第二講電波傳播基礎演示文稿

第二講電波傳播基礎演示文稿當前第1頁\共有32頁\編于星期六\16點優(yōu)選第二講電波傳播基礎當前第2頁\共有32頁\編于星期六\16點天線或自然輻射源所輻射的無線電波，在媒質（如地表、地球大氣層或宇宙空間等）中的傳播過程就稱為無線電波傳播。根據不同頻段的電波在媒質中傳播的物理過程，可將電波傳播方式分為地波傳播、對流層電波傳播、電離層傳播、地—電離層波導傳播以及外大氣層及星際空間電波傳播。地波傳播

無線電波沿著地球表面的傳播就稱為地波傳播。主要用于低頻及甚低頻遠距離無線電導航、標準頻率和時間信號的廣播、對潛通信等業(yè)務。傳播特點是：傳輸損耗小，作用距離遠；受電離層擾動影響小，傳播情況穩(wěn)定；有較強的穿透海水及土壤的能力；但大氣噪聲電平高，工作頻帶窄。電波傳播方式分類當前第3頁\共有32頁\編于星期六\16點對流層電波傳播

無線電波在低空大氣層—對流層中的傳播就稱為對流層電波傳播。按傳播機制可分為：①視距傳播。當收發(fā)天線架設高度較高（遠大于波長），電波直接從發(fā)射天線傳播至接收點（有時有反射波到達），亦稱直射波傳播。主要用于微波中繼通信、甚高頻和超高頻廣播、電視、雷達等業(yè)務。其主要傳播特點是：傳播距離限于視線距離以內，一般為10~50km；頻率愈高受地形影響愈大；微波衰落現(xiàn)象嚴重；10GHz以上電波、大氣吸收及雨衰減嚴重。

電波傳播方式分類當前第4頁\共有32頁\編于星期六\16點②散射傳播。利用對流層中介質的不均勻性對電波的散射作用，實現(xiàn)超視距傳播，常用頻段200MHz~5GHz。由于散射波相當微弱，傳輸損耗大，需使用大功率發(fā)射機、高靈敏度接收機及高增益天線等設備。單跳跨距可達300~800km，特別適用于無法建立微波中繼站的地區(qū)，例如海島之間或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地區(qū)。電離層電波傳播。無線電波經電離層反射或散射后達到接收點的一種傳播方式。依傳播機制又可分為：①電離層反射傳播，通常稱為天波傳播。主要用于中、短波遠距離廣播、通信、船岸間航海移動通信，飛機地面間航空移動通信等業(yè)務。主要特點是：傳播損耗電波傳播方式分類當前第5頁\共有32頁\編于星期六\16點小，可以較小功率進行遠距離傳播；衰落現(xiàn)象嚴重；短波傳播受電離層擾動影響大。②電離層散射傳播，利用電離層中電子濃度不均勻性（通常發(fā)生在地面高度90~110km處），對電波的散射作用完成遠距離通信得。常用的頻段為35~70MHz。其主要傳播特點是：傳輸損耗大；允許傳輸頻帶窄，一般為3~5kHz；衰落現(xiàn)象明顯。但單跳跨距可達1000~2000km。特別是當電離層受到騷擾時，仍可保持通信。③流行電離余跡反（散）射傳播，利用發(fā)生在80~120km處流行電離余跡對電波的反（散）射作用，可實現(xiàn)2000km以內的遠距離傳播。常用頻段為30~70MHz。由于流星余跡持續(xù)時間短，但出現(xiàn)頻繁，可利用它建立瞬間通信，在軍事上應用較多。電波傳播方式分類當前第6頁\共有32頁\編于星期六\16點地—電離層波導傳播電波在以地球表面及電離層下緣為界的地殼形空間內傳播。主要用于低頻、甚低頻遠距離通信及標準頻率和時間信號的傳播。其主要傳播特點是：傳輸損耗小，受電離層擾動影響小，傳播相位穩(wěn)定，有良好地可預測性，但大氣噪聲電平高，工作頻帶窄。外大氣層及行星際空間電波傳播

