第七講視距傳播

2012,Jun.15第七講視距傳播低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播超短波和微波波段的無線電波，由于頻率很高，電波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大，遇到障礙時繞射能力很弱，不能利用地波傳播方式；高空電離層又不能將其反射回地面，因而又不能利用天波傳播方式。通常是利用視距傳播方式。視距傳播是指在發(fā)射天線和接收天線能相互“看見”的距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點傳到接收點（有時包括地面反射波）的一種傳播方式。按收發(fā)天線所處的空間位置不同，視距傳播基本可分為三類：①是指地面上的視距傳播，例如中繼通信、電視、廣播以及地面上的移動通信等。②是指地面與空中目標如飛機、通信衛(wèi)星等之間的視距傳播、③是指空間飛行體之間的視距傳播，如飛機間、宇自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)宙飛行器間的電波傳播等。

無論是地面上的或地對空的視距傳播，其傳播途徑至少有一部分是在對流層中；此外，當電波在低空大氣層中傳播時，還可能受到地表面自然的或人為的障礙物的影響，將會引起電波的反射、散射或繞射現(xiàn)象。因此，電波總是在實際的媒質(zhì)中傳播的。人們常把在真空中進行的“自由空間傳播”這種理想情況，作為研究實際傳播問題的起點。在收發(fā)天線之間的電波傳播所經(jīng)歷的空間，存在著對傳輸電磁能量起主要作用的空間區(qū)域，稱為傳播主區(qū)。若在這一區(qū)域中符合自由空間的傳播條件，則可認為電波是在自由空間內(nèi)傳播。菲涅爾區(qū)

在17世紀惠更斯首先提出，波在傳播過程中，波面自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)上每一點都是一個進行二次輻射球面波（子波）的波源，而下一個波面就是前一個波面所輻射的子波波面的包絡面。

后來菲涅爾發(fā)展了這個原理，認為波在傳播過程中，空間任一點的輻射場，是包圍波源的任意封閉面上所有點的二次波源發(fā)出的子波在該點相干疊加的結(jié)果。這就是惠更斯─菲涅爾原理。自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)

