天线与电波传播课件(第六章)电波传播概论

《天线与电波传播》8/13/20201Dept.PEEHefeiNormalUniversity张忠祥8/13/20202Dept.PEEHefeiNormalUniversity教材：《天线与电波传播》王增和卢春兰钱祖平等编著机械工业出版社参考书：《天线原理》2003年7月第一版主编：江贤祚出版社：北京航空航天大学出版社《Antennas:ForAllApplications》1993年第一版主编：JohnD.Kraus出版社：theMcGraw-HillCompanies出版时间：2002《天线》编著：[美]JohnD.KrausRonaldJ.Marhefka出版社：电子工业出版社2004年4月第一版《RadioPropagationforModernWirelessSystems》编著：[美]JohnD.Kraus出版社：电子工业出版社RonaldJ.Marhefka2002年8月第一版天线与电波传播8/13/2020Dept.PEEHefeiNormalUniversity3第1章天线基础知识第2章窄带天线第3章宽带天线第4章口径天线第5章天线新技术第6章电波传播概论8/13/20204Dept.PEEHefeiNormalUniversity6.1基础知识段号频段名称频段（含上不下限）波段名称波长（含上不含下）1极低频(ELF)3～30赫（Hz）极长波100～10兆米2超低频(SLF)30～300赫（Hz）超长波10～1兆米3特低频(ULF)300～3000赫（Hz）特长波100～10万米4甚低频（VLF）3～30千赫（KHz）甚长波10～1万米5低频（LF）30～300千赫（KHz）长波10～1千米6中频（MF）300～3000千赫中波10～1百米7高频（HF）3～30兆赫（MHz）短波100～10米8甚高频（VHF）30～300兆赫（MHz）超短波10～1米9特高频（UHF）300～3000兆赫（MHz）分米波微波10～1分米10超高频（SHF）3～30吉赫（GHz）厘米波10～1厘米11极高频（EHF）30～300吉赫（GHz）毫米波10～1毫米12至高频300～3000吉赫（GHz）丝米波10～1丝米8/13/20205Dept.PEEHefeiNormalUniversity微波波段的划分波段代号标称波长（cm）频率范围（GHz）波长范围（cm）L221-230-15S102-415-7.5C54-87.5-3.75X38-123.75-2.5Ku212-182.5-1.67K1.2518-271.67-1.11Ka0.827-401.11-0.75U0.640-600.75-0.5V0.460-800.5-0.375W0.380-1000.375-0.3频段信道模式典型应用传播特性超低频ULF地下与海水传播；地-电离层谐振；地磁力线的哨声传播。地质结构探测；电离层与磁层研究；对潜通信；地震电磁辐射前兆检测。传播主区大，难以获得高的检测精度。极低频ELF地下与海水传播；地-电离层波导、地-电离层谐振；沿地磁力线的哨声传播。对潜通信，地下通信；极稳定的全球通信；地下遥感，电离层与磁层研究。在3KHz左右频段为TM波导模的截止频段，不利于远距离传播，而TE模激励效率低。电磁波波段的应用8/13/20206Dept.PEEHefeiNormalUniversity甚低频VLF地下与海水传播；地-电离层波导；沿地磁力线的哨声传播。Omega(美)、α(俄)超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。10kHz电波在海水中的衰减约为3dB/m，大深度通信导航受限；远程传播只适于垂直极化波；中近距离存在多模干涉。低频LF地表面波；天波；地-电离层波导。Loran-C(美)及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统；时频标准传递；远程通信广播。采用载频为100kHz的脉冲可区分天地波，高精度导航主要使用稳定性好的地波，传播距离：陆地1000km，海上2000km以内。中频MF地表面波；天波。广播，通信，导航。近距离和较低频率主要为地波；远距离和较高频率为天波，夜间天波较强，甚至在较近距离可能成为地波的干扰。电磁波波段的应用8/13/20207Dept.PEEHefeiNormalUniversity高频HF地表面波；天波；电离层波导传播；散射波。远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。主要天波传播，近距离上用地波。最高可用频率随太阳黑子周期、季节昼夜及纬度变化。甚高频VHF直接波、地面和对流层的反射波；对流层折射及超折射波导；散射波。语音广播，移动通信，接力通信，航空导航信标。对流层、电离层的不均匀性导致多径效应和超视距异常传播，地空路径的法拉第效应与电离层的闪烁效应。地面反射引起多径及山地遮蔽效应。分米波UHF直接波、地面和对流层的反射波；对流层折射及超折射波导；散射波。电视广播，飞机导航，警戒雷达；卫星导航；卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电。大气折射效应，山地遮蔽与建筑物聚焦效应，超折射波导将引起异常传播。电磁波波段的应用8/13/20208Dept.PEEHefeiNormalUniversity厘米波SHF直接波、地面和对流层的反射波；对流层折射及超折射波导；散射波。多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。雨雪吸收、散射及折射指数起伏导致的闪烁。建筑物的散射与反射及绕射传播。山地遮蔽。毫米波EHF直接波。短路径通信，雷达，卫星遥感。雨雪衰减和散射严重，云雾尘埃、大气吸收，折射起伏引起闪烁以及建筑物等的遮蔽。亚毫米波直接波。短路径通信。大气及雨雪、烟雾、尘埃等吸收严重；大树及数米高的物体产生遮蔽效应。电磁波波段的应用8/13/20209Dept.PEEHefeiNormalUniversity8/13/202010Dept.PEEHefeiNormalUniversity电波的传播在电波传播过程中，可能受到反射、折射、绕射、散射和吸收等传播影响，由于这些作用可能导致信号畸变。