěn)定, 這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。 應(yīng)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(dǎo)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(duì)橫磁波模式的。根據(jù)橫磁波存在的各場(chǎng)分量Ex1, Ez1, Hy1, 其電場(chǎng)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(jìn)行地面波傳播。 表6-2 地面的電參數(shù)表6-3 各種地質(zhì)（ ）值6.5 不均勻媒質(zhì)的散

26、射傳播 除了上述三種基本傳輸方式外, 還有散射波傳播。 電波在低空對(duì)流層或高空電離層下緣遇到不均勻的“介質(zhì)團(tuán)”時(shí)就會(huì)發(fā)生散射, 散射波的一部分到達(dá)接收天線處（圖6 - 16）, 這種傳播方式稱為不均勻媒質(zhì)的散射傳播。 電離層散射主要用于 30100MHz頻段, 對(duì)流層散射主要用于100 MHz以上頻段。就其傳播機(jī)理而言, 電離層散射傳播與對(duì)流層散射傳播有一定的相似性； 就其應(yīng)用廣度來說, 電離層散射傳播不如對(duì)流層散射傳播方式應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)以對(duì)流層散射為例簡單介紹不均勻媒質(zhì)的散射傳播的原理。 圖 6 16 不均勻媒質(zhì)傳播 對(duì)流層是大氣的最低層, 通常是指從地面算起至高達(dá)135千米的區(qū)域, 在太陽的

27、輻射下，受熱的地面通過大氣的垂直對(duì)流作用, 對(duì)流層升溫。一般情況下, 對(duì)流層的溫度、 壓強(qiáng)、濕度不斷變化, 在渦旋氣團(tuán)內(nèi)部及其周圍的介電常數(shù)有隨機(jī)的小尺度起伏, 形成了不均勻的介質(zhì)團(tuán)。 當(dāng)超短波、 短波投射到這些不均勻體時(shí), 就在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流, 成為一個(gè)二次輻射源, 將入射的電磁能量向四面八方再輻射。于是電波就到達(dá)不均勻介質(zhì)團(tuán)所能“看見”但電波發(fā)射點(diǎn)卻不能“看見”的超視距范圍。 電磁波的這種無規(guī)則、無方向的輻射, 即為散射, 相應(yīng)的介質(zhì)團(tuán)稱為散射體, 如圖 7 - 16 所示。對(duì)于任一固定的接收點(diǎn)來說, 其接收?qǐng)鰪?qiáng)就是收發(fā)雙方都能“看見”的那部分空間收、 發(fā)天線波束相交的公共體積中的所有散

28、射體的總和。通過上述分析, 可以看出對(duì)流層散射傳播具有下列特點(diǎn): 由于散射波相當(dāng)微弱, 即傳輸損耗很大（包括自由空間傳輸損耗、散射損耗、大氣吸收損耗及來自天線方面的損耗, 一般超過200dB）, 因此對(duì)流層散射通信要采用大功率發(fā)射機(jī)、 高靈敏度接收機(jī)和高增益天線。 由于湍流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn), 散射體是隨機(jī)變化的, 它們之間在電性能上是相互獨(dú)立的, 因而它們對(duì)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)影響是隨機(jī)的。 這種隨機(jī)多徑傳播現(xiàn)象, 使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的快衰落。 這種快衰落一般通過采用分集接收技術(shù)來克服。 這種傳播方式的優(yōu)點(diǎn)是: 容量大, 可靠性高, 保密性好, 單跳跨距達(dá)300800 km, 一般用于無法建立微波中繼站的地區(qū),

29、 如用于海島之間或跨越湖泊、沙漠、雪山等地區(qū)。 第6章 電波傳播 無線電波是通過發(fā)射天線和接收天線之間的大氣媒質(zhì)進(jìn)行傳播的。大氣媒質(zhì)的情況,和討論天線時(shí)情況并不一樣。大氣媒質(zhì)實(shí)際上是非理想的對(duì)流層,平流層,電離層等,并且以導(dǎo)電的地球表面作為它的邊界。大氣層和地表面的各種情況對(duì)于電波的傳播產(chǎn)生著各種不同的影響。電波可以有下列幾種傳播方式(見圖61): (1)表面波傳播:電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ浇邮拯c(diǎn)。 (2)自由空間傳播:忽略地面的效應(yīng),電波由發(fā)射天線直接傳播到接收點(diǎn),由于媒質(zhì)的不均勻性,傳播路線可以有某些彎曲。 (3)空間波傳播:地面的效應(yīng)反映為存在地面反射波,到達(dá)接收點(diǎn)的電波是由空間直射波和地

30、面反射波共同作用相干涉的結(jié)果。 (4)天波傳播:電波通過高空電離層的反射傳播到接收點(diǎn)。 (5)散射波傳播:電波通過空間大氣對(duì)流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性對(duì)電波的散射作用而傳播到接收點(diǎn)。 圖61 圖61 一,表面波傳播 地表面像導(dǎo)電體一樣,也有引導(dǎo)電磁波傳播的能力。表面波就是沿著地表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ā１砻娌ㄔ趥鞑サ倪^程中能量被地面所吸收。吸收衰減速度的大小與電磁波的頻率,極化,土壤的性質(zhì)(海水,干土,濕土等)以及傳播距離等有關(guān)。圖62所示為地面上垂直短振子天線輻射1kW功率的電磁波并沿著地面?zhèn)鞑r(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化曲線。圖中橫坐標(biāo)是離發(fā)射機(jī)的距離(km),縱坐標(biāo)是信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度有效值相對(duì)于1V/