菲涅爾波帶示意圖自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)第一菲涅爾帶Z1是一小凸圓面，從其中心與其邊緣到達P點的波程差為λ/2，由它輻射到P點的場強，可以看成是許多幅度相同、相位由零到π依次變化的諸矢量之和，其總矢量長度等于一個半圓弧由起點至終點的長度B1。用類似方法可求出第二菲涅爾帶Z2輻射場的矢量長度B2。因相鄰菲涅爾帶在P點產(chǎn)生的輻射場相位是相反的，所以，當計及Z2的作用后，P點的場強削弱了。自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)由于各帶上二次波源在P點產(chǎn)生的場強，與射線行程（r0+nλ/2）及角度α（各環(huán)帶面元法線與該點至P點的射線間的夾角）有關(guān)，S面上半徑越大的環(huán)帶，在P點產(chǎn)生的場強振幅就愈小，因此B2<B1。同理Z3的輻射場又削弱了Z2的場從而使P點的場強增強。其余各環(huán)帶作用依次類推，盡管相鄰兩環(huán)帶在P點的場強有180°的相位差，且其振幅又相差的很小，但二者場強卻不能完全抵消。隨著環(huán)帶數(shù)目的增多，P點場強呈波動變化，但波動幅度越來越小。自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)如此所有菲涅爾帶在P點產(chǎn)生的總場強振幅，可以用n項收斂級數(shù)之和來表示，其中正、負號表示相位的變化，即(1)自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)由于級數(shù)中每一項與它相鄰兩項算數(shù)平均值相差甚小，且，所以上式可近似為即是說第一菲涅爾帶Z1在P點產(chǎn)生的輻射場近似為自由空間場強的兩倍。若要使P點場強等于自由空間場強，不一定需要很多的菲涅爾帶，可只取第一菲涅爾帶面積的1/3即可。在PQ兩點間插入一塊假想的無限大平面S，它垂直于PQ連線，這相當于以無限大的球面包圍波源Q，因此可在S面上劃分菲涅爾帶，(2)(3)自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)圖中ρn，rn及d均分別遠大于波長。因d和λ都是常數(shù)，所以ρn+rn=d+nλ/2=常數(shù)。若S面平移，這些點的軌跡正是以Q、P為焦點的旋轉(zhuǎn)橢球面，這些旋轉(zhuǎn)橢球面所包圍的空間區(qū)域就稱為菲涅爾區(qū)。平面上菲涅爾帶自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)與序號n=1、2、…對應稱為第一、第二…菲涅爾區(qū)，它們與S面相截，就在該平面上出現(xiàn)相應的第一、第二…菲涅爾帶。傳播主區(qū)工程上將第一菲涅爾區(qū)和“最小”菲涅爾區(qū)（指S面上所截面積為第一菲涅爾帶面積1/3的那個相應的空間區(qū)域），作為對電波傳播起主要作用的空間區(qū)域，稱傳播主區(qū)。令第一菲涅爾區(qū)半徑為F1，則有解得(4)(5)自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)令最小菲涅爾區(qū)半徑為F0，依據(jù)定義有得上述公式中各量均取相同單位。可見d一定時，λ愈小，傳播主區(qū)的半徑愈小，菲涅爾橢球區(qū)愈長，最后退化為一直線，這是通常認為光的傳播是直線傳播的根據(jù)所在。(6)(7)低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播視線距離因地球是球體，凸起的地表面會阻擋視線。視線所能達到的最遠距離稱為視線距離，簡稱視距以dv表示。設地球半徑為r0，收發(fā)天線高度分別為h1和h2，dv=d1+d2，并考慮地球半徑r0=6370km，有地面對電波傳播的影響(7)若考慮大氣不均勻性對電波傳播軌跡的影響，如考慮標準大氣折射的情況下，（7）可修正為式中h的單位為m。按收發(fā)天線間距離可分為三個區(qū)域，即d<0.7dv的亮區(qū)，0.7dv<d<(1.2~1.4)dv的半陰影區(qū)，以及d>(1..2~1.4)dv區(qū)域，稱陰影區(qū)。實際的視距傳播應滿足亮區(qū)條件，以減小繞射損失。(8)地面對電波傳播的影響地面反射的影響在視距傳播中，接收點場強除直射波外，還經(jīng)常收到地面反射波。地面菲涅爾區(qū)

設地面為無限大的理想導電平面地時，地面的影響可用鏡像法分析。地面對電波傳播的影響地面上有效反射區(qū)─地面上第一菲涅爾橢球區(qū)尺寸為①橢圓的中心點（一般情況不為反射點）②橢圓的長半軸③橢圓的短半軸

上式中，h1、h2>>λ,d>>λ以及d>>(h1+h2)。(9)(10)(11)地面對電波傳播的影響若考慮球面地的情況，可按下圖進行估算：地面反射區(qū)的縱向長度（長軸）近似為而橫向（短軸）長度近似等于兩天線間的第一菲涅爾區(qū)最大半徑F1max的20倍，即(12)(13)地面對電波傳播的影響地面反射波電波在傳播過程中遇到兩種不同媒質(zhì)的光滑界面，而界面的尺寸又遠大于波長時，就會發(fā)生鏡面反射。天線輻射的實際上是球面波，但當波源和反射區(qū)相距很遠時，到達反射區(qū)的電波可視為平面波，因而可采用平面波的反射定律。

當通信距離較近，例如d<0.1dv時，可以把地面視為平面地。當滿足h1、h2>>λ,d>>λ以及d>>(h1+h2)等條件時，可應用（9）~（11）計算地面上有效反射區(qū)大小。若該區(qū)域內(nèi)地面時光滑的，則可按光滑平面地的情況來處理，并根據(jù)地質(zhì)電參數(shù)（ε、μ、σ）及電波的入射角計算反射波場強的大小和相位。依據(jù)電磁理論，當平面波從空氣投射到半導電媒質(zhì)的地面時，產(chǎn)生電波反射和投射現(xiàn)象，即部分能量被反射地面對電波傳播的影響部分能量透射入地面。反射波按照入射線、反射線和反射面法線共面以及反射角等于入射角的方向傳播。反射波場強為

