第6章--微波通信传输信道的特征

1胡庆教授第6章微波通信传输信道的特征2内容提要•微波中继传输系统及其应用•微波传播路径•微波传输线路噪声及参数计算6.1微波中继传输系统及其应用•微波中继传输系统概述•微波传输系统中的天馈线•微波中继传输系统的应用36.1.1微波中继传输系统概述•微波是电磁波频谱中无线电波的一个分支，它是频率很高且波长很短的一个无线电波段，通常指频率范围在300MHz~300GHz或波长在0.01m~1m之间的无线电波。在微波波段中，还可以划分为分米波、厘米波和毫米波，其中厘米波是目前开发最成熟和应用最广的波段。•数字微波中继传输系统组成•数字微波中继传输系统组成框图如图6-1所示。4图6-1数字微波中继传输系统组成框图6.1.1微波中继传输系统概述•微波传输线路•微波传输特性接近于几何光学，它的波长比地球上一般的宏观物体如建筑物、车、船的尺寸要小得多。当微波波束照射到这些物体上，将会产生显著的反射，并且部分深入到物体内部（穿透性）。但其绕射能力弱，因此，两微波站之间只能沿直线传播即视距传播，若在传播中遇到不均匀的介质时，还将产生折射、反射和穿透射。•“微波接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。由于地球是圆的，使得地球上两点（两个微波站）间不被阻挡的距离有限，为了可靠通信，一条长的微波中继线路就要在线路中间设若干个中继站，采用接力的方式传输信息，如图6-2所示。56.1.1微波中继传输系统概述6图6-2微波通信传输信道的结构6.1.1微波中继传输系统概述•微波传输系统的频率配置•在微波频段的使用方面，必须遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定。各国的微波设备往往首先使用4GHz频段，目前各国的微波通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等频段。我国数字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各频段的设备。我国几种数字微波频率配置方案如表6-1所示。•“多波道频率配置”是指一条微波传输线路有许多微波站，每个站上又有多波的微波收发信设备。当一个站上有多个波道工作时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制。即两个方向的发信使用一个射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频率。图6-3和图6-4所示给出了二频制频率配置方案。76.1.1微波中继传输系统概述8工作频段（GHz）频段范围（MHz）基带速率Mb/s占用带宽（MHz）中心频率f0（MHz）f波道（MHz）f收发（MHz）工作波道数（对）同一波道收发间隔（MHz）21700～19008.48820018081449611921900～230034.36840021012968621343400～38002×34.36840035922968621343800～4200139.2644004003.52968621366430～7110139.26468067704060834077125～74258.44830072757282016187725～827534.368500800029.65103.778311.321110700～117002×34.368139.264100011200409012530表6-1我国几种数字微波频率配置方案6.1.1微波中继传输系统概述9图6-3二频制频率配置方案图6-4多波道二频制频率配置方案6.1.1微波中继传输系统概述•微波传输系统的特点•（1）通信容量大•微波频段的频带很宽，多路复用可以容纳更多话路工作。与短波、超短波通信设备相比，在相同的相对通频带(即绝对通频带与载频的比值)条件下，载频越高，绝对通频带越宽。设相对通频带为10％，当载频为2MHz时，绝对通频带为200kHz；当载频为2GHz时，绝对通频带为200MHz。