为了确定无线电电子系统的频率、功率、增益、灵敏度、信噪比等对无线电电子系统（通信雷达、制导等）的总体设计提供依据，必须对电波传播特性进行研究。其主要任务研究各种媒质中电波传播规律。8/13/202011Dept.PEEHefeiNormalUniversity研究内容(1)传播媒质的特性研究：地壳、对流层、电离层、磁层等的特性。(前沿的研究：人为改变传播媒质特性)(2)媒质电特性对电波传播的影响：由于媒质电特性的时变性、随机性、非均匀性、各向异性、色散性、有耗性等引起电波信号衰减、畸变、干扰等使信噪比下降，传播速度及传播方向改变使定位、测距产生误差等等。更重要的是起伏、随机特性。(3)不断完善现有几种传播方式的传播机制，各种传输方式传输特性的研究，提高接收电场强比如对流层、流星余迹散射等研究。8/13/202012Dept.PEEHefeiNormalUniversity研究内容(4)开拓新频段：低到几十赫兹，高到几百吉赫兹，开发毫米波段应用研究。(5)开发电波应用领域：军用（通信雷达，制导等）民用（遥感、测控、导航等等）等其他领域。(6)研究电磁兼容、抗干扰等相关课题的研究。8/13/202013Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式1、地波传播：信号延地面传播、信号稳定、吸收小，适用于甚长波、长波、中波(一般2MHz)，主要用于广播、授时等。通常适宜采用垂直极化天线发射信号！8/13/202014Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式2、天波传播：主要通过电离层反射进行传播，主要用于短波通信及长中波广播(一般2MHz－30MHz)。8/13/202015Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式3、视距传播：又称自由空间传播，电磁波按直线传播，收发天线在“视距”范围内，主要用于微波中继通信蜂窝通信、电视、雷达、卫星通信与广播(一般30MHz)。不被电离层反射8/13/202016Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式注：微波中继通信视距通信中天线一般为抛物面天线8/13/202017Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式4、散射通信：利用对流层、电离层、流星余迹等不均匀体对电磁波的散射来实现“超视距传播”，用于超短波（米波）和微波的远距离通信。8/13/202018Dept.PEEHefeiNormalUniversity主要传播方式5、地-电离层波导传播：电波在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内的传播。长波，超长波或极长波利用这种传播方式能以较小的衰减进行远距离通信。天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为PΣ瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为：S0=功率流密度又可以表示为：)/(422mwrp6.1.1自由空间电波传播8/13/202019Dept.PEEHefeiNormalUniversity2001Re()2240EsEHn由此,离天线为r处的电场强度E0值为060PEr又假设发射天线是一实际天线,其辐射功率仍为PΣ,设它的输入功率为Pi,若以Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天线r处的最大辐射方向上的场强为060iiPGEr8/13/202020Dept.PEEHefeiNormalUniversity自由空间电波传播如果接收天线的增益系数为GR,有效接收面积为Ae,则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率为44220RiieRGrGpASp将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗:241ibfRiRPrLpGG8/13/202021Dept.PEEHefeiNormalUniversity自由空间电波传播由上式可见:若不考虑天线的因素,则自由空间中的传输损耗,是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩散而引起的,它反映了球面波的扩散损耗。8/13/202022Dept.PEEHefeiNormalUniversity将上式取对数得RibfppLlg1032.4520lg()20lg()()()iRfMHzrkmGdBGdB自由空间电波传播(1)传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下,设接收点的实际场强E、功率PR′，而自由空间的场强为E0、功率为PR，则信道的衰减因子A为6.1.2传输媒质对电波传播的影响8/13/202023Dept.PEEHefeiNormalUniversityRRPpEEdBAlg10lg20)(0则传输损耗Lb为)(lg10lg10lg10dBALpPpPpPLbfRRRiRib若不考虑天线的影响,即令Gi=GR=1,则实际的传输损耗为)()(lg20)(lg2045.32dBAkmrMHzfLb式中,前三项为自由空间损耗Lbf；A为实际媒质的损耗。不同的传播方式、传播媒质,信道的传输损耗不同。传输损耗8/13/202024Dept.PEEHefeiNormalUniversity(2)衰落现象衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。根据引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号的衰落。由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,如图6-1(a)所示。慢衰落通常是指信号