為反射系數(shù)，為反射點處的入射波場強。①對于水平極化波②對于垂直極化波(13)(14)(15)地面對電波傳播的影響(a)海水（b）中等干燥地面上的反射系數(shù)地面對電波傳播的影響⑴反射系數(shù)模值總小于1。反射系數(shù)的相位是滯后的。水平極化波的相位總是大于180°，而垂直極化波滯后的相位總是小于180°。但隨著電波入射仰角的變化，RV的幅度和相位變化明顯，而RH的幅度和相位則變化不大。對水平極化波而言，實際地面的反射比較接近理想導電地，特別是在波長較長或投射角較小的區(qū)域近似程度更高。對于垂直極化波其反射系數(shù)模存在一個最小值，對應此值的投射角稱為布魯斯特角（Brewster），記為ΔB；在ΔB兩側(cè)，反射系數(shù)相角180°突變。⑵當?shù)孛骐妼蕿橛邢拗?，電波入射仰角非常小時（或稱掠射），近似有(16)地面對電波傳播的影響當通信距離較遠時，必須考慮地球曲率的影響，由于球面反射有擴散效應，因而球面地的反射系數(shù)要小于相同地質(zhì)平面地的反射系數(shù)。擴散因子就是描述擴散程度的一個物理量。定義求面地的擴散因子Df為地面對電波傳播的影響它是小于1的數(shù)值，其表示式為(17)地面對電波傳播的影響于是，考慮球面地擴散作用后的反射點處的反射波場強為一般情況下，空間某點的場強為直射波和地面反射波的總和，即式中β=2π/λ為相移常數(shù)；Δr為直射波和地面反射波的波程差；為反射點處的反射系數(shù)。光滑地面的判別準則實際地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想情況。電波在上下兩邊界處反射時的波程差為(17)(18)(19)地面對電波傳播的影響引起的附加相位差為若δr<<λ，則δφ很小，這時對接收點總場強沒有影響，可認為地面時平坦的。一般取δφ小于等于π/4作為光滑地面與粗糙地面的分界線，即(20)(21)瑞利準則地面對電波傳播的影響由（21）知波長越短，投射角越大，越難視為光滑地面，地面起伏高度的影響也就越大。球面地的突起高度及傳播余隙地球凸起高度

因ΔDQO與ΔPCO相似，則CO的高度為路徑中點處地球凸起高度最大，即若計及大氣折射的影響，將R0用KR0代入即可。(22)(23)地面對電波傳播的影響傳播余隙

傳播余隙Hc系指收發(fā)兩天線的連線與地面障礙物最高點之間的垂直距離?；蚪Y(jié)合傳播主區(qū)的概念，可把傳輸電路分成三種類型：(24)(25)開電路半開電路閉電路地面對電波傳播的影響

F0為最小菲涅爾半徑，上述第一種情況，接收點可接收到自由空間傳播時的信號強度。第二種和第三種情況都不能保證這一點。在地面微波中繼系統(tǒng)中，均應采用開電路。低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播在前述的分析中，盡管討論了平面地到球面地的修正，但都假定電波沿直線傳播，這一情況只有在均勻大氣中才可能存在。實際的對流層大氣壓力、溫度計濕度都隨地區(qū)及離開地面的高度而變化，是非均勻的，會使電波產(chǎn)生折射、散射及吸收等物理現(xiàn)象。大氣對電波的折射作用大氣的折射率

實驗證實大氣折射率n近似滿足下面的關(guān)系式：

P為大氣壓強（毫巴，即mb；1mb=100Pa）；

T為大氣的絕對溫度（K）；

e為大氣的水汽壓強（mb）。低空大氣層對電波傳播的影響(26)一般情況，溫帶地區(qū)緊貼地面處的大氣折射指數(shù)Na=310~320N單位。低空大氣層對電波傳播的影響折射指數(shù)數(shù)據(jù)年平均值大氣折射及類型