電波傳播的空間主要是在外大氣層或行星際空間，并且是以宇宙飛船、人造地球衛(wèi)星或星體為對象，在地—空或空—空之間傳播。目前主要應用于衛(wèi)星通信、宇宙通信及無線電探測、測控等業(yè)務中。其傳播的主要特點是：因距離遠，自由空間傳輸損耗大，在地—空電路中要受到對流層、電離層、地球磁場以及來自宇宙空間的各種輻射波和高速粒子的影響，例如10GHz以上的電波大氣吸收和降雨衰減嚴重。電波傳播方式分類當前第7頁\共有32頁\編于星期六\16點如上介紹的五種電波傳播方式，實際工作中往往取其一種作為主要的電波傳播途徑，在某些條件下可能幾種傳播途徑并存，例如中波廣播業(yè)務，某些地區(qū)既可收到經電離層反射的天波信號，同時又可收到沿地表傳播的地波信號。通常是根據不同頻段電波傳播的特點，利用天線的方向性來限定一種主要的傳播方式。在利用電波傳遞信息、完成無線電通信、廣播電視、導航、遙控遙測、雷達等業(yè)務中，掌握電波傳播的特點及其規(guī)律，以及進行必要的傳輸特性的估算（傳輸損耗、干擾信號及噪聲電平、衰落、時延、交叉極化特性等），是研究各種無線電信道特性和正確論證、設計組織使用各種無線電系統(tǒng)的重要依據。電波傳播方式分類當前第8頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸媒質對電波傳播的影響電波傳播方式分類內容安排干擾與噪聲自由空間電波傳播當前第9頁\共有32頁\編于星期六\16點自由空間自由空間是一種理想情況，通常指充滿均勻、無耗媒質的無限大空間，并具有各向同性、電導率σ=0、相對介電常數εr=1及相對磁導率μr=1。為各種傳播方式提供了一個進行比較的標準，同時也為了簡化電波傳輸損耗的計算。設一天線置于自由空間，在其最大輻射方向上、距離為d的接收點處產生的場強為

pt為發(fā)射天線輸入功率（W），Gt為發(fā)射天線增益，d為距離（m），E0為自由空間場強振幅值。為便于實用，或寫成：自由空間電波傳播(1)當前第10頁\共有32頁\編于星期六\16點當接收天線與來波極化匹配并與負載阻抗匹配時，其接收功率為式中S為坡印廷矢量（W/m2）,Ae為接收天線的有效面積（m2），Pt為發(fā)射天線的輸入功率（W），Gt和Gr分別是發(fā)射天線和接收天線的增益，λ為自由空間電波的波長（m）。實際中若要設計一條通信鏈路，要對發(fā)射機功率、天線增益、接收機靈敏度等提出合理指標要求，一般要進行信道計算，而其中對信道傳輸損耗的考量是其中重要內容。自由空間電波傳播(2)(3)當前第11頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸損耗—度量電波在傳輸過程中信號電平的衰減程度。對于自由空間，電波的衰減可用“自由空間傳輸損耗”Lbf來度量，Lbf定義為在自由空間內兩個理想點源天線（G=1）之間的傳輸損耗，即自由空間內，增益Gt=1的發(fā)射天線的輸入功率Pt與Gr=1的接收天線的輸出功率Pr之比，即上式代入(3)中，得若以分貝(dB)表示自由空間電波傳播(4)(5)(6)當前第12頁\共有32頁\編于星期六\16點或可寫為由（7）知，當電波頻率提高一倍或傳播距離增加一倍時，自由空間傳輸損耗將增加6dB。自由空間的傳輸損耗反映了球面波的擴散損耗，是隨著傳播距離的增大，能量的自然擴散而引起的損耗。

自由空間電波傳播(7)當前第13頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸媒質對電波傳播的影響電波傳播方式分類內容安排干擾與噪聲自由空間電波傳播當前第14頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸損耗電波在實際中是在有耗媒質中傳播的，因此接收點的場強總是小于自由空間傳播時的場強。設實際情況下接收點場強E（振幅值）的表達式為式中A=|E|/|E0|稱衰減因子，它與工作頻率、傳播距離、媒質電參數、地貌地物情況、傳播方式等因素有關。相應的坡印廷矢量和接收功率分別表示為：

傳輸媒質對電波傳播的影響(8)(9)(10)當前第15頁\共有32頁\編于星期六\16點對于某一傳輸電路，發(fā)射天線輸入功率與接收天線輸入功率（滿足匹配條件）之比，定義為該電路的傳輸損耗L，即若用分貝表示，則為由于A<1，因此A（dB）是一負值，它反映了對電波能量的吸收，因而使電路的傳輸損耗增加。舍去設備因素的影響（令Gt=Gr=0dB）,

