中原地區(qū)森林環(huán)境電波傳播實驗研究

1、中原地區(qū)森林環(huán)境電波傳播實驗研究蔡植榮劉永華章秀麓( 中國電波傳播研究所 新鄉(xiāng) 453003)摘 要 本文給出在中原地區(qū)進行的森林環(huán)境電波衰減測試的結(jié)果分析, 提出經(jīng)驗預(yù)測模式。關(guān)鍵詞 基本傳輸損耗 森林衰減 衰減率 天線高度增益In ve st iga t ion on Rad iowave Propaga t ion in Fore stEn v ironm en ts in Cen tra l Ch inaC a i Zh iro n g L iu Yo n gh u aZh an g X iu lu(C h ina R e sea rch In st itu te o f R ad i

2、ow ave P rop aga t io n , X inx iang 453003)A bstrac t A n ana ly sis is g iven fo r th e re su lt s o f a rad iow ave a t tenua t io n m ea su rem en t m ade in fo r2 e st env iro nm en t in C en t ra l C h ina and a se t o f em p ir ica l m o de ls a re p ropo sed fo r p red ic t ing th e a t2 ten

3、ua t io n.Key words ba sic t ran sm issio n lo ss, fo re st a t tenua t io n, sp ec if ic a t tenua t io n, an tenna h e igh t ga in引言1國際上不少學(xué)者對森林環(huán)境電波傳播進行了理論研究, 一些國家和地區(qū)也相繼開展了實驗研究和提出適用于一定范圍上的經(jīng)驗?zāi)Ｊ? 3 。本文基于 1992 1993 年在中原地區(qū)中牟縣 林場和蔚氏縣林帶開展的兩次實驗研究的結(jié)果分析, 提出一組預(yù)測森林環(huán)境電波衰減的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?。中牟縣林場和蔚氏縣林帶均為小葉型槐樹林, 樹林平均高度 13m 1

4、4m , 樹桿直徑 10cm 20cm , 株距 2m 5m 。測試期間長滿樹葉, 樹林頂部枝葉茂盛, 樹桿層則較清晰可見。近地面 有較稀疏的槐樹苗等生長物。 地面平坦, 雨水稀少, 為干燥的沙質(zhì)地面。測試頻率為 160M H z, 450M H z 和 900M H z; 垂直極化和水平極化; 100m 900m 之間的 7個測試距離點; 發(fā)、收天線離地面高度 2m 12m 。測試設(shè)備是使用 FM電臺作發(fā)、收信機。 發(fā)射機發(fā)射未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波信號, 接收機接收到的載波信號經(jīng)計算機實時采集系統(tǒng)記錄儲存, 待后進行數(shù)據(jù)處理換算成基本傳輸損耗以便進一步分析研究。測試時, 發(fā)、收天線均位于森林里面。

5、結(jié)果與討論2211基本傳輸損耗通信Co r re spo n den ce(1) 基本傳輸損耗隨距離的變化實測的垂直極化和水平極化的基本傳輸損耗隨距離的變化關(guān)系分別如圖 1 和圖 2 所示。圖 1 基本傳輸損耗隨距離的變化( 垂直極化)圖 2 基本傳輸損耗隨距離的變化( 水平極化)圖中曲線表明, 基本傳輸損耗 L B 隨距離 d 的變化關(guān)系有兩種明顯不同的特征, 在大約 350m以內(nèi)的距離上, L B 隨著距離以指數(shù)形式增加; 在大約 350m 以遠的距離上, L B 隨著距離以對數(shù) 形式的增加。由此斷言, 在大約 350m 以內(nèi)的距離上, 無線電能量是全部穿過森林傳播的, 即以直射波為主要傳