由于對流層的折射率隨高度而變，因此電波在對流層中傳輸時會發(fā)生不斷的折射，從而導致軌跡彎曲，這種現(xiàn)象稱為大氣折射。影響無線電波傳播的主要因素是折射指數(shù)N的垂直分布，N隨h的梯度分布為一般而言，折射指數(shù)隨高度增加而下降。國際航空委員會規(guī)定：當海面上的氣壓為1013mbar，氣溫為288K，dT/dh=-6.5°C/km，相對濕度為60%，水汽壓強為10mbar，de/dh=-3.5mbar/km時的大氣為“標準大氣”，代入（26）中，得到標準大氣的折射指數(shù)梯度低空大氣層對電波傳播的影響(27)當電波由折射率為n的一層傳播到n+dn的一層時，電波發(fā)生了折射，沿曲線AC傳播。假設電波在點A的入射角為φ，折射角為φ+dφ，則按照折射定律：低空大氣層對電波傳播的影響(28)將上式的右邊展開并略去二階無窮小量整理后得由圖示的幾何關(guān)系，射線的(29)(30)曲率半徑ρ為在ΔABC中(31)由于dφ很小，cos（φ+dφ）≈cosφ，并將式（29）代入上式得考慮到n≈1，并且對大多數(shù)情況而言，φ≈90°，因此，射線的曲率半徑為由此大氣折射可分為三類：①零折射dn/dh=0，電波射線為直線②負折射dn/dh>0，電波射線上翹③正折射dn/dh<0，電波射線向下彎曲低空大氣層對電波傳播的影響(32)(33)標準大氣折射：dn/dh=-4×10-81/m，射線的曲率半徑ρ=2.5×107m；臨界折射：dn/dh=-15.7×10-81/m，電波射線與地球同步彎曲；超折射：dn/dh<-15.7×10-81/m，電波在一定高度的大氣層內(nèi)連續(xù)折射。低空大氣層對電波傳播的影響折射類型

等效地球半徑

電波在大氣內(nèi)傳播軌跡是彎曲的，但習慣上仍把電波射線當做沿直線傳播，因此引入等效地球半徑因子來修正。等效地球半徑Re：保持電波射線軌跡與地球表面之間的相對曲率不變，使地球半徑改變到電波射線為直線時的地球半徑。低空大氣層對電波傳播的影響等效地球半徑由上圖的幾何關(guān)系，得式中，Re為等效地球半徑。由此，將(33)代入上式，則低仰角情況下的等效地球半徑為定義等效地球半徑因子K為等效地球半徑與實際地球半徑R之比。低空大氣層對電波傳播的影響(34)(35)(36)(37)標準大氣dn/dh=-4×10-81/m，R=6370km，K=4/3。大氣衰減

大氣是一種成分不均勻的半導電媒質(zhì)。大氣對電波的衰減有兩方面：①云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收以及水分子、氧分子對電波的諧振吸收；②云、霧、雨等小水滴對電波的散射，導致對原方向傳播的電波衰減。低空大氣層對電波傳播的影響水分子（電偶極距）的諧振吸收發(fā)生在1.35cm與1.6mm的波長上，(22GHz、183GHz)。

氧分子（磁偶極子）的諧振吸收發(fā)生在5mm與2.5mm的波長上，（60GHz、118GHz）。在選擇工作頻率時，要注意避開這些諧振吸收頻率，工作于吸收最小的頻率附近（大氣窗口，100GHz以下有三個大氣窗口：19GHz，35GHz，90GHz）。低空大氣層對電波傳播的影響氧和水的衰減系數(shù)降雨影響