傳輸媒質對電波傳播的影響(11)(12)(13)當前第16頁\共有32頁\編于星期六\16點（13）表示信道（即傳輸媒質）中功率的傳輸情況，稱為“路徑傳輸損耗”或稱為“基本傳輸損耗”。由于衰減因子A隨不同的傳播方式、不同的傳播情況而異，因此A的計算將結合各種傳播方式來定義。衰落

衰落，一般是指信號電平隨時間而隨機起伏的現(xiàn)象。信號電平有幾秒或幾分鐘內快速的變化（快衰落），也有幾十分鐘或幾小時至幾天、幾個月內出現(xiàn)緩慢的變化（慢衰落）。根據引起衰落的原因，可分為吸收型衰落和干涉型衰落。傳輸媒質對電波傳播的影響當前第17頁\共有32頁\編于星期六\16點吸收型衰落

吸收型衰落主要是由于傳輸媒質電參數的變化，使得信號衰減發(fā)生相應的改變而引起的。如電離層的電子濃度有明顯的日變化、月變化、年變化等，因而使電離層的等效參數εr、σ等相應改變，經電離層反射的信號電平亦相應起伏變化。由于媒質的變化是隨機的、緩慢的，因此由這種機理形成信號電平的變化也是緩慢的，故吸收型衰落是慢衰落。干涉型衰落干涉型衰落是由隨機的多徑傳輸引起的。接收點場強是不同傳輸路徑的場的疊加，只要各路徑的相對時延稍有變化，合成信號電平就會有明顯的快速起伏，表現(xiàn)出快衰落的特性，故干涉型衰落又稱為多徑衰落。傳輸媒質對電波傳播的影響當前第18頁\共有32頁\編于星期六\16點事實上，信號的快衰落與慢衰落兼而有之，快衰落往往疊加在慢衰落之上，只不過在較短時間內觀測時，后者不易被察覺，而前者則表現(xiàn)明顯。信號電平的衰落情況如圖1所示。由于信號衰落是隨機的，人們只能掌握信號隨時間變化的統(tǒng)計規(guī)律。通常是用信號電平中值、衰落幅度（或衰落深度）、衰落率、衰落持續(xù)時間等參數來說明信號的衰落統(tǒng)計特性。傳輸媒質對電波傳播的影響(a)慢衰落(b)快衰落圖1

信號衰落當前第19頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸失真無線電波通過媒質時除產生傳輸損耗外，還會產生失真。對模擬信號而言，振幅失真和相位失真將使信號畸變，信號逼真度下降；對數值信號而言，則將提升誤碼率。一般而言，產生失真的原因一是媒質的色散效應，二是隨機多徑傳輸效應。色散效應

色散效應是由于不同頻率的無線電波，在媒質中傳播速度有差別而引起的信號失真。載有信息的無線電信號總是占據一定頻帶，當電波通過媒質傳播到達接收點時，由于各頻率分量的傳播速度不同，因而不能保持原來信號中的相位關系，引起波形失真。具有色散效應的媒質就是色散媒質。如電離層對30MHz以下的電波就有色散效應。傳輸媒質對電波傳播的影響當前第20頁\共有32頁\編于星期六\16點多徑傳輸當電波以兩個或兩個以上不同長度的路徑傳播到達接收地點時，則接收天線撿拾的信號是由幾個不同路徑傳來的電場之和。因路徑長度有差別，它們到接收地點的時間延遲（簡稱時延）不同。若以τ表示最大傳輸時延與最小傳輸時延之差，若τ值太大就會引起較明顯的信號失真。圖2(a)示出了接收點場強是由兩條路徑傳來的、振幅不等的、相位差φ=ωτ的兩個電場疊加。傳輸媒質對電波傳播的影響(a)(b)圖2

