微波通信基本原理

微波通信原理工程规划设计部第一章微波通信的基本介绍第二章微波通信的基本原理第三章微波调制方式第四章微波频率规划第五章微波中继站微波通信原理微波的定义微波Microwave:微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。微波一般称为厘米波。根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为TEM波（TransverseElectricandMagneticField）。有时我们把这种电磁波简称为电波。微波通信的基本介绍LFMFHFVHFUHFSHFEHFMicrowave10Km1Km100m10m1m10cm1cm1mmf30KHz300KHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz红外线可见光工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小微波信号的频率范围微波通信的基本介绍BroadcastingMaximumcoverageOneprogrammeperradiochannelApplications:Radio(LW,MW,SW,FM);TVetc...射频传输的两种基本形式MicrowavelinksRadiobeamOnemultiplexperradiochannelApplications:Civiliarsandmilitarytelecommunicationnetworks广播点－点视距微波微波通信的基本介绍通常把频率300MHz－300GHz的射频无线信号称为微波信号利用微波作为载体的通信称为微波通信基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK微波通信的理论基础是电磁场理论微波通信微波通信的基本介绍第一章微波通信的基本介绍第二章微波通信的基本原理第三章微波调制方式第四章微波频率规划第五章微波中继站微波通信原理•几个基本概念•自由空间的电波传播•各种衰落及抗衰落技术•微波通信对设计的要求•干扰信号微波通信的基本原理•电波的干涉及极化•矩形波导的场结构•惠更斯—费涅耳原理•费涅耳椭球面•费涅耳区定义•费涅耳半径几个基本概念惠更斯——费涅耳原理光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次...波前面也是球面波。在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将发射天线看成是一个点源。几个基本概念互易定理的概念:指出，在线性和各向同性的媒质中，任何无线电路上，当发射天线互换时，不会影响电路的传输特性，或者发射机移到接收点，而接收机同时移到发射点时，则接收性能，不变。根据这个原理，对流层是电波的主要传输媒质空间，它就是具有线性和各向同性的媒质，因此在其中就可以减化工程计算。惠更斯—费涅耳原理几个基本概念d1d2dd1+d2-d=/2第一费涅耳椭球面:几个基本概念费涅耳椭球面TR无限大平面s1s2s3sns1s2s3sn无限大平面任意费涅尔区的划分示意图d1d2oF1F2F3FN费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)几个基本概念ThesignalpowerisdistributedinthespacesurroundingthedirectlineofsightLineofsight1stzone费涅耳区TheFresnelZone:如果前述定义的一系列费涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一费涅耳区。其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区......第N费涅耳区。这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的平面区域图形。TheFirstFresnelZone几个基本概念费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)•经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；•由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅区在接收点的自由空间场强的2倍;•相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反；•若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。非涅耳区的能量分布:几个基本概念费涅耳区定义(TheFresnelZoneDefinition)费涅耳半径费涅耳半径TheFresnelRadius:我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径，用F表示。当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半径。第二...第N个费涅耳区半径表达式：Fn=(n)1/2xF1上式中：F1为第一费涅耳半径。几个基本概念费涅耳半径(TheFresnelRadius)TRF1Pd1d2第一费涅耳区半径图1dF1=（λd1d2/d）1/2F2=（2λd1d2/d）1/2=(2)1/2F1......Fn=（nλd1d2/d）1/2=(n)1/2F1几个基本概念•几个基本概念•自由空间的电波传播•各种衰落及抗衰落技术•微波通信对设计的要求•干扰信号微波通信的基本原理•自由空间的定义•自由空间损耗的定义•自由空间损耗的计算自由空间的电波传播自由空间的定义自由空间FreeSpace:又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数ε=ε0=10-9/36πF/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7H/m（亨/米）。自由空间的电波传播自由空间损耗的定义自由空间损耗Freespaceloss:在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量未被损耗。但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的扩散衰耗就称为自由空间损耗。自由空间的电波传播FreeSpaceLossA=92.4+20logd+20logfWhered=distanceinkmf=frequencyinGHz(refertoisotropicantennas)0dfD或f增加一倍，损耗将增加6dB自由空间传输损耗(FreeSpaceBasicTransmissionLoss)自由空间的电波传播自由空间传输损耗(FreeSpaceBasicTransmissionLoss)P=发射功率(TXPower)PTXPowerLevelDistanceGTXGRXPRXG=天线增益(AntennaGain)A0A0=自由空间损耗(FreeSpaceLoss)M接收门限(ReceiverThreshold)M=衰落储备(FadingMargin)GPG自由空间的电波传播•几个基本概念•自由空间的电波传播•各种衰落及抗衰落技术•微波通信对设计的要求•干扰信号微波通信的基本原理•衰落•大气吸收衰减•雨雾衰减•对流层对微波传播的影响•地面反射对微波传播的影响•数字微波的抗衰落技术各种衰落及抗衰落技术衰落衰落的定义:微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波的迭加。传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。这种现象，叫做电波传播的衰落现象。显然，衰落现象具有很大的随机性。衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和地面效应。各种衰落及抗衰落技术衰落快衰落Rapidfading和慢衰落Slowfading(按持续时间划分):慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。上衰落Upfading和下衰落Downfading(按接收点场强的高低划分):上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落多径衰落Multipathfading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分):闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到达接收天线的传播现象。各种衰落及抗衰落技术衰落的种类衰落衰落现象规律:波长短，距离长，衰落严重跨水面，平原，衰落严重夏秋季衰落频繁昼夜交替时，午夜容易出现深衰落雨过天晴及雾散容易出现快衰落各种衰落及抗衰落技术由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显作用，长于此波长的可不考虑。一般情况10GHz以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的这种衰落仅有几个dB。但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能过长。在微波规划时，可用下图的曲线来计算。各种衰落及抗衰落技术雨雾衰减AttenuationduetoRainandFog在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能会引入几个分贝。在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般最大中继距离在10km左右在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里越高频段雨衰越厉害！！高频段可以做用户级传输各种衰落及抗衰落技术雨雾衰减AttenuationduetoRainandFog微波信号的K型衰落:•对流层结构的不均匀产生的折射和反射。我们知道介电常数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是所谓的K型衰落。•气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰落是慢衰落。各种衰落及抗衰落技术对流层对微波传播的影响因为大气折射的影响，波在传播过程中，实际上是弯曲的。大气折射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为的地球上空沿直线传播。即：=KRR为实际地球半径。K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。ReReReR哇！微波是弯着走的大气折射（refractionintheatmosphere）:各种衰落及抗衰落技术对流层对微波传播的影响微波传播(MicrowavePropagation)k1正折射k=1无折射k1负折射各种衰落及抗衰落技术对流层对微波传播的影响k=4/312/3Trueearthradius(r)Groundclearance2/34/31k=等效地球半径Equivalentearthradius(r·k)Groundclearance等效地球半径在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压,ae=4a/3称为标准等效地球半径各种衰落及抗衰落技术对流层对微波传播的影响这是一种由多经传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的衰落。其干涉的程度与行程差有关，而在对流层中行程差是随K值的变化的所以称为K型衰落。这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避