地球凸起高度與傳播余隙匯總課件

5-7地球凸起高度與傳播余隙的計(jì)算與選擇一、地球凸起高度如圖5-22所示，在地球表面上QP兩點(diǎn)間某一點(diǎn)C的地球凸起高度，是由C點(diǎn)至QP弦之間的垂直高度CO確定，有幾何關(guān)系可求得

由于在微波中繼通信中，QP的長度相對于地球的周長來說是很小的，所以與可看成是地面上的距離，而有DO約等于地球半徑的二倍，則上式可寫成5-7地球凸起高度與傳播余隙的計(jì)算與選擇一、地球凸起高度1式中各個(gè)量都取相同的單位。傳播路徑上地球表面各點(diǎn)的凸起高度算出后，即可判定球形地面是否阻擋電波的傳播。

(5-72)

例如站距50km，中點(diǎn)處的，若收發(fā)天線的高度也是50m，視線恰好擦過地表面。但實(shí)際傳播的電波是一波束，收發(fā)天線之間的聯(lián)線只是這一波束的中心線，所以此時(shí)有部分電波將被地球表面所阻擋，無法保證第一菲涅爾區(qū)內(nèi)電波無阻擋的要求，不能實(shí)現(xiàn)正常通信。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加收發(fā)兩天線的高度，使最小菲涅爾區(qū)內(nèi)無阻擋這一要求得到滿足。式中各個(gè)量都取相同的單位。傳播路徑上地球表面各點(diǎn)的凸起高度算2

由圖5-3可查得第一菲涅爾區(qū)半徑，通過式(5-7)可得到最小菲涅爾區(qū)半徑，然后計(jì)算天線應(yīng)架設(shè)的高度。若工作頻率為6GHz，上述例子中兩端天線的高度至少還要增加14.4m。

以上計(jì)算地球凸起高度時(shí)，沒有考慮大氣折射的影響，但實(shí)際問題計(jì)算時(shí)必需考慮之，此時(shí)需將式(5-72)中的地球半徑換成等效地球半徑，即可得到，即(5-73)式中與的單位為公里，高度單位用米。由圖5-3可查得第一菲涅爾區(qū)半徑3在兩點(diǎn)間距離的中點(diǎn)處，地球凸起高度為最大，將代入，即可求得地球凸起的最大高度：(5-75)圖5-23為計(jì)算地球凸起高度的列線圖。當(dāng)給定，后，用虛線將其連接起來相交于C線，然后將相交點(diǎn)與給定的K值連接起來并延長相交于，即可得到地球凸起高度。在兩點(diǎn)間距離的中點(diǎn)處，地球凸起高度為最大，將4地面上由于存在著山崗、丘陵、凹地、建筑物等，所以微波中繼通信電路各線段的地面形狀與光滑球面有很大的差別。即使以球面計(jì)算的地球凸起高度不擋住視線，地面上的山地丘陵、建筑物等也可能對電波起阻擋作用，因此需要引用另一個(gè)物理量－傳播余隙，用

表示。

為了估算傳播余隙，最簡單的方法是在直角坐標(biāo)中以橫軸表示站距，然后逐點(diǎn)按式(5-72)算出地球凸起高度，畫出地球表面的剖面圖，然后再把實(shí)測得到的或從地圖上查得的山地起伏高度和其它阻擋物標(biāo)于圖上，即可得到如圖5-24所示的地形剖面圖。二、傳播余隙地面上由于存在著山崗、丘陵、凹地、建筑物等，所5地形起伏的最高點(diǎn)與收發(fā)天線聯(lián)線之間的垂直距離

即為傳播余隙。從圖上的幾何關(guān)系可得則路徑的傳播余隙為。式中、分別為兩端天線的高度，為地形最高點(diǎn)處的地球凸起高度，為自地面（如海平面）起算的地形最高點(diǎn)的高度。