6、播方式的, 因而電波經(jīng)受呈指數(shù)形式的高衰減; 在大約 350m以遠的距離, 到達接收天線的信號能量, 部分是穿過森林傳播, 部分是以側(cè)面波方式傳播的, 而當距離繼續(xù)增加時, 是以側(cè)面波方式為主要傳播方式的, 電波隨距離以對數(shù)形式衰減的 40 lo g (d ) 的規(guī)律變化。 這種結(jié)論與 T am ir4 提出的側(cè)面波模型和 T ew a r i 等2的測試結(jié)果是一致的。以上結(jié)論是圖 1 和圖 2 的平均趨勢。 實測數(shù)據(jù)取值在圖 1 和圖 2 中已標出。 實測數(shù)據(jù)與平均趨勢之間的均方根偏差在表 1 中給出。表 1實測數(shù)據(jù)的均方根偏差 (dB)(2) 基本傳輸損耗隨頻率的變化由圖 1 和圖 2 中

7、平滑曲線的數(shù)據(jù)得出基本傳輸損耗隨頻率的變化曲線如圖 3 和圖 4 所示。極化方式160M H z450M H z900M H z垂直極化6. 551. 583. 20水平極化4. 314. 19距離的穿過森林傳播方式, 也考慮了較遠距離的側(cè)面波傳播方式, 以及考慮兩種極化方式, 提出以下的預(yù)測森林環(huán)境電波傳播基本傳輸損耗的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?- k d27156 + 20 lo g (f ) - 20 lo g A eB(dB )L B = -+(1)d 2d其中L B : 預(yù)測基本傳輸損耗, dBf : 頻率; M H zd : 位于森林里面的發(fā)收天線之間的距離, mk: 由實測數(shù)據(jù)計算出的衰減率常數(shù)

8、, dB mA , B : 計算常數(shù)組合各系統(tǒng)參數(shù)的實測數(shù)據(jù)回歸得出 k、A 、B值在表 2 中給出。表 2經(jīng)驗?zāi)Ｊ匠?shù)經(jīng)驗?zāi)Ｊ?( 1) 表明, 森林環(huán)境電波傳播基本傳輸損耗隨頻率的變化是以 20 lo g (f ) 的形式變化; (1) 式中最后一項表示 L B 隨距離的變化關(guān)系, 其中因子 A e- k d d 反映了在大約 350m 的 較短距離范圍內(nèi), 基本傳輸損耗 L B 在 20 lo g (d ) 損耗基礎(chǔ)上疊加上指數(shù)衰減因子 A e- k d 的, 表 明在較短距離上電波穿過森林傳播的指數(shù)衰減形式; 因子 B d 2 則表示對應(yīng)于在較遠距離上基本傳輸損耗 L B 以 40 l

9、o g (d ) 形式衰減的側(cè)面波特征。(4) 基本傳輸損耗對極化的依賴關(guān)系對 160M H z 和 450M H z 頻率的垂直極化與水平極化作同極化和交叉極化的測量中, 發(fā)現(xiàn) 垂直極化的同極化信號的基本傳輸損耗明顯大于水平極化的同極化信號的基本傳輸損耗5 ,組合各系統(tǒng)參數(shù)的實測數(shù)據(jù), 垂直極化的基本傳輸損耗超過水平極化的這種差別的平均結(jié)果 在表 3 中列出。垂直極化基本傳輸損耗超過水平極化的值 (dB)表 3由 表 3 可 見, 160M H z 垂 直 極 化 基 本 傳 輸 損 耗 超 過 水 平 極 化 這 種 差 別, 明 顯 的 高 于450M H z。頻率 (M H z)100

10、m200m300m500m600m800m900m160111919151018184505811131385頻率 (M H z)極化方式k (dB m )AB160垂直極化0. 0120. 6224. 123450垂直極化0. 0130. 6232. 590900垂直極化0. 0130. 4241. 455160水平極化0. 0110. 98111. 69450水平極化0. 0120. 9146. 550在交叉極化測量中, 160M H z 作垂直極化發(fā)射時, 接收交叉極化的水平極化分量信號明顯的高于接收同極化信號的垂直極化分量。 表明 160M H z 頻率垂直極化波有明顯的去極化現(xiàn) 象;