所以一个短波通信一般只能容纳几个话路，而一个微波设备则可以同时有成千上万个话路。•（2）传输质量高•微波波段受工业、天电和宇宙等外部干扰影响很小，所以其信道参数变化也很小，而且微波波段内波束以直线定向传播，可以采用高增益定向天线，质量较高，通信稳定，并且具备较好的保密性。106.1.1微波中继传输系统概述•（3）接力通信•由于地球是圆的，使得地球上两点（两个微波站）间不被阻挡的距离有限，为了可靠通信，一条长的微波中继线路就要在线路中间设若干个中继站，采用接力的方式传输信息，如图6-2所示。•（4）方便灵活，成本较低•微波通信与其他波长较长的无线通信以及电缆通信相比，能较方便地克服地形带来的不便，有放大的灵活性，并且成本较低，可以节省有色金属，施工也较快。由于微波频率高，故其波长短。微波通信一般使用面式天线，当面式天线的口径面积给定时，其增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天线。116.1.2微波传输系统中的天馈线•在微波雷达、微波通信设备中最通用的定向天线是抛物面天线和卡塞格林（双曲面形）天线，它们由辐射器（馈源）和金属反射面组成。另外还有喇叭天线、微带天线和智能天线。这里重点介绍抛物面天线和卡塞格林天线定性工作原理。•抛物面天线结构及坐标关系原理图，如图6-6所示。由图可知从焦点F发射的电波经抛物反射后，反射波都平行OF轴的方向沿z向传播，即馈源在焦点F所发出的波在抛物面反射后成为一束平行波，且反射波到达基准面AA′的路径相等（即等相面）。由于抛物面天线的这种聚焦作用，可实现把能量集中在一个方向发射出去。126.1.2微波传输系统中的天馈线13图6-5天馈线系统的结构6.1.2微波传输系统中的天馈线14图6-6抛物面天线及原理图6.1.2微波传输系统中的天馈线•卡塞格林天线结构及坐标关系原理图，如图6-7所示。卡塞格林双反射面天线由主反射面、副反射面和辐射器（源）三个部分构成。主反射面是一个抛物面，其焦点F；副反射面是一个双曲面，位于主反射面的焦点与顶点之间，双曲面有两个焦点：一个虚焦点C与F重合，辐射器放置在另一个实焦点C′上，辐射器通常采用喇叭形状。这种天线经过副反射面和主反射面的连续反射，把辐射器辐射的球面波形变成天线口面向外辐射的平面波束。156.1.2微波传输系统中的天馈线16图6-7卡塞格林天线及原理图图6-8双曲线几何关系6.1.2微波传输系统中的天馈线•为了进一步说明卡塞格林天线的工作原理，先分析双曲面母线（双曲线）的几何特性。由图6-8可知，其双曲线有两个卡塞格林天线要用的特征：•①双曲线上任意一点P至两焦点（C′、C）距离之差等于常数，即。•②双曲线上任一点P的法线PN与CP延长线的夹角等于PN与PC′的夹角，即=。17app2126.1.3微波中继传输系统的应用•由于微波具有似光性、穿透性、宽频带性、热效应性、散射性和抗低频干扰等特点，因此得到了广泛的应用。其应用主要分为两大类：一类是以微波作为信息载体，主要应用在雷达、导航、通信、遥感等领域；另一类是利用微波能，主要用在微波加热、微波生物医学及电量非电量的检测等领域。•微波中继传输系统在电信网中的应用•微波中继传输作为通信网的一种传输方式，可以同其他传输方式一起构成整个通信传输网，如图6-9所示为微波、光纤、卫星一体的传输组网方式，一般来说，微波中继传输系统位于通信骨干网的位置。186.1.3微波中继传输系统的应用19图6-9微波中继传输系统在全网中的位置6.1.3微波中继传输系统的应用•微波中继传输系统在移动通信网中的应用•在移动通信系统中，微波传输可应用在两个地方：一是基站收发信台和基站控制器之间，二是基站控制器和移动交换机之间，如图6-10所示。20图6-10微波中继传输在移动通信网中的应用6.2微波传播路径•地面对微波传播的影响•大气对微波传播的影响•微波线路设计216.2.1地面对微波传播的影响•地面对微波传播的影响，主要有反射、绕射和地面散射。