無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 課件 第2章 地表電波傳播模式

第2章

地表電波傳播模式1

§2.1

空間波傳播模式

地表傳播模式2圖2.1光滑平面地面上電波的傳播模式在電波的傳播過(guò)程中，由于地面的存在，電波在傳播中首先會(huì)遇到空氣和大地兩種不同媒質(zhì)的分界面。地面的尺寸比波長(zhǎng)大得多，因此，電波在傳播過(guò)程中首先要發(fā)生反射，導(dǎo)致反射損耗；其次，由于地球表面的電導(dǎo)率r≠0，當(dāng)電波射入地面后，將產(chǎn)生地電流，導(dǎo)致吸收損耗。由電波射入地面后所產(chǎn)生的地電流，將改變地球表面電磁場(chǎng)的分布，從而影響到電波傳播的特性。在平面地面上傳播的波具有兩種傳播模式：一種是空間波傳播模式，即直射波與反射波的疊加；另一種是地表面波傳播模式。

§2.1

空間波傳播模式32.1.1光滑平面雙線反射模型圖2.2

雙線地面反射模型當(dāng)天線架設(shè)高度與波長(zhǎng)相比較高時(shí)，電波主要以空間波的方式進(jìn)行傳播，因此可以忽略地表面波的影響。在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)頻率大于150MHz時(shí)，通常就只考慮直射波和反射波，這時(shí)可以用雙線地面反射模型來(lái)研究電波傳播的特性。在大多數(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，收發(fā)信機(jī)間距最多達(dá)到幾千米，這時(shí)可假設(shè)地球表面為平面。總的接收?qǐng)鰪?qiáng)ETOT為直射波場(chǎng)強(qiáng)ELOS和地面反射的反射波場(chǎng)強(qiáng)Eg的合成結(jié)果。

§2.1

空間波傳播模式42.1.1光滑平面雙線反射模型如圖2.2所示，hT為發(fā)射天線高度，hR為接收天線高度。如果E0為距發(fā)射無(wú)線d0處的場(chǎng)強(qiáng)（單位為V/m)，則對(duì)于傳播距離d>d0，自由空間傳播的場(chǎng)強(qiáng)為

|E（d,t）|=E0d0/d表示距發(fā)射機(jī)d(m）處的場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)設(shè)直射波經(jīng)過(guò)距離d'，反射波經(jīng)過(guò)距離d"傳播到接收機(jī)，接收機(jī)收到的直射波場(chǎng)強(qiáng)為根據(jù)反射定理,假定垂直極化波在理想地面上反射，總電場(chǎng)是ETOT和ELOS的矢量和，總的電場(chǎng)包絡(luò)為

§2.2

雙徑反射模型52.2.1反射的有效區(qū)域圖2.5有反射時(shí)路徑損耗的最簡(jiǎn)單情況在圖2.5中，如果以發(fā)射源T的鏡像源T'和接收點(diǎn)R為焦點(diǎn)畫出一個(gè)菲涅耳區(qū)的橢球面。由它可以估計(jì)出對(duì)反射波起主要作用的地面上的菲涅耳區(qū)的大小，該區(qū)稱為有效反射區(qū)。有效反射區(qū)的大小基本上第一菲涅耳區(qū)或者2個(gè)菲涅耳區(qū)所定。

§2.2

雙徑反射模型62.2.1反射的有效區(qū)域如圖2.6所示，T、T'和R均在zy平面上，地面反射的橢圓有效區(qū)域與XY平面重合，該橢圓的長(zhǎng)軸在y軸上，短軸通過(guò)c點(diǎn)平行于x軸，假設(shè)圖中的橢圓是第n菲涅耳區(qū)的邊界面(橢球面)與地面相交所得。在這第n菲涅耳區(qū)橢圓上任取一點(diǎn)，根據(jù)菲涅耳區(qū)的定義有圖2.6反射地段上的菲涅耳區(qū)

§2.2

雙徑反射模型72.2.2平坦地面上的反射系數(shù)平坦地面反射波的幅度和相位的大小取決于反射系數(shù)（也就是和地面特性有關(guān)）、反射點(diǎn)處入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始極化。事實(shí)上，對(duì)于在地面上的電波傳播，地面特性由地表面的電導(dǎo)率和介電常數(shù)所決定，其中εr是相對(duì)介電常數(shù)εr'的實(shí)部，σ/wε0是其虛部。另外，經(jīng)常用掠射角

