衰落现象

衰落现象衰落现象在微波波段，由于波长短，电波具有类似于光的特性，所以远距离微波通信必须采用中继方式，以实现超视距传播。但实际上电波的传播要受到地形和气候的影响，引起信号的反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，导致信号产生衰落，从而降低了信号的传输质量。一、产生衰落的原因1.多经传播引起的干涉衰落———K型衰落由于多经传播引起直射波和反射波干涉的结果使接收端的信号产生波动，形成干涉衰落，也称为K型衰落。这种衰落的深度取决于直射波和反射波的相位和幅度关系。（1）地面反射当大气折射指数呈垂直梯度变化时，如果假定电波仍沿直线传播，那么根据等效地球半径分析方法，等效地球半径系数K应作相应的变化。由于K值的变化，地球凸起高度也相应变化，这时反射点会沿着变化的地球凸起表面移动，这样反射波的行程由于反射点的移动而发生变化，即波的相位发生变化。当反射波的相位与直射波的相位相反时，合成场强显著减弱，形成干涉衰落。衰落持续的时间可达几分钟，甚至几小时。尤其是反射点落在水面或者比较平滑的地面上时，这种干涉衰落是比较严重的。（2）大气中的多径传播当大气中出现逆变层而形成大气波导时，或者出现突变层产生反射时，都能发生多径传播。这时电波沿着几条路径传播，各路径电波之间存在着由行程差而引起的相位差，以及由不同反射条件而引起的相位差，同时各条传播路径的电波场强的振幅也不相同，于是在接收端形成多径传播干涉衰落。在微波波段,因电波的波长很短，由行程差?驻y引起的相位差(2?仔/?姿)·?驻y较大，所以多径传播能够造成比较显著的衰落。2.大气折射引起的绕射衰落当大气折射率呈梯度变化时，引起等效地球半径系数K的变化，使得传播空隙也发生变化，如果余隙减小得太多，会使直射波部分或全部受阻挡。由于微波的绕射能力很差，这种绕射衰落也将是很严重的。这种衰落的持续时间较长，从几十分钟到几个小时不等。3.对波层超折射而形成的波导型衰落当对流层不同高度的温度、湿度和压力变化反常时，大气会产生逆变层而形成大气波导，使电波轨迹发生超折射现象。这时电波会被大气折射回地面，又从地面反射到大气层，然后再折射回地面，如此反复，形成波导型传播，其结果使接收场强产生波导衰落。频率越高，出现波导型衰落的可能性就越大。4.对流层中不均匀体造成的反射和散射衰在对流层中，由于温度、湿度和压力不同，常会形成一些不均匀体。当电波照射到这些不均匀体时，会发生乱反射或散射。由于大气中不均匀体的位置、形状和大小都随时间无规则的变化，反射波或散射波到达接收点的振幅和相位也要随机地变化，这就形成了快速反射衰落或快速散射衰落，衰落时间很短，约为1秒或几秒。这种衰落的起伏幅度很小，一般在较长的站距中才会比较显著。5.雨雾降水等产生的吸收衰落大气中的氧分子和水汽分子以及云雾中的水滴对微波都有吸收作用。降雨引起的衰减主要来自散射。这些吸收衰落和散射都随频率的升高而加重，一般在10GHz以上才显得比较严重。二、衰落变化的一般规律衰落现象主要由上面讲的几个原因产生，但由于电波传播受到地形、地物和气象条件等多种因素的影响，出现衰落的情况就比较复杂。根据观测和摸索的结果，可以得出如下有关衰落的一般特性。1.波长越短、站距越长，衰落越严重。因为波长短了，大气的吸收和雨雾的衰减会增大，多经传播各射线之间的相位延迟范围更大，在大气突变层界面上容易产生反射。站距大了，电波投射到反射面的角度变小，使反射系数增大，当折射变化时，地球凸起变化增大，使传播余隙的变化加大。2.夜间比白天严重，夏季比冬季严重。这是因为白天在太阳照射下空气的对流较好，大气混合得比较均匀；冬季的气象变化比夏季缓慢一些。3.晴天时比阴天、风雨天气时严重。因为在前者情况下，大气比较容易形成分层结构，而且形成后不易消散。特别是在晴天的早晨，容易形成大气波导。4.水上传输路径比陆地传输路径严重。因为水上路径容易形成湿度随高度剧烈下降的折射条件，以致较易产生大气波导。此外，水面的反射系数大，由此产生的干涉衰落也严重。5.平地传输路径比山区传输路径严重。因为前者易于形成大气分层，地面反射系数也较大。三、抗衰落的分集接收技术所谓分集接收，就是采用不同的方法接收同一信号，不同方法接收的信号互为补偿，从而使在接收端信号的衰落影响得以减小。分集接收是一种比较有效的抗衰落措施。常用的分集接收方法有频率分集和空间分集两种。