微波电路设计基础

一、基础1、数字微波应用微波是无线电波的一种。在我国无线电广播按波长分为：长波(LW)波长在介于1000～2000米，中波(MW)波长在介于200-600米、短波(SW）波长在介于10～100米。CDMA800工作波长（35.93~36.36、34.09~34.48）米。在我国分配微波频率为：频率（GHz)1.52467811131518波长（cm)20157.554.293.752.732.3121.67微波通信的特点：视距传输；电波在传播过程中遇到尺寸和工作波长相近的障碍物时，会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。微波通信建设快、投资小、应用灵活；传输质量可靠，抗干扰能力强。至今与光缆通信和卫星通信并列为现代通信传输的三大支柱，在中等容量的网络中，微波传输是一种最灵活、适应性最强的通信手段。在移动网络中的应用：在移动接入网络中，随着网络不断扩容和无缝覆盖的需求，新建了大量移动基站，如城区的“楼宇室内覆盖”，边远地区的“边际网覆盖”，沿海地区“海岛移动覆盖”。但由于市政建设限制（如架空线难、开挖路面铺管道难），在自然环境很恶劣的山区和海洋，光缆建设非常困难、造价太高，造成大量光纤死角，部分基站的接入必须采用无线方式解决，产生了大量无线传输需求。如沿海城市大连，拥有诸多的岛屿，岛屿上的移动通信成为大连移动提高移动网络覆盖率的重要任务。大连采用SDH微波作为各海岛移动基站的中继链路，并通过与光传输系统的连接，组成完整的传输网络。SDH微波链路干线全长162.28公里，支线全长66.68公里，最长站距34.80公里，最短站距6.89公里，平均站距19.08公里，且全部为跨海电路（跨海微波链路的设计，由于海面环境和气候情况复杂，通常是所有微波应用中难度最大）。使用微波设备不仅可以缓解传输网络资源不足的压力。而且提高了整个网络工程进度，降低了整个网络投资。在移动核心网络中，微波设备可提供高达2.5Gbps的传输容量，用来与光纤混合组网,作为城域光环和重要链路的备份。在3G网络中，Node-B对传输容量要求已经远远的大于2G网络中BTS对传输容量的要求，Node-B上已经不再只有E1接口,而是可以提供STM-1接口和IP接口的基站。因此，带来移动基站传输接入网络的升级和扩容需求。当今，数字微波设备在统一平台上同时可以传输TMD和IP业务，容量可以从E1～STM-1，同时满足2G、3G以及2G/3G共站传输的需求。在移动应急通信或临时通信中，如移动应急通信车等。2、自由空间的电波传播2.1、自由空间传播损耗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，也就是说，总能量并没有被损耗掉。LT-R=20lg(4πLKm/λ)=32.45+20lgfMHz+20lgLkm=92.45+20lgfGHZ+20lgLkm上式中：LT→R------T和R间的直接视通的自由空间衰减（单位为dB）。Lkm-------T和R间的距离。（单位为Km）λ------传播电波的波长（单位为米）。fMHz,fGHZ-------传播电波的频率，单位分别为MHZ、和GHZ设发信功率Pt=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km，收发天线增益Gt＝Gr＝39dB，收发两端馈线系统损耗Lft＝Lfr＝2dB，收发两端分路系统损耗Lbt＝Lbr＝1dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。解：Pt=10lg1000mW＝30dBm在自由空间传播条件下，自由空间传播损耗：Ls（dB）=92.45.4+20lg45+20lg3.8≈137dB137.1099Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）－（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls=30+(39+39)-(2+2)-(1+1)-137=-35dBmPr(mW)=10-35/10=0.00032mW=0.32μW0.000322.2、费涅耳区半径惠更斯原理：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，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。根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，分析这种变化引入费涅耳区的概念。由图可见r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差Δr=nλ/2。显然当Δr是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；而Δr为半波长的偶数倍长时，反射波在R点的作用是相互抵消的，此时R点的场强最弱。我们就把这些n相同的点组成的面称为费涅耳区,费涅耳区就是以收发点为焦点的一系列椭球面所包围的空间。费涅耳区上一点P到收发点连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用Fn表示。dddnFn212.2.1、第一费涅耳区半径当n=1时，F1称为第一费涅耳区半径。dddF211式中：F1------第一费涅耳区半径，m；λ------工作波长，m；d------收发天线之间的距离为，Km;d1、d2------分别为障碍点与收发天线之间的距离，Km；2.2.2、最小费涅耳区半径理论证明，在相当于第1费涅尔区面积1/3的圆孔就能获得自由空间传播。F0代表该圆孔的半径，称为最小费涅尔区半径。1210313FdddFfddd10210.186967式中：Fo------称为最小费涅尔区半径，m；λ------工作波长，m；f------工作频率，GHz；d------收发天线之间的距离为，Km;d1、d2------分别为障碍点与收发天线之间的距离，Km；第一费涅尔半径F1和最小费涅尔半径F0是微波通路勘测中两个重要的物理参量,F0被称为障碍物禁区。