31、m的分貝數(shù),即(61) 當(dāng)輻射功率或天線性能變化時(shí),可按下式計(jì)算(62) 式中E是輻射功率為1kW時(shí),垂直短振子 天線輻射時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度值 P是實(shí)際輻射功率的千瓦數(shù) D是實(shí)際天線相對(duì)于垂直短振子天線的 方向性系數(shù)。 圖 62 (=4=0。01m) 二,電波在自由空間的傳播 1。自由空間通信系統(tǒng)的最大通信距離 在圖63(a)或(b)的通信線路中,在T點(diǎn)設(shè)有通信發(fā)射機(jī),R點(diǎn)設(shè)有通信接收機(jī)(不考慮地面效應(yīng)),PT為發(fā)射機(jī)輸出功率,天線和發(fā)射機(jī)匹配。發(fā)射天線的增益為GT,歸一化方向性函數(shù)fT(T,T),則在接收方向離T為r處的能流密度為 (63) 圖 63 若R處接收天線增益為GR,歸一化方向性函數(shù)fR

32、(R,R),有效面積為se,工作波長為,則由(64)可得電路匹配時(shí),輸往接收機(jī)的功率PR為(65) 最大通信距離應(yīng)保證這一輸出功率大于接收機(jī)的靈敏度即大于接收機(jī)能接收的最小輸入功率PRmin,并使接收機(jī)輸入端有足夠的信號(hào)噪聲比。因此由條件 PRPrmin (66) 可求出最大通信距離 (67) 2。自由空間雷達(dá)站的最大作用距離 在圖64(a)或(b)為定位系統(tǒng)中,T點(diǎn)設(shè)有雷達(dá)站,距離為r處的A點(diǎn)存在目標(biāo),f(,)為天線的歸一化方向性函數(shù),則在目標(biāo)位置處功率流密度為(68) 目標(biāo)可視為再輻射體,由目標(biāo)物向雷達(dá)站來波方向的散射面積參量用來表示(常稱后向散射面積),這時(shí),我們把目標(biāo)的輻射場(chǎng)看作是假想

33、功率為Ps(Ps到達(dá)目標(biāo)處的功率流密度)的不定向輻射體的再輻射場(chǎng),它在雷達(dá)站位置上所建立的功率流密度與目標(biāo)所建立的功率流密度是一致的。因此返回到雷達(dá)站的功率密度Ps可寫為 (69) 通常雷達(dá)站的接收天線和發(fā)射天線由同一付天線完成,因此接收有效面積仍可由發(fā)射時(shí)天線的參量G來表示 (610) 可得輸往接收機(jī)的功率為(611) 這一公式稱為雷達(dá)方程。 雷達(dá)站的最大作用距離應(yīng)保證輸入到接收機(jī)的功率大于接 收機(jī)的靈敏度PRmin,可解出最大作用距離:(612) 由此可見,由于雷達(dá)站收發(fā)共用一付天線,提高天線的增益對(duì)增加作用距離的效果,將比單獨(dú)提高發(fā)射機(jī)功率或接收機(jī)靈敏度更為有效。(613) 式中GT(T

34、,T)代表天線在(T,T)方向的增益系數(shù),當(dāng)媒質(zhì)不是理想的自由空間,還存在各種因素引起的其他衰減時(shí),將式(613)乘上一個(gè)衰減因子F,即(614) 在通信線路的設(shè)備中,還常把式(65)寫為 (615) 對(duì)于通信系統(tǒng)可認(rèn)為fT,fR值均為1,當(dāng)主向不對(duì)準(zhǔn)時(shí),式(615)仍可成立,只要把GT,GR理解為GT(T,T)GR(T,T)即可,對(duì)式(615)兩邊取對(duì)數(shù)用分貝數(shù)表示時(shí)可寫為(616) 當(dāng)通信系統(tǒng)還存在各種其它因素引起的效應(yīng)時(shí),可把式(614)中的衰減因子也取用分貝數(shù)(20lgF)。式(616)應(yīng)為(617) 三,空間波傳播 當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)出的電波,經(jīng)地面反射到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)值可與直射波的場(chǎng)強(qiáng)值相

