电波传播及干扰

重庆电子工程职业学院通信工程系第二章移动信道中的电波传播及干扰天线的基本原理2.1移动通信的电波传播特性2.2移动信道的特征2.3电波传播的路径损耗预测2.4分集接收技术2.5噪声2.6干扰2.7引入移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，天线是用户终端与基站控制设备间通信的桥梁，广泛应用于移动通信和无线接入通信系统中,它的迅猛发展产生了巨大的推动力，推动了天线概念的变革和技术的创新。能否对移动通信中天线方面的知识有深入的了解、全面掌握天线相关的知识，无论是对产品的安装和维护、网络规划工作的顺利开展，都有着十分重要的意义。重庆电子工程职业学院通信工程系了解天线的基本特性和类型了解移动通信中的电波传播特性和移动信道特性了解移动通信接收中的分集接收的基本概念和原理了解噪声和干扰的分类、定义和特性；掌握避免各种干扰的应采取的措施。掌握陆地移动信道场强的估算本章学习目标重庆电子工程职业学院通信工程系天线的基本知识移动信道中电波的传播方式自由空间的定义和传播损耗不同地形地物的传播损耗的估算分集接收的概念和原理噪声的分类及特性干扰的产生和定义避免各种干扰的措施本章要点内容重庆电子工程职业学院通信工程系天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。在移动网络通信中从基站天线到用户手机天线，或从用户手机天线到基站天线通过电磁波进行无线连接。天线的功能是什么?天线的基本原理2.1重庆电子工程职业学院通信工程系Blahblahblahblah把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...收集无线电波并产生电信号无线电波无线电波类似一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的基本原理2.12.1.2基站天线的类型2.1.1天线的基本特性重庆电子工程职业学院通信工程系2.1.1天线的基本特性天线辐射的方向图天线的增益天线的驻波比天线的极化天线的频率范围天线的下倾天线前后比重庆电子工程职业学院通信工程系天线辐射的方向图天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方向辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。重庆电子工程职业学院通信工程系图1.3.1c水平面方向图图1.3.1b垂直面方向图图1.3.1a立体方向图重庆电子工程职业学院通信工程系天线辐射的方向图60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度峰值-3dB点-3dB点15°(eg)通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示水平波束宽度及垂直波束宽度。水平面方向图垂直面方向图天线方向图重庆电子工程职业学院通信工程系天线的增益天线增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值。天线增益与其方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的增益dBd和dBi的区别一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi2.17dB对称振子的增益为2.17dB重庆电子工程职业学院通信工程系天线的驻波比驻波比的定义驻波比产生原因驻波比指标的意义重庆电子工程职业学院通信工程系驻波比的定义定义：表示天馈线与基站（收发信机）匹配程度的指标。Umax——馈线上波腹电压Umin——馈线上波节电压重庆电子工程职业学院通信工程系驻波比产生的原因驻波比的产生，是由于入射波能量传输到天线输入端B未被全部吸收（辐射）、产生反射波，迭加而形成的。VSWR越大，反射越大，匹配越差。重庆电子工程职业学院通信工程系驻波比指标的意义VSWR＞1，说明输进天线的功率有一部分被反射回来，从而降低了天线的辐射功率；增大了馈线的损耗。馈线损耗是在VSWR=1（全匹配）情况下测的；有了反射功率，就增大了能量损耗，从而降低了馈线向天线的输入功率；在馈线输入端A，失配严重时，发射机T的输出功率达不到设计额定值。但是，发射机输出功率允许在一定失配情况下（如VSWR＜1.7或2.0）达到额定功率。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的极化无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的极化天线辐射电磁波中电场的方向就是天线的极化方向。分为垂直线极化的天线、水平线极化的天线和圆极化天线。分为单极化和双极化。定向小区一般使用双极化定向天线；全向小区目前采用单极化全向天线。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的极化单极化示意图垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向重庆电子工程职业学院通信工程系天线的极化双极化示意图两个天线为一个整体，传输两个独立的波。重庆电子工程职业学院通信工程系天线的频率范围天线总是在一定频率范围内工作，通常，天线工作在设计频率时（称为中心频率），天线所能传送的功率最大，偏离中心频率时它所传送的功率都将减小。频率宽度两种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频率宽度。一种是指在规定驻波比下的天线频率宽度重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾用于：控制覆盖、减小交调两种方法:机械下倾、电下倾天线波束下倾的演示重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾机械下倾：通过机械装置调节天线向下倾斜所需的角度。电下倾：通过调节天线各振子单元的相位使天线的垂直方向图主瓣下倾一定的角度，而天线本身仍保持和地面成垂直放置的位置。重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾机械下倾时其水平方向图将变形。当下倾角度达到10度时，水平方向图严重变形，所以机械下倾的角度不宜过大。而电下倾时，水平方向图基本保持不变。