微波传播

第3章1微波通信郑玉峰第3章2第三章微波传播微波在自由空间的传播微波传播的描述方法地形对电波传输的影响大气对微波传播的影响大气与地面效应造成的衰落特性抗衰落技术第3章33.1电波在自由空间的传播无线电波的传播途径：（1）地波传播（2）电离层传播（3）地面、低空视距传播（4）散射传播（5）外球层传播第3章4无线电频谱表第3章5（1）地波传播：地波传播是指电磁波沿地球表面绕射传播。当天线很低时，电磁波距地面很近，又加之天线很长，很容易被地面吸收导致迅速衰减。这种衰减与地面的性质（导电系数的大小）、电磁波的极化方式和频率有关。因此长波一般用于地波传播。它的频率一般规定为30KHz--300KHz,这个频率称为长波。中波的频率是500--1600KHz，也是地波传播，我国用于调幅广播。第3章6（2）空间传播（地面、低空视距传播）：也就是直发射天线和接收天线必须在视距范围内，这时电波为直射波，或由直射波和地面反射波组成的相干传播（因此接收点的场强为二者之和）。这种传播方式用于超短波和微波通信。频率在30MHz以上的调频广播和电视信号发射都是空间波传播。超短波通信从理论上讲，只能在视距范围内进行。第3章7（3）电离层传播（天波传播）：由于太阳和各种宇宙射线的辐射，引起空气分子的电离，而形成了电离层。电离层分三层。D层（距地面高度70--90Km）、E层（100--120Km）、F1层（160--180Km）、F2层（200-900Km），中波和短波都能借助电离层的反射传播到较远的距离，最常用于短波通信。短波频率为（3MHz--30MHz,有些地方定义为1.5MHz--30MHz）。有静音区。第3章8（4）散射传播：由于大气温度、压力、湿度和电子密度等的不均匀性，使大气介电系数随高度而改变。散射波可在对流层或电离层发生，也可在流星的余迹上发生。第3章9（5）外球层传播（外空间传播）：离开地面900--1200Km的高度称为外球层，1200Km以上就进入星际空间。星际空间的通信可视为自由空间通信。在地面上，在某一个截止频率以上的频率（一般为10MHz，太阳活动剧烈时可至100MHz,极地夜间频率可降至2MHz）可以利用外球层进行宇宙通信。卫星通信就是这种传播方式。第3章103.1.2微波是一种电磁波微波是一种电磁波,由随时间变化的电场和磁场组成，这两者相互依存、相互转化。电磁波的电场、磁场和电磁能流之间有如下的基本关系：电场、磁场、能量流方向相互垂直，符合右手螺旋准则，S=E×H（坡印亭矢量）第3章11电场强度和磁场强度的大小的比值是一个固定值，该值称为媒质的特性阻抗或波阻抗，记为对真空媒质，为377欧姆。为媒体的导磁率，为媒质的介电常数。ttcHEZ第3章12电磁能流密度的大小为电磁波具有一定的极化形式，指的是电磁波的电场矢量在空间的取向。电磁波的极化分为三种形式：水平极化、圆极化、椭圆极化。水平极化和圆极化可以看作椭圆极化的特殊形式。22121EZHEScav第3章13电磁波是天线向空间辐射所产生的，辐射后形成辐射场，辐射场的电场强度和磁场强度的振幅随离开天线的距离r的增加而按1/r的因子减小，辐射场的等相位面是以距离r为半径的球面。第3章143.1.3自由空间的传播损耗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。自由空间是满足下述条件的一种理想空间：1.均匀无损耗的无限大空间；2.各项同性；3.电导率为零。第3章15电波经天线辐射后，其能量向周围空间扩散，到达接收天线的仅是发射功率的一小部分。d为收发天线间的距离。距离越远，接收天线收到的能量越小，这就是电波在自由空间传播过程的衰减，即自由空间的传播损耗Ls。ABdPtPretrAdPP24第3章16自由空间传播损耗Ls是传播损耗中最基本的损耗，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了。工作距离越远，球面积越大，接收点截获的功率越小，即传播损耗加大。电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播。第3章17关于天线的几个概念天线的口径面积Ap：天线物理口径的面积；天线的有效面积Ae：表征接收天线接收空间电磁波能力的基本参数；天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之比天线的口径效率：为天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之比；Ae/Ap第3章18天线的增益G：天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（一般为点源，有时指偶极子）在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。第3章19对无方向性的全向天线，其有效面积，λ为所传电波的波长B点的无方向性天线收到的功率为4A2e2te2tr)d4(PAd4PPABdPtPr第3章20自由空间的衰减系数取对数为当d的单位为km，f的单位为GHz，c为自由空间的速度即3╳105km/s时，22rts)cdf4()d4(PPL)cdf4(20lgPP10lgLrts20lgf20lgd4.92Ls第3章21例3-1设某两个微波站的距离为60km，频率为4GHz，计算自由空间的传播衰减。dB14012.0436.5692.420lg420lg604.9220lgf20lgd4.92Ls解：代入上式，可得dB14012.0436.5692.420lg420lg604.9220lgf20lgd4.92Ls解：代入上式，可得第3章22自由空间传播条件下收信电平的计算某天线的三维波瓣图用于微波通信的天线，一般都不是向周围空间均匀辐射的全向天线，而是有很强的方向性。第3章23发射天线的增益Gt，通过主射束方向的单位面积功率为接收天线的增益Gr，接受天线的有效面积接收天线的输出功率为分贝表示为2ttd4GPr2eG4Asrtt2rtte2ttreLGGP)d4(GGPAd4GPP(dBm)LGG)dBm(PPsrttre第3章24实际通信系统中，除传播损耗与天线的增益外，馈线、收发分路器均有损耗。