11、 450M H z 作垂直極化發(fā)射時, 接收交叉極化的水平分量信號幾乎等于或略小于接收同極化 的垂直極化分量信號, 表明 450M H z 頻率垂直極化波也有去極化現(xiàn)象, 但比 160M H z 有較小的去極化效應(yīng)。無論是 160M H z, 還是 450M H z 頻率的水平極化發(fā)射時, 接收同極化的水平極化分量都明 顯的高于接收交叉極化的垂直極化分量。表明 160M H z, 450M H z 的水平極化波經(jīng)受較小的去 極化效應(yīng)。如上所述的垂直極化波比水平極化波有較高的基本傳輸損耗, 和較低頻率時這種差別較 大; 以及垂直極化波比水平極化波經(jīng)受較大的去極化效應(yīng), 和較低頻率比較高頻率有較大

12、的去 極化效應(yīng), 是因為以垂直分量為主的森林結(jié)構(gòu)對垂直極化波以及對較長波長的無線電波有較 大的影響。(5) 基本傳輸損耗隨天線高度的變化天線高度增益效應(yīng)測試中發(fā)現(xiàn), 接收信號強度隨發(fā)、收天線高度的改變有明顯的變化。 對測試數(shù)據(jù)的分析表 明, 變化的總趨勢是基本傳輸損耗隨發(fā)射或接收天線高度的升高而減小。這里用天線高度增益因子描述, 并定義: 天線高度增益 G h 是基本傳輸損耗隨天線高度增加而減小的分貝數(shù)。為 便 于 統(tǒng) 計, 引 入 天 線 高 度 乘 積 (H tH r ) 參 數(shù), 把 基 本 傳 輸 損 耗 看 成 是 天 線 高 度 乘 積(H tH r ) 的函數(shù)。 對 200m 以

13、遠各距離測試點的數(shù)據(jù), 以 H tH r = 8 (H t = 2m , H r = 4m 或 H t =4m , H r = 2m ) 時的基本傳輸損耗值進行歸一化。經(jīng)統(tǒng)計分析, 未發(fā)現(xiàn)天線高度增益隨頻率的明顯變化, 即天線高度增益幾乎不隨頻率變 化; 分析中發(fā)現(xiàn), 不同距離或不同極化方式的天線高度增益略有差別, 但數(shù)據(jù)較離散, 未能統(tǒng)計出規(guī)律性。三個頻率、兩種極化方式的 200m 900m 距離上的天線高度增益取值范圍如圖 5 所示。圖 5 天線高度增益隨天線高度乘積的變化由此提出如下經(jīng)驗數(shù)學(xué)模式:G h = -1216 +13 lo g (H tH r )(dB )(2)式中 H t ,

14、 H r 分別為發(fā)、收天線離地面高度 (m )。天線高度增益效應(yīng)可以用側(cè)面波模型給以很好的解釋。來自發(fā)射天線的電波能量, 以某一212森林衰減(1) 森林衰減 A F由于森林的存在而引起無線電路徑的附加損耗, 稱為“森林衰減 A F ”。 森林衰減 A F , 是在 相同系統(tǒng)參數(shù)的同一路徑上, 測量有森林存在時和無森林時的基本傳輸損耗值的差, 以分貝表示。這里森林衰減 A F 是以森林路徑相對于一般平地 (無森林) 路徑的基本傳輸損耗衰減值, 分 析其隨頻率、距離和極化的變化關(guān)系。發(fā)現(xiàn)森林衰減 A F 對距離的依賴性與圖 1、圖 2 有相同的特性, 也表現(xiàn)了直射波方式和側(cè) 面波方式的兩種不同特

15、征。 在大約 350m 以內(nèi)的距離上無論頻率和極化方式如何, 森林衰減 A F 都是隨距離的增加而增加, 即電波以直射波和反射波穿過高衰減的森林介質(zhì)的傳播方式;而在大約 350m 以遠的距離上, 各測試距離點的 A F 幾乎為常數(shù), 即 A F 與水平距離無關(guān)。 這是 以側(cè)面波方式傳播為主, 其傳播路徑僅經(jīng)受發(fā)、收天線到樹頂之間的高衰減外, 其余較長的路徑是在空氣中傳播, 因而表現(xiàn)出水平距離對森林衰減 A F 無影響的特性。也發(fā)現(xiàn), 無論是直射波方式還是側(cè)面波方式的森林衰減 A F 都是隨著頻率的增加而增加 的。 圖 6 是側(cè)面波方式中兩種極化波的森林衰減 A F 隨頻率的變化關(guān)系曲線。圖 6