電波投射到離散的隨機媒質(zhì)─雨滴上時，會產(chǎn)生①雨滴對電波的散射和吸收會使微波衰減②雨滴對電波的散射會引起散射干擾③電波穿過雨滴后極化面旋轉(zhuǎn)，引起去極化現(xiàn)象低空大氣層對電波傳播的影響不同強度的雨對電波的衰減系數(shù)散射衰減與小水滴半徑的6次方成正比，與波長的4次方成反比；f<3GHz時衰減很小，一般可忽略不計；當頻率進一步增高時，波在雨中的衰減將隨著頻率的增高迅速增大，并且雨的強度越大，電波受到的衰減越大。低空大氣層對電波傳播的影響低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播超短波頻率范圍為30~300MHz。電波傳播主要是視距傳播方式，相對微波而言，超短波受低空大氣層不均勻性的影響、以及自然現(xiàn)象中云、霧、雨等引起的噪聲以及對電波的吸收也較小。因此可主要考慮地面對超短波的影響，主要表現(xiàn)在①地面凸起使電波直射波的傳播距離受限于視線距離以內(nèi)，討論傳播特性時，須分視距內(nèi)、外兩種情況②地面反射波是從凸起的地表反射，因此須考慮球形地面對電波的擴散作用③超短波的低頻端，電波具有一定的繞射能力，可利用山峰繞射形成山地傳播，須考慮繞射損耗光滑地面上的亮區(qū)場

視距傳播中的亮區(qū)（d≤0.7dv）接收點場強主要是直射波E1和地面反射波E2的合成場。因d>>h，電波掠射至地面，可作如下近似超短波傳播①天線高架，地波成份可忽略不計②天線尺寸遠小于其架設高度，且饋線無天線效應，不計天線的空間影響③在接收點處E1和E2在空間方向上是一致的。④忽略發(fā)射天線在直射波和反射波方向上方向系數(shù)的差異。如此，當?shù)孛婵梢暈槠矫娴貢r，接收點處場強的表達式為為自由空間場強值。對于視距通信鏈路，Δ很小，通常小于1°，因此，接收點場強為超短波傳播(38)(39)由圖中的幾何關(guān)系可得出

根據(jù)幾何關(guān)系還可得到用之射線與反射點C之間的余隙H來描述Δr其中x=d1/d，h1=H/2(1-x)，h2=H/2x。于是式中。超短波傳播(40)(41)(42)超短波傳播亮區(qū)電波傳播示意圖于是可得亮區(qū)場強的衰減因子A為

A又稱為亮區(qū)干涉長的衰落因子，它隨距離d、天線高度h的改變呈波動變化。①接收點場強隨d的增大呈波動狀態(tài)的變化。E1和E2同相時，合成場強最大；兩者反向時，合成場最小。因此，只要改變d，使得波程差Δr有半個波長的變化，場強就有可能從最大值變成最小值。

⑴當d減小時，Δr增大，它所包含的半波數(shù)目增多，導致干涉場的圖形越來越密

⑵當d減小時，射線仰角Δ增大，反射系數(shù)模值減小，使合成場的最大值變小，最小值變大

⑶當d進入陰影區(qū)后，E隨距離的增加而單調(diào)減小。超短波傳播(43)②E隨天線架高改變也呈波動狀變化。當天線高度連續(xù)變化時，實際改變的是反射點的位置，從而使波程差Δr相應變化，當超短波傳播衰落椅子A隨距離的變化(44)高度圖形接收點場強有最大值，而當

時，接收點場強呈最小值。若保持d、λ、h1（或h2）不變，通過（44）、（45）兩式可分別求出接收點場強為最大、最小值時相應的天線高度h2（h1）當d較大時，須考慮球面地曲率的影響。為了能沿用平面地時得到的一些計算公式及曲線圖標，在保持球面地上傳播路徑不變，而又能將球面地等效為平面地的超短波傳播(45)(46)情況，必須對天線架高進行修正，如前所述

于是此時直射波和地面反射波的波程差為將上式代入式（18），可得球面地上的接收點場強為式中Df為球面地的擴散因子。超短波傳播(47)(48)光滑球面上的電波繞射所謂繞射是指電波繞過傳播路徑上障礙的現(xiàn)象。研究表明電波沿光滑球面地的繞射場衰減因子為

式中X=d/L稱相對距離，Y1=h1/hH，Y2=h2/hH，稱為天線相對高度，其中L和hH分別稱為標準距離和標準高度超短波傳播陰影區(qū)(48)(49)