显然，当波长λ和距离d一定时，F0与d1、d2的位置有关，且中点（d1=d2）处的F0最大。3、余隙3.1、余隙传播余隙是指在微波传播路径的剖面图上，收发两点的连线与最高障碍物顶点之间的距离。如下图所示，hc即为余隙。从图中几何关系可知，收发两点的连线在障碍点的高度h为：h＝dHhdHhd)()(112221考虑地球凸起he后，余隙hc等于：ch3112221)()(HhedHhdHhd3211122212)()(HadddHhdHhd式中：a----为地球半径，单位为米。H3—为微波中继剖面中，障碍点顶端的海拔标高；4、大气折射4.1、大气折射从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层。对流层集中了整个大气质量的四分之三。对流层的大气压力、温度及湿度都随离开地面的高度而变化、是不均匀的，会使电波产生折射。由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。折射率梯度dhdn折射率梯度表示折射率随高度的变化率。折射率梯度不同，对流层中电波传播路径有如下三种类型：1、零折射：折射率dhdn＝0，对流层大气为均匀大气，电波射线为直线，射线的曲率半径为∞；2、负折射：折射率dhdn＞0，折射率随高度增加而增加，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，电波传播的轨迹向上弯曲与地面的弯曲反向，称为负折射；以上两种情况很少发生。3、正折射：折射率dhdn＜0，折射率随高度增加而减小，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，电波传播的轨迹向下弯曲与地面的弯曲同向，称为正折射。正折射中又可根据特殊的折射率dhdn分成三种特殊的折射：（1）标准大气折射：在正常标准大气下的折射；（2）临界折射：电波射线的曲率半径刚好等于地球的半径，水平发射的电波射线将与地球同步弯曲，形成一种临界状态；（3）超折射：电波射线的曲率半径小于地球曲率的为超折射,有逆温层（气温随高度增加）或水汽随高度急剧减小时，可以形成超折射。此时电波从上层折回，再被下层反射，似在波导内传播一样，产生这种现象的空气层称为大气波导。大气波导可在一个薄层内使电磁能向远方传播,这个薄层在对流层中可以是贴地面的,也可以是悬空的。临界折射和超折射可使电波传播距离远远超过视距，特别是海上的大气波导，这也是有时能收到远地的超短波信号的主要原因。正折射标准折射临界折射超折射零折射负折射4.2、等效地球半径由上所述，由于大气的折射作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是按曲线传播的，但为了链路附加衰落因子计算方便，仍假设电波射线按直线传播，而认为地球半径有了变化，即由实际半径变为等效半径。定义等效地球半径因子K为：aaKe＝dhdna11式中：ae等效地球半径；a实际地球半径；由上式可见：负折射，折射率dhdn＞0、K＜1，等效地球半径ae减小；正折射，折射率dhdn＜0、K＞1，等效地球半径ae增大；4.3、等效地球凸起高度不考虑地球折射时，地球凸起高度he=add221,考虑大气的折射作用后，等效地球凸起高度he：he=aKdd221式中：d1------记录点到起始点的距离,(Km)；d2------记录点到终点距离，(Km)；he等效地面突起的高度------由于大气折射而产生的等效地面突起的高度（m）。K----为等效地球半径系数；正常传输剖面图K=4/3，最坏气象传输剖面图KMIN=2/3；a----为地球半径；一般取a=6370km。4.4、余隙计算前面没有考虑大气折射时电波传播余隙hc等于：ch3112221)()(HhedHhdHhd3211122212)()(HadddHhdHhd考虑大气的折射作用后，等效地球凸起高度he有了变化，所以余隙hc也发生了变化：ch3211122212)()(HakdddHhdHhd式中：hc—为中继剖面中，发收两点间射线中心线在障碍点上方的传播余隙；单位为米。H1——为中继剖面中，发端天线地面的海拔高度；单位为米。h1---发端天线中心对地面的挂高；单位为米。H2——为中继剖面中，收端天线地面的海拔高度；单位为米。h2---收端天线中心对地面的挂高；单位为米。d1——为中继剖面中，发端天线至障碍点的水平距离；单位为米。d2——为中继剖面中，收端天线R至障碍点的水平距离；单位为米。d—收发天线之间的距离d=d1+d2.a----为地球等效半径，单位为米。k----为地球等效半径系数，正常传输剖面图K=4/3，最坏气象传输剖面图KMIN=2/3H3—为微波中继剖面中，障碍点顶端的海拔标高；一般在图中无树木的地方要考虑另加3米灌木杂草高度的余量；有树时也要根据出图日期，考虑一定的生长余量；单位为米。从上式可见：等效地球半径系数K＞1正折射，等效地球半径变大，等效地面突起高度he减小，等效的余隙增大；K＜1负折射，等效地球半径变小，等效地面突起高度he增大，等效的余隙hc减小；5、大气造成的衰落5.1、大气造成的衰落微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，我们把这种现象称为衰落。衰落的大小与气候条件，站距的长短有关。衰落的时间长短不一，程度不一。有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落；有的衰落持续时间很长，几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。而接收电平高于自由空间的传播的电平时，则称为上衰落。显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。从大气对电波的衰减的物理因素来看，有几种类型：1、吸收衰落大气中的云、雾、雨等小水滴对电波能量的热吸收以及水分子、氧分子对电波能量的谐振吸收，导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗；云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收与小水滴的密度有关，例如大雨比小雨对电波的吸收要大。谐振