將式（5-72）代入可求得傳播余隙的表達(dá)式為(5-76)地形起伏的最高點(diǎn)與收發(fā)天線聯(lián)線之間的垂直距離6

根據(jù)的情況，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把傳播電路分為三種類型，即當(dāng)時(shí)，稱為開電路

時(shí)，稱為半開電路時(shí)，稱為閉電路F0是由式（5-7）給出的最小菲涅爾區(qū)半徑。

上述第一種情況，接收點(diǎn)的場強(qiáng)可能達(dá)到自由空間傳播時(shí)的信號強(qiáng)度；第二、三種情況都不可能保證這一點(diǎn)。在微波地面中繼系統(tǒng)中，除特殊情況外，均采用開電路。根據(jù)的情況，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把7通過一個(gè)例子說明計(jì)算方法如下：可利用圖5-3求出該處的第一菲涅爾區(qū)半徑；由式（5-7）計(jì)算出最小菲涅爾區(qū)半徑；將此值與從剖面圖上量得的傳播余隙值比較，即可判定此電路屬于哪一種類型的電路。通過一個(gè)例子說明計(jì)算方法如下：8

以上討論沒有考慮到大氣折射率的影響，若考慮大氣折射的影響時(shí)，傳播余隙的計(jì)算公式為：式中K為等效地球半徑因子，它與折射率的垂直梯度有關(guān)。當(dāng)變化時(shí)，隨著K值的變化，地球凸起高度的改變，余隙隨之變化，如圖5-25所示。(5-77)(5-78)利用微分方法可求得K的變化量與余隙變化量的關(guān)系為以上討論沒有考慮到大氣折射率的影響，若考慮大氣9

可以看出傳播余隙的變化有如下一些特點(diǎn)：

（1）大氣折射率變化越大，也越大，余隙的變化量變大。

（2）當(dāng)折射率的變化使K值增加，即時(shí)，等效地球半徑變大，地球凸起高度降低，此時(shí)余隙變大。如圖5-25圖5-26所示。

（3）在路徑的不同點(diǎn)上，地球凸起高度不同，因此余隙的變化量與所處的位置有關(guān)。

（4）余隙的變化大小與站距有關(guān)。可以看出傳播余隙的變化有如下一些特點(diǎn)：（110

從以上的幾點(diǎn)結(jié)論可知，傳播余隙與K值的變化量、路徑上的障礙物位置、站距長短等因素有關(guān)。所以在設(shè)計(jì)中繼電路的時(shí)候，要考慮上述三種因素的影響，合理選擇余隙的大小。即要做到余隙大時(shí)，通過的菲涅爾帶數(shù)目不為偶數(shù)，又要使余隙變化時(shí)，電波射線不受阻擋。

若地面是光滑的，且沒有障礙物時(shí)，則，式（5-76）變?yōu)?5-80)從以上的幾點(diǎn)結(jié)論可知，傳播余隙與K值的變化量11

此時(shí)若大氣的折射使等效地球半徑因子K向負(fù)折射方向變化，射線下凹，球面繞射損耗增加，這種損耗稱為陰影損耗。圖5-27為K<1的幾種不良折射情況下，陰影損耗隨距離變化的情況?？v坐標(biāo)A為實(shí)際接收場強(qiáng)E相對于自由空間場強(qiáng)的衰減因子，即當(dāng)A<1時(shí)，分貝數(shù)為負(fù)；當(dāng)A>1時(shí)，分貝數(shù)為正。(5-81)此時(shí)若大氣的折射使等效地球半徑因子K向負(fù)折射12三、傳播余隙的選擇電路的傳播余隙不一定愈大，通過的菲涅爾帶數(shù)目愈多愈好，實(shí)際上有重要意義的是要求達(dá)到自由空間場強(qiáng)所需要的最小余隙。從圖5-31可見，三種典型地形障礙（平面地，光滑球面，刃形山峰），當(dāng)約為0.577時(shí)，都達(dá)到了第一個(gè)自由空間的場強(qiáng)值。因此，把獲得自由空間場強(qiáng)振幅的最小余隙定為第一菲涅爾區(qū)半徑的0.6倍，即左右?？紤]大氣折射的影響，故確定余隙的原則應(yīng)為：在一個(gè)傳播段上，相應(yīng)于最小K值的傳播余隙應(yīng)等于左右。三、傳播余隙的選擇電路的傳播余隙不一定愈大，通過13