收发两端的馈线系统损耗分别表示为Lfr、Lft，收发两端的分路系统损耗分别为Lbr、Lbt。则在自由空间条件下最后接收机的收信功率电平为(dBm)LLLLLGG)dBm(PPbtbrtffrsrttre第3章25例3-2有一微波收通信机，发射机的功率为Pt=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km，收发天线的增益Gr=Gt=39dB，收发馈线系统的损耗为Lfr=Lft=2dB，收发两端分路器损耗为1dB。求在自由空间条件下，接收机的输入电平和输入功率是多少？解：由已知条件，在自由空间的传播损耗为Ls=92.4+20lgd+20lgf=92.4+20lg45+20lg3.8=92.4+33.06+11.6≈137dB第3章26发送信号的电平Pt=10lg1000=30dBm接收机的输入电平接收机的输入功率为dBm351-1-2-2-137-393930LLLLLGG)dBm(PPbtbrtffrsrttreW32.01010P5.31035r第3章273.2微波传播的描述方法惠更斯-菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）微波是一种电磁波，它是以波动的形式传播的。既然是波动传播，当其在传播路径上移动时，必然需要一定的空间。波动是物质运动的一种形式。它可看成空间各点直接或间接受波源影响的强迫振动的集体表现，是相互干涉的结果。第3章28抵消增强Pd1d2干涉强弱决定于d1-d2=mλ/2AB当m为偶数时增强；当m为奇倍时减弱。入射面地面入射面地面EEZZEYEXZXYXYEYEXZ圆极化波、椭圆极化波水平线极化波垂直线极化波电波的干涉原因：波程差决定相位差。同相合成相互加强，反相合成减弱第3章29惠更斯——菲涅耳原理光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次...波前面也是球面波。备注：在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将发射天线看成是一个点源。第3章30ABa1aa3a4a5a6a7a8a9a10a11a122b1b2b3b4b5b6b7b8b9b10b11b12波源ssEEHHHS0惠更斯原理二次波源示意图示意图惠更斯—菲涅耳原理惠更斯认为：在波的传播过程中，波面上的每一个点都可以看成是一个能进行二次辐射的球面波波源，而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波面的包络面。第3章31菲涅耳对这个原理进行了扩展。他认为在波的传动过程中，空间上任一点的辐射场，是包围波源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的结果。也就是说，在空间某点的振动，是由某个包围波源的封闭曲面上的二次波源在该点的振动的相互叠加。第3章32这样，如果我们求波源Q产生的场在P点的场强，可用Q产生的在封闭曲面上的二次波源，通过面积分叠加，来求得P点场强。但这样的计算很复杂。但有一个近似算法，可使问题简化。PQS0nργrjkeA)s(ErejEjkrpdscosreAjE0S)rjk(p第3章33菲涅耳椭球面假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d，平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。对于电波传播，这个常数当为d+λ/2时，得到的椭球面称为第一菲涅耳椭球面；常数为d+2λ/2时，得到的椭球面称为第二菲涅耳椭球面......常数为d+Nλ/2时，得到的椭球面称为第N菲涅耳椭球面.第3章34d1d2dd1+d2-d=/2第一菲涅耳椭球面:菲涅耳椭球面第3章35TR无限大平面s1s2s3sns1s2s3sn无限大平面任意费涅尔区的划分示意图d1d2oF1F2F3FN菲涅耳区定义第3章36如果前述定义的一系列菲涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一菲涅耳区。其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个菲涅耳区，再往外的圆环称为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区......第N菲涅耳区。这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的平面区域图形。菲涅耳区定义第3章37直射线第一菲涅耳区+第二菲涅耳区-第三菲涅耳区+菲涅耳区定义微波能量在直射线周围的空间中分布传播不同菲涅尔区的场强对总场强的贡献不同第3章38经有关研究知道：在电波的传播空间中，由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅区在接收点的自由空间场强的2倍;相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反；若以第一菲涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。在接收点接收到的是各个菲涅耳区的合成场强，当菲涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；非涅耳区的能量分布:第3章39菲涅耳半径TheFresnelRadius:我们把菲涅区边界上的任意一点到R-T连线的距离称为菲涅耳区半径，用F表示。当这一点为第一菲涅耳区边界上的点时，此半径称为第一菲涅耳区半径F1。当这一点为第二菲涅耳区边界上的点时，此半径称为第二菲涅耳区半径F2。...第N个菲涅耳区半径表达式：Fn=(n)1/2F1上式中：F1为第一菲涅耳半径。第3章40第一菲涅耳半径的计算TRF1Pd1d2第一费涅耳区半径图1d121221112122122122112112121122222dFdFdrddddFdFdrdFdFd11rdddF/211第3章41