電波傳播的基礎(chǔ)知識

電波傳播的基礎(chǔ)知識第一頁，共四十九頁，2022年，8月28日課程要求1.掌握電波傳播的基本概念；2.掌握電波傳播的基本特點(diǎn)和規(guī)律；3.了解地面移動通信接收場強(qiáng)的預(yù)測方法。課程研究內(nèi)容無線電波傳播的基本特性及其變化規(guī)律。第二頁，共四十九頁，2022年，8月28日第8章電波傳播的基礎(chǔ)知識重點(diǎn)：自由空間電波傳播

難點(diǎn)：電波傳播的菲涅爾區(qū)

主要內(nèi)容：8.1概述8.2自由空間電波傳播8.3電波傳播的菲涅爾區(qū)第三頁，共四十九頁，2022年，8月28日第8章電波傳播的基礎(chǔ)知識8.1概述1.什么是電磁波？

電磁波是電磁場的一種運(yùn)動形態(tài)。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波。電場磁場第四頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.無線電波：按序排列的頻率分布，也稱波譜。

無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、γ射線

把各波段按頻率由低至高依次排列，分別是：2.頻譜：頻率從幾十赫茲到3000GHz的電磁波。

按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來，就是電磁頻譜。第五頁，共四十九頁，2022年，8月28日無線電波頻段的劃分第六頁，共四十九頁，2022年，8月28日

電磁場理論發(fā)展簡史1．電磁場理論的建立

電、磁現(xiàn)象是一種重要的自然現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象。19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。第七頁，共四十九頁，2022年，8月28日

庫侖于1779年通過實(shí)驗(yàn)和采用類比方法歸納、導(dǎo)出了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間的相互作用規(guī)律，即庫侖定律，是靜電學(xué)理論建立的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第八頁，共四十九頁，2022年，8月28日

奧斯特從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。近于同時(shí)，安培發(fā)現(xiàn)磁力作用的規(guī)律——安培力公式。第九頁，共四十九頁，2022年，8月28日

法拉第于1821年開始探索磁生電的實(shí)驗(yàn)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí)，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流，這表明：電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。第十頁，共四十九頁，2022年，8月28日

麥克斯韋在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，于1864年提出了一套偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁場理論的基本方程。第十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日

1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來無線電報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代。第十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日2、電磁場理論的應(yīng)用和發(fā)展無線電報(bào)1895年，馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗(yàn),1899年,無線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗(yàn)成功。第十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日

馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。有線電話1876年,（美）A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。第十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日1906年，（美）費(fèi)森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。廣播第十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日電視1884年，（德）尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，（英）貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金1923和1924年相繼明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。第十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日雷達(dá)1936年，（英）瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī)。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1944年，能夠自動跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明，使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場理論最活躍的部分。第十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日衛(wèi)星通信

1958年,美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功，這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年，借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年，第一顆商用同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星，衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。第十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日全球定位系統(tǒng)（GPS）

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國開始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國提出GPS計(jì)劃，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時(shí)和測距。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。第十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日電磁波與我們的生活密切相關(guān)第二十頁，共四十九頁，2022年，8月28日無線電波的典型應(yīng)用

地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，電離層與磁層研究，對潛通信，地震電磁輻射前兆檢測。（1）超低頻（SLF）（2）極低頻（ELF）

對潛通信，地下通信，全球通信，地下遙感，電離層與磁層研究。第二十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日（3）甚低頻（VLF）

超遠(yuǎn)程及水下相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，全球電報(bào)通信及對潛指揮通信，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，地質(zhì)探測。

遠(yuǎn)程脈沖相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，遠(yuǎn)程通信廣播。（4）低頻（LF）廣播、通信、導(dǎo)航（機(jī)場著陸系統(tǒng)）。（5）中頻（MF）第二十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日

通信廣播，超視距雷達(dá)，超視距地-空通信。（6）高頻（HF）（7）米波（VHF）

語音廣播，移動（包括衛(wèi)星移動）通信，接力通信，航空導(dǎo)航信標(biāo)。

電視廣播，飛機(jī)導(dǎo)航、著陸，警戒雷達(dá)，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng)，蜂窩無線通信。（8）分米波（UHF）第二十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日（9）厘米波（SHF）

多路語音與電視信道，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感，衛(wèi)星通信。（10）毫米波（EHF）通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感。（11）亞毫米波短路徑通信地面站地球

地面站第二十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日電波傳播：無線電波在媒質(zhì)（如地表、地球大氣層或宇宙空間等）中的傳播過程。8.1.2幾種主要的電波傳播方式1.地面波傳播：優(yōu)點(diǎn)：傳播信號質(zhì)量好缺點(diǎn)：頻率越高，地面對電波的吸收越嚴(yán)重。地面波傳播電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ姆绞綖榈孛娌▊鞑?。第二十五頁，共四十九頁?022年，8月28日天波傳播2.天波傳播：

發(fā)射天線向高空輻射的電波在電離層內(nèi)經(jīng)過連續(xù)折射而返回地面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為天波傳播。優(yōu)點(diǎn)：傳播距離遠(yuǎn)缺點(diǎn)：衰落現(xiàn)象比較嚴(yán)重第二十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日3.視距傳播

電波依靠發(fā)射天線與接收天線之間的直視的傳播方式稱為視距傳播。視距傳播特點(diǎn)：

直射波與地面反射波之間存在干涉現(xiàn)象，降雨和大氣對電波傳播有衰減及散射作用，山、建筑物和樹木對電波的散射和繞射作用顯著。第二十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日散射傳播4.散射傳播