代替

，

。反射系數(shù)R//和R⊥并不相同，而且都是復(fù)數(shù)量，所以反射波在幅度和相位上都不同于入射波。

§2.2

雙徑反射模型82.2.2平坦地面上的反射系數(shù)表2.2地面特性表地形電導(dǎo)率（S/m）相對(duì)電導(dǎo)常數(shù)海水580淡水8×10-380干地2×10-310沼澤地，森林8×10-212農(nóng)業(yè)用地，低山1×10-315牧場(chǎng)，中等山5×10-313巖石地，陡峭山2×10-310群山1×10-35住宅區(qū)2×10-35工業(yè)區(qū)1×10-43在理論計(jì)算時(shí)，地球表面的電特性是用表2.2來(lái)表征的。根據(jù)電導(dǎo)率、頻率及介電常數(shù)關(guān)系，可以將地表做兩種近似電介質(zhì)電導(dǎo)體

§2.2

雙徑反射模型92.2.3雙射線傳播模式雙射線模式可以描述無(wú)線電波在平坦地面上的傳播過(guò)程。該傳播模式可直接作為路徑損耗計(jì)算的公式，例如用在微蜂窩中，也可以作為評(píng)估各種場(chǎng)強(qiáng)衰耗和路徑損耗計(jì)算公式的參考。下面來(lái)考慮地面附近的兩點(diǎn)之間的無(wú)線電波傳播，并用平面波近似代替球面波。此時(shí)，根據(jù)來(lái)自場(chǎng)源的直達(dá)射線和來(lái)自平坦地面的反射射線的疊加，就可得到雙射線模式。自由空間中兩個(gè)單位增益(G=1)天線之間，接收點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)大小寫成對(duì)于平坦地面，考慮到傳播相位時(shí)，由鏡像原理可以得到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)為

§2.2

雙徑反射模型102.2.3雙射線傳播模式當(dāng)入射波的掠射角很小時(shí)，對(duì)于遠(yuǎn)離發(fā)射的區(qū)域φ≈180°。此時(shí)，(2.41)式亦可簡(jiǎn)化為由上式可以看到，決定直達(dá)波和反射波組成的接收?qǐng)鰪?qiáng)與自由空間場(chǎng)強(qiáng)之間的振幅比是反射系數(shù)

和△φ。其中△φ的變化會(huì)引起合成場(chǎng)按(2.44)式作周期性變化，這是干涉場(chǎng)的主要特征。如果令n表示行程差△r所包含的半波數(shù)，即那么，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)

最小，即

，從而得到即，在上式確定的位置，會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的同相疊加?！?.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響112.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法圖2.10單刃峰障礙物計(jì)算幾何示意圖1.單刃峰繞射模型單刃峰繞射模型是最簡(jiǎn)單也是很常見的繞射模型。一般來(lái)說(shuō)，單刃峰繞射損耗計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合度較高?！?.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響122.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法2.雙刃峰繞射模型分析雙刃峰繞射模型時(shí)，可以將單刃峰障礙繞射理論構(gòu)成的方法繼續(xù)用于兩個(gè)障礙物上，其中第一個(gè)障礙物的頂部起電波源的作用，在第二個(gè)障礙物上繞射。圖2.11雙重孤立峰的單刃障礙示意圖§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響132.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法2.雙刃峰繞射模型考慮到兩個(gè)單刃峰障礙之間有距離b,計(jì)算時(shí)必須加上校正項(xiàng)Lc(dB)。Lc可以用下面公式進(jìn)行估值若L1和L2中的每一個(gè)都超過(guò)大約15dB，則總繞射損耗由下面公式出§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響142.3.1規(guī)則典型形狀繞射計(jì)算方法3.球面繞射模型由于天線架設(shè)不夠高，或者由于傳播距離太遠(yuǎn)，使得傳播電路成閉路狀態(tài)，也就是說(shuō)接收點(diǎn)位于陰影區(qū)里，這時(shí)計(jì)算中值衰減必須考慮大地繞射的影響。球面地球的繞射損耗可以近似地表示為§2.3

地形地物環(huán)境對(duì)電波傳播的影響152.3.2植被影響計(jì)算方法植被計(jì)算模型適用于各種路徑幾何學(xué)情況下的多種植被類型，可用來(lái)計(jì)算信號(hào)通過(guò)此類植被類型時(shí)所產(chǎn)生的衰減，且適用于地面系統(tǒng)和地空系統(tǒng)。但是，由于植被葉片簇的狀態(tài)和類型范圍很廣，以至于很難開發(fā)通用的衰減預(yù)測(cè)程序。另外，還缺乏植被的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該類模型適合于特定的頻率范圍和不同類型的路徑。圖2.13