16、 側(cè)面波傳播方式森林衰減隨頻率變化(2) 森林衰減率 森林衰減率, 簡稱衰減率。 是用森林衰減 A F 除以在其上傳播的森林路徑長度獲得, 以dB m 表示。 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)衰減率是隨著頻率的增加而增加的。在較短距離時, 有較高的衰減率, 隨著距離的增加衰減率減小。到較遠的距離后, 衰減率以較緩慢的速度減小。 這種近距離有較高衰減率而隨距離的增加而減小的現(xiàn)象, 是因為發(fā)、收天 線均浸沒于樹林里面, 為枝葉所包圍, 引起天線方向圖的改變而產(chǎn)生附加損耗。 這種附加損耗對于某一確定的無線電路徑是不變的, 與距離無關(guān), 結(jié)果在較短距離上有較高的衰減率。還發(fā)現(xiàn)垂直極化波比水平極化波有較高的衰減率。綜上所述,

17、 對 160M H z、450M H z 和 900M H z 頻率的垂直極化以及 160M H z 和 450M H z 頻 率的水平極化的 100m 900m 距離范圍的數(shù)據(jù)回歸, 提出以下預(yù)測森林衰減經(jīng)驗?zāi)Ｊ?L B = L B P +A Fd(3)=L B P +(dB )其中01214f 01262 d - 01496=(dB m ) (垂直極化)(411)和01013f 01420 d - 01268=(dB m ) (水平極化)(412)式中:L B : 森林路徑基本傳輸損耗, dBL B P: 一般平地 (無森林) 路徑基本傳輸損耗6 , dBA F: 森林衰減, dB: 森林

18、衰減率, dB mf : 頻率,M H zd : 森林路徑長度, m3結(jié)論對中原地區(qū)森林環(huán)境電波傳播實驗數(shù)據(jù)分析表明, V H F U H F 無線電波在森林環(huán)境中傳播有兩種明顯不同的特征, 在大約 350m 以內(nèi)的較短距離上, 以穿過森林的直射波和反射波為主的傳播方式; 在大約 350m 以遠的距離上, 以側(cè)面波為主要傳播方式?？偟男Ч? 森林環(huán)境 中無線電波的基本傳輸損耗或森林衰減為頻率、距離、極化和天線高度的函數(shù)。 歸納得出如下結(jié)論:311基本傳輸損耗(1)(2) (3) (4)基本傳輸損耗隨頻率的增加而增加?；緜鬏敁p耗隨距離的增加而增加。 垂直極化波的基本傳輸損耗比水平極化波的大,

19、 這種差別隨著頻率的增加而減小。 森林環(huán)境中, 無線電波有明顯的去極化, 較低頻率比較高頻率以及垂直極化波比水平極化波有較大的去極化效應(yīng)。(5) 森林環(huán)境中有天線高度增益效應(yīng), 這種效應(yīng)幾乎與頻率無關(guān), 也與極化方式無關(guān)。312森林衰減(1) 森林衰減隨頻率的增加而增加。( 2)在大約 350m 以內(nèi)的距離上, 森林衰減隨距離的增加而增加; 在大約 350m 以遠的距離上, 森林衰減不隨距離變化, 而為常數(shù)。(3) 垂直極化波的森林衰減高于水平極化波的森林衰減。參考文獻1W e issbe rege r, M , et a l. R ad io W ave P rop aga t io n: A H andboo k o f P rac t ica l T ech n ique s fo r Com p u t ing B a sic T ran sm issio nL o ss and F ie ld S t reng th. ECA C 2HDB K 2822049, E lec t rom agne t ic Com p a t ib ility A