K為等效地球半徑因子，R0為地球半徑。F（X）表示距離的影響，第二、三H（Y）表示天線高度的增益，稱為高度因子或高度增益，它們都是大地電參數(shù)、波長以及波的極化形式的函數(shù)。式（48）可寫為

式中各參量可用如下的列線圖計算，這些圖都是CCIR推薦的，應用范圍廣泛。①（a）和（c）是計算F（d）的圖標，若已知頻率及距離的數(shù)值，分別在頻率及距離的標尺上找到相應的電，其連線延長與F（d）標尺相交，交點即為F（d）值。②（b）和（c）是計算H（h）的列線圖，分別在頻率標尺及天線架設高度上找到相應的電，其連線與高度標尺增益相交，交點即為H（h）值。超短波傳播(50)③若不考慮大氣折射影響即K=1，使用頻率標尺左側(cè)的數(shù)值刻度進行計算；若為標準大氣折射K=4/3，則使用頻率標尺右側(cè)數(shù)值計算，若K為其它值，仍用K=1的頻率標尺進行計算，但要對頻率數(shù)值修正，即分別用f/K2（（a）和（c））及f/sqrt(K)（（b）和（d））代之。④垂直極化波沿海面?zhèn)鞑r，很靠近地面處的場強，實際上與天線高度無關(guān)，為此圖（d）中畫有一條垂直線段AB（限制線），若依據(jù)給定的頻率及天線高度的數(shù)值連線與AB相交，這時須用大一些的高度值來代替天線的實際高度，以使得連線恰好通過限制線的頂部（A點），按此作圖法求出H（h）值。依據(jù)列線圖法求出F（d）、H（h1）、H（h2）的分貝值，三項相加即為球面地繞射場的衰減因子A值。超短波傳播超短波傳播（a）球面地繞射─距離的影響適用條件：陸地，海面─水平極化波陸地─垂直極化波（圖中用箭頭連接的標尺必須一起使用）超短波傳播（b）球面地繞射─高度增益適用條件：陸地，海面─水平極化波陸地─垂直極化波超短波傳播（c）球面地繞射─距離影響適用條件：海面─垂直極化波（用箭頭連接的標尺須一起使用）超短波傳播（d）球面地繞射─高度增益適用條件：海面─垂直極化波通信鏈路的基本傳輸損耗Lb（dB）即為自由空間傳輸損耗Lbf（dB）與繞射場衰減因子A（dB）之和，即山峰繞射實際地形是復雜多樣的，因此很難對各種實際地形引起的電波衰減作出準確的定量計算。此處，以刃形山脊為例，討論山峰繞射的基本特點。

因刃形山脊厚度較小，一般采用半無限大的金屬導體屏（厚度遠小于波長）來代替。超短波傳播(50)超短波傳播超短波傳播刃形山脊繞射①接收點場強與障礙物遮擋有明顯關(guān)系。②接收點場強與電波頻率有關(guān)，波長越短的無線電波，其繞射能力越弱。超短波傳播刃形山脊繞射和光滑球面地的A~Hc/F1曲線低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播微波中繼通信系統(tǒng)的電波傳播是利用視距傳播方式。目前使用的頻段一般在2~20GHz范圍。一個中繼段的距離大約在20~70km左右。要求鄰站天線彼此在視線距離以內(nèi)，以視線直射波傳播。為實現(xiàn)長距離的信號傳輸，可利用地面上若干個具有高架天線的中繼站轉(zhuǎn)發(fā)，從而構(gòu)成了地面微波中繼通信系統(tǒng)。光滑傳播余隙的選擇與確定