多徑傳輸效應當前第21頁\共有32頁\編于星期六\16點對傳輸信號中的各個頻率分量而言，相同的τ值卻引起了不同的相位差。如對頻率為f1的分量，若φ1=ω1τ=π時，兩條路徑傳來的f1分量合成場呈最小值；而對f2分量，φ2=ω2τ=2π時，則此分量的合成場呈最大值。如圖2（b）所示，f1和f3是兩個相鄰的、合成場強為最小值的頻率，它們之間的相位差等于2π，即φ3-φ1=(ω3-ω1)τ=2π，則Δω=ω3-ω1=2π/τ，或式中Δf為多徑傳輸媒質的相關帶寬，它與多徑時延的τ值成反比。若所傳輸的信號帶寬很寬，與1/τ可比擬時，則所傳輸的信號波形將產生明顯的畸變，也就是說，信道的多徑傳輸效應對傳輸信號的帶寬提出了一定的限制。傳輸媒質對電波傳播的影響(14)當前第22頁\共有32頁\編于星期六\16點實際上，多徑傳輸路徑不止兩條。若傳輸媒質電參數是隨機變化的，則τ值也是隨機量，因此合成場強模值隨頻率的變化時隨機的，即傳輸媒質對不同頻率成份有著不同的、隨機的響應，這種現(xiàn)象就稱為頻率選擇性衰落。它對快速通信的誤碼率、雷達目標識別的精確度等都有重要影響。電波的折射、反射與繞射現(xiàn)象當電波在無限大均勻、線性媒質內傳播時，射線是沿直線傳播的。然而實際中，電波所經歷的空間場所是非常復雜的。例如球形地面和障礙物將使電波產生繞射；地貌、地物等將對電波產生折射、反射或散射作用，對流層中的湍流團、雨滴等水凝物對電波特別是微波產生散射；既使電波在對流層中傳播，也由于溫度、傳輸媒質對電波傳播的影響當前第23頁\共有32頁\編于星期六\16點濕度隨高度而異，致使波射線產生連續(xù)的小角度折射，結果使射線軌跡彎曲?？傊?，上述現(xiàn)象都會使電波傳播方向發(fā)生變化，這對于利用電波傳播完成通信、雷達、遙控、遙測等系統(tǒng)的工作帶來一定的麻煩或影響測量精度，因此，在系統(tǒng)設計或實際工作中必須予以考慮。傳輸媒質對電波傳播的影響當前第24頁\共有32頁\編于星期六\16點傳輸媒質對電波傳播的影響電波傳播方式分類內容安排干擾與噪聲自由空間電波傳播當前第25頁\共有32頁\編于星期六\16點前已述及信號通過任何傳輸媒質都會不可避免的產生衰減、時延、畸變等，特別是通過對流層、電離層等隨機時變媒質時，將受到更復雜的影響。另外，信號在開放空間傳播時，無用干擾信號和噪聲的引入，也會使信號的傳輸質量下降。從電子工程的角度考慮，主要關心的是媒質對所傳輸信號的最終作用結果。信道模型的一般表示式所謂信道是指傳輸信息的媒質或通道。例如電離層就是短波天線傳播的信道。信道，通常具有下列共性：①所有信道都有輸入端和輸出端②即使信道輸入端無信號輸入，但輸出端也有噪聲③信號在傳輸過程中均遭受到衰減、時延或其它影響④絕大多數信道是線性的干擾與噪聲當前第26頁\共有32頁\編于星期六\16點最簡單的信道模型如圖3所示，e1(t)表示信道輸入端的已調制信號，e0(t)是輸出信號。一般而言，信道對信號的影響可以用兩個因子來表示：一是乘性干擾因子k(t)，作用于所傳輸的信號上，另一個為加性干擾因子n(t)，是混跡于信號之中一定數量的噪聲。信道的輸入、輸出關系可表示為：乘性干擾是與e1(t)共存的一種干擾，k(t)e1(t)反映了信道對信號傳輸的最終作用結果。k(t)一般是一個復雜的函數，因信道而異。若k(t)隨時間變化極為緩慢或基本不變，則此信道稱為恒參信道；若k(t)隨時間而隨機快變化，則此信道稱為隨參信道，對隨參信道的分析則要復雜得多。干擾與噪聲(15)當前第27頁\共有32頁\編于星期六\16點干擾與噪聲圖3

信道模型加性干擾n(t)與輸入信號e1(t)彼此獨立不發(fā)生依從關系，既使信道無輸入信號，n(t)干擾噪聲依然存在。通常所說的干擾噪聲均系指加性干擾而言的。當前第28頁\共有32頁\編于星期六\16點加性干擾n(t)與輸入信號e1(t)彼此獨立不發(fā)生依從關系，既使信道無輸入信號，n(t)干擾噪聲依然存在。通常所說的干擾噪聲均系指加性干擾而言的。電磁噪聲的分類及表述方法

在任何一個電子系統(tǒng)中，廣義的噪聲是指本系統(tǒng)所欲傳輸的信號之外，一切規(guī)則的和不規(guī)則的、可懂的和不可懂的干擾，統(tǒng)稱為噪聲。若按噪聲源的情況區(qū)分，可分為：①自然噪聲；②人為噪聲；③系統(tǒng)內部噪聲。具體如圖4所示。