在不計(jì)及強(qiáng)地面反射的情況下，余隙選擇的規(guī)則應(yīng)為：（1）時(shí)，；（2）時(shí)，；（3）時(shí)，。

當(dāng)障礙物偏于一端時(shí)，由于障礙物處的地球凸起高度下降，第一菲涅爾區(qū)半徑減小，最小余隙也隨之減小，電路的傳播條件有較大的改善。故在路由選擇時(shí)，為了使障礙物偏于一端，采用高低天線的方法（即一個(gè)站的天線高于另一個(gè)站的天線高度），這是在不良的折射條件下避免或減輕障礙損耗的一種良好的辦法。在不計(jì)及強(qiáng)地面反射的情況下，余隙選擇的規(guī)則應(yīng)14

在確定傳播余隙時(shí)，要注意到當(dāng)傳播條件變化時(shí)，能保證獲得自由空間傳播的最小余隙，并使余隙的位置靠近兩站中的一端，為此很少使用大開電路。但當(dāng)?shù)孛娣瓷湎禂?shù)很小，余隙足夠大，通過的菲涅爾區(qū)數(shù)目，此時(shí)大開電路的傳播，其效果也是很好的。

若沿線的地形地物比較復(fù)雜，不易判斷傳播條件的變化情況時(shí)，最好進(jìn)行實(shí)地電測，以得到余隙及其可能變化范圍的資料，以及地面反射系數(shù)與障礙物繞射損耗值等。在確定傳播余隙時(shí)，要注意到當(dāng)傳播條件變化時(shí)，15（3）障礙物靠近一端的站址。可用經(jīng)緯儀確定障礙物的位置和高度，此時(shí)可直觀地判定其屬于何種類型的電路，不必進(jìn)行電測。（2）水面和平原上的電路。因可以根據(jù)反射干涉場的的計(jì)算來解決；（1）山區(qū)上的大開電路。因它接近于自由空間傳播；

但在下面一些地形上的電路可不做電測試驗(yàn)：（3）障礙物靠近一端的站址。可用經(jīng)緯儀確定障礙物的位置和高度16練習(xí)：根據(jù)傳播余隙Hc，應(yīng)用非涅耳區(qū)的概念，傳播電路可分為哪幾種？若已知工作頻率6GHz，傳播距離d為60km，傳播區(qū)域地面最高點(diǎn)的距離d1為15km，判斷該電路屬于哪一種類型。分析大氣折射率的變化引起傳播余隙變化的特點(diǎn)，（參考書p186）。練習(xí)：17返回返回18返回返回19返回返回20返回返回21返回返回22返回返回23返回返回24返回返回25返回返回265-7地球凸起高度與傳播余隙的計(jì)算與選擇一、地球凸起高度如圖5-22所示，在地球表面上QP兩點(diǎn)間某一點(diǎn)C的地球凸起高度，是由C點(diǎn)至QP弦之間的垂直高度CO確定，有幾何關(guān)系可求得

由于在微波中繼通信中，QP的長度相對于地球的周長來說是很小的，所以與可看成是地面上的距離，而有DO約等于地球半徑的二倍，則上式可寫成5-7地球凸起高度與傳播余隙的計(jì)算與選擇一、地球凸起高度27式中各個(gè)量都取相同的單位。傳播路徑上地球表面各點(diǎn)的凸起高度算出后，即可判定球形地面是否阻擋電波的傳播。