利用非均勻介質(zhì)團(tuán)對電波具有散射特性來達(dá)到傳播的目的。對流層散射電離層散射優(yōu)點(diǎn)：距離遠(yuǎn)，抗毀性好，保密性強(qiáng)。第二十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日電波傳播特性的決定性因素

媒質(zhì)的電參數(shù)（）的空間分布和時(shí)間變化及邊界狀態(tài)。第二十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日8.2自由空間電波傳播

天線置于自由空間A處，其輻射功率為Pr，方向系數(shù)為D，在最大輻射方向上距離為r的點(diǎn)M處產(chǎn)生的場強(qiáng)振幅為

自由空間的電波傳播（8―2―1）第三十頁，共四十九頁，2022年，8月28日自由空間傳播損耗：

當(dāng)發(fā)射天線與接收天線的方向系數(shù)都為1時(shí)，發(fā)射天線的輻射功率Pr與接收天線的最佳接收功率PL的比值，記為L0，即（8―2―2）第三十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日（8―2―3）D=1的無方向性接收天線的有效接收面積為（8―2―4）所以該接收天線的接收功率為（8―2―5）D=1的無方向性發(fā)射天線產(chǎn)生的功率密度為第三十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日于是自由空間傳播損耗為

（8―2―6）或

（8―2―7）

當(dāng)電波頻率提高1倍或傳播距離增加1倍時(shí)，自由空間傳播損耗分別增加6dB。第三十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日衰減因子：（8―2―8）相應(yīng)的衰減損耗為

（8―2―9）E：實(shí)際情況下的接收點(diǎn)的場強(qiáng)E0：自由空間傳播的場強(qiáng)A與工作頻率、傳播距離、媒質(zhì)電參數(shù)、地貌地物、傳播方式等因素有關(guān)。第三十四頁，共四十九頁，2022年，8月28日基本傳輸損耗：（8―2―10）

如果發(fā)射天線的輸入功率為Pin，增益系數(shù)為Gr，接收天線的增益系數(shù)為GL，則相應(yīng)的功率密度和最佳接收功率分別為（8―2―11）（8―2―12）衰減損耗自由空間傳播損耗第三十五頁，共四十九頁，2022年，8月28日（8―2―13）

（8―2―14）

在路徑傳輸損耗Lb為客觀存在的前提下，降低傳輸損耗L的重要措施就是提高收、發(fā)天線的增益系數(shù)。電道的傳輸損耗：

發(fā)射天線輸入功率與接收天線輸出功率（滿足匹配條件）之比，即第三十六頁，共四十九頁，2022年，8月28日【例8-2-1】設(shè)微波中繼通信的段距為r=50km，工作波長為7.5cm，收發(fā)天線的增益系數(shù)都為45dB，饋線及分路系統(tǒng)一端損耗為3.6dB，該路徑的衰減因子A=0.7。若發(fā)射天線的輸入功率為10W，求其收信電平。L0=121.98+20lgr(km)－20lgλ(cm)=121.98+20lg50－20lg7.5=121.98+33.98－17.5=138.46dB解：第三十七頁，共四十九頁，2022年，8月28日

考慮到饋線及分路系統(tǒng)一端損耗后，該電道的總傳輸損耗L為L＝L0＋LF－Gr－GL＋2×3.6

＝138.46－20lg0.7－2×45+2×3.6

＝58.8dB

因?yàn)镻in=10W=40dBm（分貝毫瓦）于是收信電平即接收天線的輸出功率為PL＝Pin

－L＝40－58.8＝－18.8dBm第三十八頁，共四十九頁，2022年，8月28日

菲涅爾帶8.3電波傳播的菲涅爾區(qū)

空間A處有一球面波源，做一個(gè)與之同心、半徑為R的球面，P點(diǎn)與A點(diǎn)相距d=R+r0，將球面S分成許多環(huán)形帶Nn(n=1,2,3,…)，并使相鄰兩帶的邊緣到觀察點(diǎn)的距離相差半個(gè)波長（物理學(xué)上稱這種環(huán)帶為菲涅爾帶)。菲涅爾帶：第三十九頁，共四十九頁，2022年，8月28日（8―3―1）第四十頁，共四十九頁，2022年，8月28日

在這種情況下，相鄰兩帶的對應(yīng)部分的惠更斯源在P點(diǎn)的輻射將有λ/2的波程差，因而有180°的相位差，起著互相削弱的作用?？梢宰C明，當(dāng)r0>>λ時(shí)各帶的面積大致相等。設(shè)第n個(gè)菲涅爾半波帶在P點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)振幅為En(n=1,2,3,...)，由于每個(gè)菲涅爾半波帶的輻射路徑不一樣，因此有以下的關(guān)系式（8―3―2）第四十一頁，共四十九頁，2022年，8月28日（8―3―3）

如果將上式的奇數(shù)項(xiàng)拆成兩部分，即En=En/2+En/2，則式（8―3―3）可以重新寫為（8―3―4）

從平均角度而言，相鄰兩帶對P點(diǎn)的貢獻(xiàn)反相，于是P點(diǎn)的合成場振幅為第四十二頁，共四十九頁，2022年，8月28日

仔細(xì)觀察上式，如果總帶數(shù)足夠大，利用下式（8―3―2）的結(jié)論，（8―3―5）可以認(rèn)為（8―3―2）第四十三頁，共四十九頁，2022年，8月28日

上式給我們一個(gè)重要的啟示，盡管在自由空間從波源A輻射到觀察點(diǎn)P的電波，從波動光學(xué)的觀點(diǎn)看，可以認(rèn)為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的，但起最重要作用的是第一菲涅爾區(qū)。作為粗略近似，只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地