无下倾电下倾机械下倾重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾电下倾情况下的波束覆盖无下倾电下倾重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾机械下倾情况下的波束覆盖无下倾机械下倾重庆电子工程职业学院通信工程系天线下倾下倾方法的比较10°电下倾10°机械下倾6°电下倾+4°机械下倾重庆电子工程职业学院通信工程系天线前后比天线方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比，其值越大，天线定向接收性能就越好。以dB表示的前后比=10lg(前向功率/反向功率)重庆电子工程职业学院通信工程系天线的基本原理2.12.1.2基站天线的类型2.1.1天线的基本特性重庆电子工程职业学院通信工程系全向天线定向天线特殊天线2.1.2基站天线的类型重庆电子工程职业学院通信工程系全向天线在水平方向上功率均匀地辐射；在垂直方向上辐射能量是集中的，因而可以获得天线增益，典型增益值是6～9dBd；主要用于广覆盖全向小区。重庆电子工程职业学院通信工程系定向天线水平和垂直辐射方向图是非均匀的；辐射功率集中在一个方向，所以天线增益一般较高，增益值是9～16dBd；常用在定向小区；分为以下几种：120°、90°、65°、33°等。重庆电子工程职业学院通信工程系特殊天线指用于特殊场合信号覆盖的天线，如室内、隧道等。泄漏同轴电缆就是一种特殊天线，用于解决室内或隧道中的覆盖问题。泄漏同轴电缆的外层窄缝允许所传送的信号能量沿整个电缆长度不断泄漏辐射，接收信号能从窄缝进入电缆传送到基站。泄漏同轴电缆适用于任何开放的或是封闭形式的，需要局部覆盖的区域。使用泄漏同轴电缆时，没有增益，为了延伸覆盖范围可以使用双向放大器。重庆电子工程职业学院通信工程系移动通信的电波传播特性2.22.2.4大气中的电波传播2.2.3反射波2.1.2直射波2.2.1电波的传播方式重庆电子工程职业学院通信工程系发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图所示。沿路径①从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；沿路径②的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波；路径③的电波沿地球表面传播，称为地表面波。2.2.1电波的传播方式重庆电子工程职业学院通信工程系直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1，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，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。2.1.2直射波重庆电子工程职业学院通信工程系2.2.3反射波当电波传播中遇到两种不同介质的界面时,,就会发生反射;由于大地和大气是不同的介质,所以入射波会在界面上产生反射;反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等。重庆电子工程职业学院通信工程系2.2.4大气中的电波传播在实际移动通信中,电波在低层大气中传播。低层大气并不是均匀介质,其温度、湿度以及气压随时间和空间而变化，因此，会产生折射及吸收现象，VHF和UHF波段的折射现象尤为突出，它将直接影响视线传播的极限距离。２.2.4大气中的电波传播1.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rn(3-14)nc(3-15)式中，c为光速。众所周知，大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，εr也不同，即dn/dh是不同的。根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比，即２.2.4大气中的电波传播大气折射当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。在标准大气压下,大气层的介电常数εr随高度增加而减小，并逐渐趋近于1,因此大气层的折射率n随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,各薄层的折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线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。２.2.4大气中的电波传播大气层对电波的折射(b)n1n2n3n4(a)２.2.4大气中的电波传播大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37×106m)变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为dhdnRRRke0011式中，k称作地球等效半径系数。２.2.4大气中的电波传播当dn/dh＜0时，表示大气折射率n随着高度升高而减少。因而k＞1,Re＞R0。在标准大气折射情况下，即当dn/dh≈-4×10-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。２.2.4大气中的电波传播2.视线传播极限距离所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。它主要用于超短波和微波波段的电波传播。２.2.4大气中的电波传播视线传播的极限距离可由图3-2计算，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tehRd21同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为rehRd2２.2.4大气中的电波传播图3–2视线传播极限距离２.2.4大气中的电波传播可见，视线传播的极限距离d为)(221rtehhRddd(3-19)在标准大气折射情况下，Re=8500km,故rthhd12.4(3-20)式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。２.2.4大气中的电波传播由上可知，大气