(5-72)

例如站距50km，中點(diǎn)處的，若收發(fā)天線的高度也是50m，視線恰好擦過地表面。但實(shí)際傳播的電波是一波束，收發(fā)天線之間的聯(lián)線只是這一波束的中心線，所以此時(shí)有部分電波將被地球表面所阻擋，無法保證第一菲涅爾區(qū)內(nèi)電波無阻擋的要求，不能實(shí)現(xiàn)正常通信。這時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加收發(fā)兩天線的高度，使最小菲涅爾區(qū)內(nèi)無阻擋這一要求得到滿足。式中各個(gè)量都取相同的單位。傳播路徑上地球表面各點(diǎn)的凸起高度算28

由圖5-3可查得第一菲涅爾區(qū)半徑，通過式(5-7)可得到最小菲涅爾區(qū)半徑，然后計(jì)算天線應(yīng)架設(shè)的高度。若工作頻率為6GHz，上述例子中兩端天線的高度至少還要增加14.4m。

以上計(jì)算地球凸起高度時(shí)，沒有考慮大氣折射的影響，但實(shí)際問題計(jì)算時(shí)必需考慮之，此時(shí)需將式(5-72)中的地球半徑換成等效地球半徑，即可得到，即(5-73)式中與的單位為公里，高度單位用米。由圖5-3可查得第一菲涅爾區(qū)半徑29在兩點(diǎn)間距離的中點(diǎn)處，地球凸起高度為最大，將代入，即可求得地球凸起的最大高度：(5-75)圖5-23為計(jì)算地球凸起高度的列線圖。當(dāng)給定，后，用虛線將其連接起來相交于C線，然后將相交點(diǎn)與給定的K值連接起來并延長相交于，即可得到地球凸起高度。在兩點(diǎn)間距離的中點(diǎn)處，地球凸起高度為最大，將30地面上由于存在著山崗、丘陵、凹地、建筑物等，所以微波中繼通信電路各線段的地面形狀與光滑球面有很大的差別。即使以球面計(jì)算的地球凸起高度不擋住視線，地面上的山地丘陵、建筑物等也可能對電波起阻擋作用，因此需要引用另一個(gè)物理量－傳播余隙，用

表示。

為了估算傳播余隙，最簡單的方法是在直角坐標(biāo)中以橫軸表示站距，然后逐點(diǎn)按式(5-72)算出地球凸起高度，畫出地球表面的剖面圖，然后再把實(shí)測得到的或從地圖上查得的山地起伏高度和其它阻擋物標(biāo)于圖上，即可得到如圖5-24所示的地形剖面圖。二、傳播余隙地面上由于存在著山崗、丘陵、凹地、建筑物等，所31地形起伏的最高點(diǎn)與收發(fā)天線聯(lián)線之間的垂直距離

即為傳播余隙。從圖上的幾何關(guān)系可得則路徑的傳播余隙為。式中、分別為兩端天線的高度，為地形最高點(diǎn)處的地球凸起高度，為自地面（如海平面）起算的地形最高點(diǎn)的高度。

將式（5-72）代入可求得傳播余隙的表達(dá)式為(5-76)地形起伏的最高點(diǎn)與收發(fā)天線聯(lián)線之間的垂直距離32

根據(jù)的情況，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把傳播電路分為三種類型，即當(dāng)時(shí)，稱為開電路

時(shí)，稱為半開電路時(shí)，稱為閉電路F0是由式（5-7）給出的最小菲涅爾區(qū)半徑。

上述第一種情況，接收點(diǎn)的場強(qiáng)可能達(dá)到自由空間傳播時(shí)的信號強(qiáng)度；第二、三種情況都不可能保證這一點(diǎn)。在微波地面中繼系統(tǒng)中，除特殊情況外，均采用開電路。根據(jù)的情況，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把33通過一個(gè)例子說明計(jì)算方法如下：可利用圖5-3求出該處的第一菲涅爾區(qū)半徑；由式（5-7）計(jì)算出最小菲涅爾區(qū)半徑；將此值與從剖面圖上量得的傳播余隙值比較，即可判定此電路屬于哪一種類型的電路。通過一個(gè)例子說明計(jì)算方法如下：34