氣象條件的變化將引起傳播余隙HC的變化，主要反映在地球等效半徑因子K上微波中繼系統(tǒng)的電波傳播(51)假定氣象條件只引起K值改變，則利用微分法可以求出ΔHC和ΔK之間的關(guān)系微波中繼系統(tǒng)的電波傳播(52)不同折射情況反射點的變化（K=2/3負折射、K=4/3標準折射、K=∞）傳播余隙的變化①大氣折射率變化愈大，即ΔK值愈大，則余隙變化量ΔHC也就越大。②當ΔK>0，使等效地球半徑增大，地球凸起高度(Hb=d1d2/2KR0)降低，傳播余隙增大。若傳播余隙選擇不當，使電路變?yōu)榇蜷_電路時，有可能使通過的菲涅爾帶數(shù)恰為偶數(shù)，這時接收點場強大大低于自由空間場強；反之ΔK<0，即K值較原來減小，地球凸起升高，余隙變小，有可能使原來的開電路變成半開電路甚至是閉電路，增加了繞射損耗，使信號強度大大減弱。③余隙的變化與它所在的位置有關(guān)。當ΔK相同時，d1=d2=d/2時，引起的余隙變化量ΔHC最大。因此，在選擇微波的傳播路徑時，應盡量使障礙靠近線路的兩端，這樣，當氣象條件變化時，余隙的變化相對來說要小些。微波中繼系統(tǒng)的電波傳播④余隙的變化量與站距的長度有關(guān)。將d2=d-d1，代入（52）中，得由此可見，當d1/d及ΔK相同的情況下，站距d愈長，則傳播余隙的變化量ΔHC愈大，所以中繼站之間的距離不宜太長。確定傳播余隙可參考以下原則：①當K=4/3時，允許HC≤F1；當K=2/3時，HC≥0.5F0，屬小余隙電路；只有地形復雜的電路如山區(qū)、城市或布滿森林的峽谷等，地面反射系數(shù)足夠小時，大開電路的傳播情況才是良好的，允許HC>F1。②在線路勘探與設計時，應盡量使障礙物的位置靠近兩站的一端，以避免K值變化引起微波中繼系統(tǒng)的電波傳播(53)太大的ΔHC的變化。同時站距不宜過長，通常平原地區(qū)，站距約為30~40km，山區(qū)可達50~60km。③對于地形復雜的電路，資料欠缺，難以判斷傳播情況是否良好時，有必要進行電路的傳播試驗，目的是驗證傳播余隙及其可能的變化，確定地面的反射損耗或障礙的繞射損耗等。但對山區(qū)的大開電路、水面或平原地區(qū)的電路，障礙靠近一端站址的情況，均可不必進行傳播試驗。這是因為山區(qū)的大開電路很接近自由空間傳播，水面或大平原地區(qū)的電路能夠根據(jù)反射波形成的干涉場的計算解決。④實際電路中，接收點場強不可能恰好等于自由空間場強值，允許有±3dB的變動范圍，作到這一點已屬上乘電路設計了。微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衰落由于大氣氣象參數(shù)及其相應的電參數(shù)的隨機變化，以及電波的多徑傳輸效應，使得微波信號的衰落是嚴重的。能引起深度衰落而嚴重影響傳播可靠度的衰落為K型衰落和波導型衰落。K型衰落由于大氣折射率隨高度的隨機變化以及多徑傳輸，使得接收點場強發(fā)生衰落。大氣折射率隨高度的變化可通過K來描述，因此這種由于K值的變化引起的衰落稱為K型衰落。①干涉型K型衰落：當電路為開電路時，接收點場強一般是直射波和地面反射波的干涉場。由于K值的隨機變動，使得直射波和反射波而引起的相位差亦隨之隨機變化，從而使接收點合成場強隨機起伏形成衰落。微波中繼系統(tǒng)的電波傳播②繞射型衰落：當大氣折射指數(shù)梯度隨機變化時，使電路的傳播余隙HC亦相應隨機變動。特別當大氣出現(xiàn)負折射的余隙減小太多，有可能使開電路變成半開或閉電路狀況，電波射線受到障礙物阻擋，使信號電平大大降低。因此在電路設計時應該估計到可能出現(xiàn)的最低K值，并留有足夠的余隙以避免此種衰落。理論和實踐證明，對于干涉型K型衰落，希望傳播余隙小一些，而對于繞射型衰落則希望余隙大一些，二者是矛盾的。波導型衰落