傾斜路徑發(fā)射機(jī)處于林地之外，接收機(jī)在林地內(nèi)的一定距離d處，此時(shí)植被引起的超量衰減Aev可由下式給出

衰減損耗L采用以下模型§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響16無(wú)線電氣象環(huán)境因素影響產(chǎn)生的場(chǎng)地主要是在對(duì)流層內(nèi)，對(duì)流層在地球的不同區(qū)域高度是不一樣的，中緯度地區(qū)為12km左右、赤道地區(qū)為18km左右、極區(qū)為8km左右。對(duì)流層內(nèi)集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽，有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，有明顯的大氣湍流運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層內(nèi)經(jīng)常發(fā)生著我們所熟悉的天氣現(xiàn)象：云霧、降雨、降雪、刮風(fēng)揚(yáng)起的沙塵，春、夏、秋、冬的冷熱交替等。因此，對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響，可主要?dú)w結(jié)為三方面：一是大氣中H2O、O2對(duì)無(wú)線電波吸收效應(yīng)；二是大氣中的沉降物，如云霧、降雨、降雪、沙塵及冰雹等對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生的反射、散射及去極化效應(yīng)﹔三是垂直高度內(nèi)由于溫度、濕度、壓力不同而引起的折射效應(yīng)。相對(duì)于自由空間的傳播，計(jì)算地球-空間路徑的傳播損耗，需要重點(diǎn)考慮大氣衰減、晴空效應(yīng)、降水衰減、云霧衰減等效應(yīng)?！?.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響172.4.1大氣衰減1.逐線求和法大氣氣體引起的衰減完全源自吸收，主要與頻率、仰角、水平面上的高度以及水蒸氣密度（絕對(duì)濕度）等有關(guān)。對(duì)于10GHz以下頻段的大氣衰減通?？梢院雎浴?duì)10GHz以上頻段的大氣衰減，這些因素影響逐漸增大，尤其是低仰角時(shí)更是如此。

在一個(gè)給定的頻率，氧氣對(duì)大氣吸收的貢獻(xiàn)相對(duì)是穩(wěn)定不變的。但是，水蒸氣密度和其垂直剖面卻經(jīng)常變化。在典型情況下，最大的氣體衰減發(fā)生在最大降雨的季節(jié)。所謂逐線求和法，是指在任意氣壓、溫度和濕度條件下，采用累加氧氣和水汽各自諧振線的方法，可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算無(wú)線電波在大氣氣體中的特征衰減。特征大氣衰減率用γ表示，其計(jì)算方法如下：§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響182.4.1大氣衰減2.近似計(jì)算法在1GHz~350GHz頻率范圍的無(wú)線電波，若存在有限范圍的大氣條件和有限數(shù)量的幾何外形，則可采取簡(jiǎn)化算法對(duì)無(wú)線電波在大氣氣體中的衰減進(jìn)行近似估算。從海平面到10km高度的范圍內(nèi)，由干空氣與水汽造成的無(wú)線電波衰減率，可采用下列簡(jiǎn)化算法進(jìn)行估算。這一方法是基于逐線求和法計(jì)算的氧氣和水汽衰減率以及有效氧氣與水汽高度的，這些近似計(jì)算與逐線求和法計(jì)算擬合。但在高度超過(guò)10km且對(duì)精確度要求更高的情況下，應(yīng)采用逐線求和法。計(jì)算穿過(guò)地球大氣層的傾斜路徑的無(wú)線電波在大氣層的衰減，對(duì)于有角度傾斜路徑的衰減值為§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響192.4.2降雨引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對(duì)地面和傾斜路徑降雨衰減(簡(jiǎn)稱雨衰減)的計(jì)算方法。雨散射信號(hào)的強(qiáng)度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強(qiáng)度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計(jì)算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計(jì)算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單一些，沒有等效高度的問題，只有等效路徑長(zhǎng)度的問題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測(cè)示意圖§2.4

氣象環(huán)境對(duì)電波傳播的影響202.4.3降雪引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對(duì)地面和傾斜路徑降雨衰減(簡(jiǎn)稱雨衰減)的計(jì)算方法。雨散射信號(hào)的強(qiáng)度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強(qiáng)度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計(jì)算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計(jì)算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單一些，沒有等效高度的問題，只有等效路徑長(zhǎng)度的問題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測(cè)示意圖本章小結(jié)本章綜合講述空間波傳播模式下電磁波在地表環(huán)境的傳播特性及基本理論。首先介紹光滑地面上的電波傳播路徑損耗計(jì)算方法，建立地表電磁場(chǎng)分布計(jì)算的基本原則。然后針對(duì)在無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)中常用的雙徑反射模型進(jìn)行詳細(xì)闡述，分別對(duì)反射的有效區(qū)域及平坦地面