以上討論沒有考慮到大氣折射率的影響，若考慮大氣折射的影響時(shí)，傳播余隙的計(jì)算公式為：式中K為等效地球半徑因子，它與折射率的垂直梯度有關(guān)。當(dāng)變化時(shí)，隨著K值的變化，地球凸起高度的改變，余隙隨之變化，如圖5-25所示。(5-77)(5-78)利用微分方法可求得K的變化量與余隙變化量的關(guān)系為以上討論沒有考慮到大氣折射率的影響，若考慮大氣35

可以看出傳播余隙的變化有如下一些特點(diǎn)：

（1）大氣折射率變化越大，也越大，余隙的變化量變大。

（2）當(dāng)折射率的變化使K值增加，即時(shí)，等效地球半徑變大，地球凸起高度降低，此時(shí)余隙變大。如圖5-25圖5-26所示。

（3）在路徑的不同點(diǎn)上，地球凸起高度不同，因此余隙的變化量與所處的位置有關(guān)。

（4）余隙的變化大小與站距有關(guān)?？梢钥闯鰝鞑ビ嘞兜淖兓腥缦乱恍┨攸c(diǎn)：（136

從以上的幾點(diǎn)結(jié)論可知，傳播余隙與K值的變化量、路徑上的障礙物位置、站距長短等因素有關(guān)。所以在設(shè)計(jì)中繼電路的時(shí)候，要考慮上述三種因素的影響，合理選擇余隙的大小。即要做到余隙大時(shí)，通過的菲涅爾帶數(shù)目不為偶數(shù)，又要使余隙變化時(shí)，電波射線不受阻擋。

若地面是光滑的，且沒有障礙物時(shí)，則，式（5-76）變?yōu)?5-80)從以上的幾點(diǎn)結(jié)論可知，傳播余隙與K值的變化量37

此時(shí)若大氣的折射使等效地球半徑因子K向負(fù)折射方向變化，射線下凹，球面繞射損耗增加，這種損耗稱為陰影損耗。圖5-27為K<1的幾種不良折射情況下，陰影損耗隨距離變化的情況?？v坐標(biāo)A為實(shí)際接收場強(qiáng)E相對于自由空間場強(qiáng)的衰減因子，即當(dāng)A<1時(shí)，分貝數(shù)為負(fù)；當(dāng)A>1時(shí)，分貝數(shù)為正。(5-81)此時(shí)若大氣的折射使等效地球半徑因子K向負(fù)折射38三、傳播余隙的選擇電路的傳播余隙不一定愈大，通過的菲涅爾帶數(shù)目愈多愈好，實(shí)際上有重要意義的是要求達(dá)到自由空間場強(qiáng)所需要的最小余隙。從圖5-31可見，三種典型地形障礙（平面地，光滑球面，刃形山峰），當(dāng)約為0.577時(shí)，都達(dá)到了第一個(gè)自由空間的場強(qiáng)值。因此，把獲得自由空間場強(qiáng)振幅的最小余隙定為第一菲涅爾區(qū)半徑的0.6倍，即左右。考慮大氣折射的影響，故確定余隙的原則應(yīng)為：在一個(gè)傳播段上，相應(yīng)于最小K值的傳播余隙應(yīng)等于左右。三、傳播余隙的選擇電路的傳播余隙不一定愈大，通過39

在不計(jì)及強(qiáng)地面反射的情況下，余隙選擇的規(guī)則應(yīng)為：（1）時(shí)，；（2）時(shí)，；（3）時(shí)，