35、比擬時(shí),地面的效應(yīng)必須考慮,這時(shí)接收點(diǎn)上的場(chǎng)強(qiáng)值可認(rèn)為是直射波場(chǎng)強(qiáng)和地面反射波場(chǎng)強(qiáng)相干涉的結(jié)果。 把地面看成是平坦地面時(shí),空間波傳播的線路如圖65所示。此時(shí)應(yīng)滿足下述條件:天線的架設(shè)高度h1,h2遠(yuǎn)大于波長,使表面波成分可以忽略通信距離r遠(yuǎn)大于天線的架設(shè)高度h1,h2。 圖 65 現(xiàn)在我們來引出空間波傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式。為此先計(jì)算直射波和反射波的路程差。 直射波路線 長度應(yīng)為(見圖65)(618) 反射波路線長度 應(yīng)為 (619)因此路程差r為(620) 路程差引入的相位差為(621) 當(dāng)h1,h2r時(shí) (622) 其次討論反射波在反射點(diǎn)“o”處的地面效應(yīng)。由于實(shí)際工作時(shí),角極小,并且假定地

36、面為理想導(dǎo)體,對(duì)入射波的垂直極化分量(ER),它的反射系數(shù)同水平極化分量(ER)一致,也是“-1”,反射點(diǎn)處的效應(yīng)僅僅是引入了相位差。最后也是由于極小,在接收點(diǎn)R處入射波和反射波的極化方向?qū)Υ怪睒O化波也可看成完全一致,于是接收處的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向與入射波方向相一致,合成場(chǎng)強(qiáng)值為(623) 式中Ed為直射波電場(chǎng)強(qiáng)度值Er為反射波電場(chǎng)強(qiáng)度值E為干涉波合成電場(chǎng)強(qiáng)度值。 當(dāng)h1,h2r/18時(shí),式(624)中正弦值可用宗量代替,可得出計(jì)算接收點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的公式為(625) 式中P為輻射功率D為發(fā)射天線的方向性系數(shù)。 圖 66 四,對(duì)流層對(duì)空間波傳播的影響 從地球表面起高度約810km的大氣層稱為對(duì)流層,對(duì)

37、流層是均勻理想的介質(zhì)。實(shí)際上在對(duì)流層中由于溫度,氣壓及濕度等均隨高度而變化,使介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)也將隨高度而變化,這樣引起在其中傳播的電波發(fā)生折射,使電波傳播線路發(fā)生彎曲。對(duì)流層大氣的相對(duì)介電常數(shù)比1略大萬分之幾,因此,它對(duì)真空的折射率n也略大于1,把n與1的差值放大一百萬倍,稱為折射指數(shù)N,即 N=(n-1)106 (628) 大氣的折射指數(shù)約在260460之間變化,和氣壓P,絕對(duì)溫度T,絕對(duì)濕度e有關(guān)系,關(guān)系式為(629) P,e,T值在正常大氣層中都隨高度而減小,故N值也隨高度而減小,在標(biāo)準(zhǔn)大氣層結(jié)構(gòu)下(dN/dh)值為(630) 不同dN/dh情況時(shí),引起電波折射的情況如表61及圖67

38、所示。表 61 圖 67 在分析各類折射問題中,常引用等效地球半徑的概念,即保持電波射線與地面之間的相對(duì)曲率不變,將電波射線改為直線時(shí),地球半徑應(yīng)有的大小。分析得出在標(biāo)準(zhǔn)折射時(shí)等效地球半徑值為8500km,相當(dāng)于地球半徑值放大4/3倍,把這數(shù)值代入式(627)可得標(biāo)準(zhǔn)折射時(shí)的視距r0值為(631) 對(duì)流層中的水汽對(duì)22。23GMz無線電信號(hào)有強(qiáng)吸收氧氣對(duì)60GMz和120GMz的無線電信號(hào)有強(qiáng)吸收。 五,天波傳播 天波傳播是指電波通過高空電離層的反射到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式,主要用于溝通短波無線電通信。本節(jié)只簡單的介紹電離層的一些大致情況,以及對(duì)短波,超短波,微波傳播的影響。 對(duì)流層的上層為平流層

39、,高度約為2080km,在這一層里大氣的組成比較穩(wěn)定,其中傳播的電波可視為自由空間的直線傳播。高度再增加時(shí),大氣的狀況又發(fā)生了較大的變化,最主要的特征是氣體分子或原子中的束縛電荷因太陽紫外線等照射后,被激發(fā)產(chǎn)生自由電子,構(gòu)成了電離層。大氣電離的程度以每單位體積內(nèi)自由電子數(shù)來計(jì)算稱為電子密度N。 實(shí)際上,大氣被電離后因存在的自由電荷而缺少了電子的正離子后,又因熱運(yùn)動(dòng)使負(fù)離子再和正離子相撞而復(fù)合,所以電子密度N值是指電離和復(fù)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的數(shù)值。由于大氣成分及溫度隨高度的變化,以及產(chǎn)生電離因素的多樣性,使得大氣中電子密度的極大值發(fā)生在幾個(gè)不同的高度上,每一極大值所在的范圍叫做一層,分別用D,E,F1(常在夏季白天出現(xiàn)),F2層來表示。各層的大致情況見表62。 表 62 在了解電離層大致情況后,我們來定性介紹一下電波進(jìn)入電離層后,電離層中的自由電子,將受電場(chǎng)力的作用而形成徙動(dòng)電流,使得電離層的介電常數(shù)發(fā)生變化,分析得出電離后的相對(duì)介電常數(shù)為(632) 可見r和電離層各位置上電子密度相關(guān),還和進(jìn)入到電離層中電波頻