地面可以把天线发出的一部分能量反射到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更大些），与主波（直射波）信号产生干涉，并与主波信号在收信点进行矢量相加，其结果是收信电平与自由空间传播条件下的收信电平相比，也许增加，也许减小。•散射是不规则地形将微波反射到各个方向，相当于乱反射。显然，散射会损耗微波能量。•地面上的障碍物，如山头、森林和高大建筑物等可阻挡无线电波射线，使无线电波绕过障碍物向非接收方向传播，进而使接收的无线电波信号能量大大减小。226.2.1地面对微波传播的影响•惠更斯原理及菲涅尔区•惠更斯－菲涅耳原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想为：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。•（1）惠更斯原理•一点源的振动可传递给邻近质点，使其成为二次波源。当点源发出球面波时，2次波源产生的波前也是球面，3次，4次……波源也是如此。236.2.1地面对微波传播的影响•在无线通信中，当发射天线的尺寸远小于站间距离的时候，可以把发信天线近似看成一个点源，如图6-11所示。图中T为发射天线，它发出球面波，把波前分解为许多面积元，点源T在接收处R产生的场强便是许多面积元在R处产生的场强之矢量和。尽管T与R之间有障碍物，但不能挡住所有面积元，在R处仍可收到一定的场强。•由解析几何可知，平面上一动点至两定点T，R的距离之和为常数时，此动点轨迹为椭圆。在空间，此动点轨迹为旋转椭球面，如图6-12所示。246.2.1地面对微波传播的影响25图6-11惠更斯原理图图6-12菲涅耳椭球6.2.1地面对微波传播的影响•（2）菲涅耳区•菲涅耳区半径定义为椭球面上某点P至TR的垂直距离，用F表示。现用图6-14求得第1菲涅耳区半径F1。图6-14中，P为第1菲涅耳椭球面上任一点，d1，d2分别为P点至发射天线T及接收天线R的水平距离，收、发站距d=d1+d2。根据菲涅耳椭球面及菲涅耳区的定义可得•式中，d1，d2，和d的单位为km，而F1大致与天线高度同数量级，故d1F1，d2F1。运用二项式展开，有262222112112dFdFd111112222222222222111111111112223!dFddFdF1234111111128ddFdF6.2.1地面对微波传播的影响•因，故从第3项开始可以略去，有•同理，•于是，即•类似地，可求出第n菲涅耳区的半径。根据第n菲涅耳区定义有2711dF12221211112FdFdd1222122122()2FdFdd22111212222FFddddd221112FFdd121ddFd2222122nndFdFdn6.2.1地面对微波传播的影响•对照式（6.2）及式（6.3）可以看出，原来的F1现在换成Fn，原来的现在是，于是第n菲涅耳区半径是•显然，P点位置不同时，Fn亦不相同。当P在线路中点时（时），Fn最大，用表示。由式（6.4）可得28n121nnddFnFd122dddnmF12nmFnd6.46.56.2.1地面对微波传播的影响•（3）收信点场强与菲涅耳区的关系•由图6-13所示的菲涅耳区定义和式（6.3）可知经过各菲涅耳区的动点P1，P2，P3…的电波射线TP1R，TP2R，TP3R…依次相位差λ/2(相差1800)。这样各相邻菲涅耳区在R处产生的电波场强相位差为1800，也就是说，第2菲涅耳区在R点产生的场强与第1菲涅耳区反相，第1菲涅耳区在R点产生的场强与第3菲涅耳区相同。•再看各菲涅耳区在R处产生的场强是多少呢？由式（6.4）可知，即第1菲涅耳区面积πF21，第2菲涅耳区面积为292222221111πππ(2)ππFFFFF6.2.1地面对微波传播的影响•第3菲涅耳区面积为:•可见各菲涅耳区的面积相等，发射的电磁波通过各菲涅尔区向外传播的能量及场强亦应相等，那么各菲涅耳区在R处产生场强应该是多少呢？虽然各菲涅耳区面积相等，但它离R处的距离不等，第1菲涅耳区离R处最近，在R处产生的电场场强E1