大氣波導是指大氣折射指數(shù)梯度dN/dh≤-157（N/km）的大氣層，根據(jù)大氣波導出現(xiàn)的高度不同，有地面波導和懸空波導之分。電波在大氣波導中以連續(xù)折射的方式進行傳播，與電波在金屬波導管中的傳播情況微波中繼系統(tǒng)的電波傳播類似的方式進行傳播，與電波在金屬波導管中的傳播情況類似。由于大氣波導兩壁不是理想的導體，電波能量不會完全束縛在波導內(nèi)，必然存在有通過波導面而泄露到波導外的能量，因而接收點不論在波導內(nèi)或波導外，都可能收到以這種形式傳輸過來的能量。多徑傳輸?shù)牟ǖ有纬筛缮鎴?，使接收信號有嚴重的衰落。與K型衰落相比，波導型衰落的衰落率高且衰落深度大。當大氣層中出現(xiàn)大尺度的逆溫層時極易發(fā)生大氣波導，但要形成波導型傳播，還應具備如下條件:①發(fā)射天線須位于大氣波導內(nèi)②電波發(fā)射角須小于臨界角Δc(0.5°~1°)③工作波長小于最大波長λmax對于常出現(xiàn)的dN/dh≈-290N/km的情況，λmax同波導厚度h0之間滿足微波中繼系統(tǒng)的電波傳播微波中繼系統(tǒng)的電波傳播地面波導中的多徑傳輸懸空波導中的多徑傳輸

λ單位為cm，h0單位為m。通常的氣象條件h0一般不超過20~30m，所以微波波段較易發(fā)生波導型傳播，且波導中的傳輸模式也較多，易產(chǎn)生深度的波導型衰落。因此在視距傳播中應設法破壞大氣波導的傳播條件，可以使收發(fā)天線的高度差較大，以使射線的俯仰角大于0.5°~1°，以破壞大氣波導型傳播的條件。為了改善衰落情況，提高電路的傳播可靠度，通常采取的措施是：①在電路設計時，應根據(jù)地形及氣象資料，確定恰當?shù)膫鞑ビ嘞?，必要時可進行傳播試驗，力求避免產(chǎn)生繞射型衰落。對于開電路，應盡量減小主反射波的強度，甚至設置認為障礙，消除到達接收點的主反射波。②使系統(tǒng)提供一定的電平儲備（或稱衰落余額）以保證信號發(fā)生深度衰落時提供電平補償。微波中繼系統(tǒng)的電波傳播(54)③采用分集接收技術(shù)，以使接收信號的快衰落幅度趨于平緩，減小深度快衰落發(fā)生的概率。微波中繼系統(tǒng)的電波傳播低空大氣層對電波傳播的影響自由空間電波傳播的菲涅爾區(qū)內(nèi)容安排超短波傳播地面對電波傳播的影響微波中繼系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的電波傳播衛(wèi)星通信是上世紀60年代以來，在航天技術(shù)和微波技術(shù)迅速發(fā)展的基礎上形成的一種新型通信方式，已成為國際、國內(nèi)通信的重要手段。目前使用的通信衛(wèi)星主要是靜止同步衛(wèi)星，這種衛(wèi)星被發(fā)射到赤道上空約35800km的空間，始終保持著和地球相對靜止的狀態(tài)。只須配置三個大容量的通信衛(wèi)星，就可建立起全球的通信體系。其主要的工作頻段有：225~400MHz、800~900MHz的UHF頻段，1.5~1.6GHz的L波段，4~6GHz的C波段，7~8GHz的X波段，11~14GHz的Ku波段，以及20~40GHz的Ka波段。在長達40000km的單程傳播路徑上，主要的傳播途徑位于宇宙空間內(nèi)，只要地球站發(fā)出的射線仰角不是太小，及地球站指向衛(wèi)星的仰角不低于5°~10°，則電波穿過低空大氣層及電離層的路徑不會太長，其信道傳輸媒質(zhì)的電參數(shù)是基本穩(wěn)定的，屬常參信道。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電波傳播衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電波傳播同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)影響電波傳播的主要因素有：大氣氣體對微波的衰減；雨云霧雪等引起的散射和吸收；水凝物（主要是雨滴和冰晶）引起的退極化效應；由大氣