1.频率分集接收当采用两个以上波道（每一波道采用不同的工作频率）同时工作时，叫做频率分集接收。由衰落公式：V=2|sin2л/λ|Δ知：当某一波道（即某一工作频率）的微波信号发生衰落时，另一波道的微波信号不一定发生衰落。波道倒换的结果使接收信号维持比较稳定。频率分集接收的优点是效果比较显著，只需要使用一付天线。缺点是多频段利用不经济。2.空间分集接收空间分集接收是利用不同高度的两副天线，接收同一频率的微波信号以达到克服衰落的目的。由于衰落因子与反射波和直射波的行程差有关，当采用不同高度的天线接收同一信号时，电波到达不同天线的行程差不一样。因此当某一副天线收到的电波发生衰落时，另一副天线收到的电波不一定同时发生衰落，采用信号合成的方法就可以克服衰落的影响。图：传输余隙图：刃型障碍的阻挡损耗视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类：（1）hc≥h0（2）0＜hc＜h0称为半开路线路；（3）hc≤0称为闭路线路。我们知道，电波在自由空间的传播速度为ν＝c＝001=3×108m/sn值通常在1.0到1.00045之间，为了便于计算，有时用折射指数N：N＝（n－1）×106折射率梯度表示折射率随高度的变化率，从而体现了不同高度的大气压力、温度及湿度对大气折射的影响，表示为（1）dhdn＞0，n随高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v与n成反比。（2）dhdn＜0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲，如图4-10（b）所示。我们可以根据电波受大气折射后的轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类。（1）无折射：当dhdn＝0时，N不随大气的垂直高度而变化，由式（4-16）得，K＝1或ae＝a。（2）负折射：当dhdn＞0时，由图4-10（a）可见，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，使电波传播轨迹向上弯曲。（3）正折射：当dhdn＜0时，由图4-10（b）可见，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，使电波传播轨迹向下弯曲设地球凸起高度的变化为Δhe，由图4-13可见，在数值上，余隙的变化就是地球凸起高度的变化K＞1（正折射）时，等效的余隙hce增大；K＜1（负折射）时，等效的余隙hce减小图4-13折射引起余隙的变化考虑气象条件影响，地球凸起高度为h0＝ddd2131he＝Kdd51421；Hmin＝h0＋heh0＝ddd2131＝501025250375.0313≈12.4（m）余隙较小时绕射衰落的计算：当hc很小或为负值时，电路呈半开路或闭路线路状态（1）在hc＝h0＝0.577F1时，V＝1，或VdB＝0；（2）hc＝0时，刃形障碍物VdB＝－6dB；（3）hc＜h0时，VdB＝V0dB01hhc几种大气和地面效应造成的衰落1、众所周知，任何物质的分子都是由带电的粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。2.雨雾引起的散射衰耗雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗。3.K这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件时，衰落的瑞利概率为Pr＝cBdfWWQK0平坦地面时Pr＝5.32.10dfWWQKK·Q＝10-9（平原）、f＝7GHz、d＝40km代入，得Pr＝10-9×71.2×（40）3.5＝0.418%）;A、B和C为常数。根据国际无线电咨询委员会公布的实验结果，B＝0.85～1.5，C＝2～3.5(多数为3.0～3.5);对于中等起伏地形的温带陆地和中纬度海岛地区，A＝10-7～10-9式中，d为站距（km）；f为微波工作频率（GHz）；KQ为地形W0为无衰落时的接收功率；W为有衰落时的接收功率（门限电平限定）Px为允许中断概率衰落深度为:Fd（dB）＝10lg(Pe/Px)