2.1 无线电波的传播特性

第二章移动通信的基本概念2.1无线电波的传播特性2.2移动信道的特征2.3陆地移动信道的场强估算与损耗2.4蜂窝系统工作原理2.5移动通信系统的基本网络结构2.6无线环境下的噪声与干扰2.1无线电波的传播特性2.1.1电波的传播方式2.1.2直射波2.1.3大气中的电波传播2.1.4障碍物的影响与绕射损耗2.1.5反射波学习目标理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由空间、自由空间传播等概念。初步了解大气中电波传播损耗的估算。2.1.1电波的传播方式图2-1典型的电波传播通路沿着地表面传播的电波称为地面波从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波经过大地反射到达收信机的电波称为反射波空间波一般是直射波、反射波和地面波的统称经过电离层反射而传播的电波称为电离层波，主要用与短波通信。地面波由于地面波随频率的提高衰减很快，所以在使用VHF和ＵHF频段的移动通信中，地面波可以忽略不计。当陆上天线的高度小于一个波长，海上天线的高度小于５～１０个波长的情况下，地面波的场强才能超过直射波的场强，这时才考虑地面波。在ＶＨＦ频带定点通信中，天线高度都处在几个波长以上，因此可以不考虑地面波的影响。对于ＶＨＦ频带的移动通信中，也是将电波传播考虑为直射波和反射波相干合成。2.1.2直射波电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。由于自由空间具有各向同性、电导率为零因此电波在自由空间传输时，不存在反射、折射和绕射等现象，只有因电磁场能量扩散而引起的传播损耗。传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，直射波可近似按自由空间传播来考虑。(式2-1)式中，λ是电磁波的波长，d是收发天线间距离。自由空间的传播衰耗lts定义为：直射波的传播途径如图2-1中路径2所示。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。地面的直射波通信接受点场强由两部分组成：一路是由发射天线直达接收天线，另一路是地面反射后到达接收天线。限制直射波通信距离的因素是地球表面弧度和山地、楼房等建筑物，因此超短波河微波通信要求天线尽量架高。2.1.3大气中的电波传播※自由空间传播的场强计算：电波在自由空间中的传播模型可用图2-2来模拟。图2-2各向同性辐射器在自由空间的辐射在O点有一个各向同性的辐射器，假设其辐射功率为Pt，从电磁场理论知道，在距离波源为d处的功率密度如下：（式2-2）同时，功率密度可写成：（式2-3）式中，Em、Hm分别为电场强度和磁场强度的振值；Eo、Ho分别为电场强度和磁场强度的有效值。因（式2-2）和（式2-3）相等，故可得：（式2-4）式中Pt和d的单位分别为W和m。通常场强以分贝（dB）表示，并取场强1μv/m为0参考点（dBμv/m，简称dBμ），则：（式2-5）式中，Pt为辐射功率（W），d为距离（km）。以上的辐射器为各向同性辐射器，若辐射器有方向性，则可设其方向性系数为Dt，有：（式2-6）或（式2-7）※自由空间的传播损耗传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率Pt与收信机输入功率Pr之比，即：（式2-8）自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，两者之间的传播损耗。电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信点，由式（2-2）可计算其功率密度S值。收信天线接收的功率为：（式2-9）式中A为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线来说，（式2-10）式中λ为工作波长（m）。由式（2-1）可得自由空间传播损耗为：（式2-11）该式若以dB表示，则：（式2-12）式中，f为工作频率（MHz），d为传播距离（Km）。按上式画出频率为150MHz、450MHz和900MHz的自由空间传播损耗Lo与距离d的关系，如图2-3所示：图2-3自由空间由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离呈现直线关系。同时，由（式2-12）可，自由空间的电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。由（式2-12）可推算出，在该公式的适用范围内，若将f或d增大一倍，则损耗将分别增加6dB。※大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数εr的关系为：（式2-13）众所周知，大气的相对介电系数εr不是恒定的，它与温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，εr也不同，即dn/dh也是不同的。根据折射定律，设c为光速，则电波传播速度v与大气折射率n成反比，即：（式2-14）这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。我们用“地球等效半径”来表征大气折射对电波传播的影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径Ro（6.37×106m）变成了等效半径Re，Re与Ro之间的关系为：（式2-15）式中，k称作地球等效半径系数。显然（式2-15）中，若当dn/dh0，则表示大气折射率n随着高度升高而减少，因而k1，ReRo。在标准大气折射情况下，即当dn/dh≈-4×10-8（1/m），等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。※视距传播视距传播的极限距离可由图2-4计算：图2-4视距离传播极限距离设发射与接收天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为：（式2-16）同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为：（式2-17）可见，视线传播的极限距离d为：（式2-18）在标准大气折射情况下，Re=8500km，故：（式2-19）式中，ht和hr的单位是m，d的单位是km。2.1.4障碍物的影响与绕射损耗绕射损耗：电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑等障碍物，这些障碍物会引起除了自由空间传播损耗外的附加损耗，这种附加损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点T、接收点R的相对位置如图2-5所示。图中x表示障碍物顶点P至连线TR的距离，在传播理论中称作费涅尔余隙。图2-5障碍物与余隙由费涅尔绕射理论可得障碍物引起的绕射损耗与费涅尔余隙的关系如图2-6所示：图2-6绕射损耗与余隙关系图中横坐标为x/x1，其中x1称为费涅尔半径，并由下式（2-20）求得：（式2-20）式中d1、d2如图2-6所示，λ为电波波长。2.1.5反射波不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为：（式2-21）式中│R│为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比值，φ代表反射波相对于入射波的相移。实际的反射路径、直射路径的电波相位差Δφ可由两者间的路径差计算而得：（式2-22）式中，2π/λ称为相移常数，决定于工作波长，Δd为两路径的差值。