第7章電波傳播概論7.1基本概念和公式

7.2基本要求

7.1基本概念和公式

7.1.1電波傳播的基本概念

1.電波傳播的方式

根據(jù)媒質(zhì)及不同媒質(zhì)分界面對電波傳播產(chǎn)生的主要影響,可將電波傳播方式分為視距傳播、天波傳播、地面波傳播、不均勻媒質(zhì)傳播等。

2.自由空間的基本傳輸損耗

收發(fā)天線相距r,載波頻率為f,輸入到發(fā)射天線的功率為Pi,從接收天線接收的功率為PR,則輸入功率Pi與接收功率PR之比定義為自由空間的基本傳輸損耗,其表達式為

式中,Gi和GR分別為發(fā)射天線和接收天線的增益系數(shù)。

3.傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響

1)傳輸損耗(信道損耗)若不考慮天線的影響,則實際的傳輸損耗為

式中,前三項為自由空間損耗Lbf;A為實際媒質(zhì)的損耗?？梢姴煌膫鞑シ绞?、傳播媒質(zhì),其信道的傳輸損耗也不同。

2)衰落現(xiàn)象

所謂衰落,一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。根據(jù)引起衰落的原因分類,大致可分為:吸收型衰落和干涉型衰落。

(1)吸收型衰落

由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化,使得信號在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化,如大氣中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對電波有吸收作用。由于氣象的隨機性,因而這種吸收的強弱也有起伏,所形成的信號衰落,稱為吸收型衰落。由這種機理引起信號電平的變化較慢,所以稱為慢衰落,它通常是指信號電平的中值(五分鐘中值、小時中值、月中值等)在較長時間間隔內(nèi)的起伏變化,如圖71(a)所示。

(2)干涉型衰落

由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的信號幅度和相位的隨機起伏稱為干涉型衰落。這種起伏的周期很短,信號電平變化很快,故稱為快衰落,如圖71(b)所示。圖71信號的衰落

3)傳輸失真

無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外,還會產(chǎn)生振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個:一是媒質(zhì)的色散效應(yīng),二是隨機多徑傳輸效應(yīng)。

(1)色散效應(yīng)

色散效應(yīng)是由于不同頻率的無線電波在媒質(zhì)中的傳播速度有差別而引起的信號失真。

(2)多徑傳輸效應(yīng)

無線電波在傳播時通過兩個以上不同長度的路徑到達接收點,如圖72(a)所示,接收天線收到的信號是幾個不同路徑傳來的電場強度之和。設(shè)接收點的場是兩條路徑傳來的相位差為φ=ωτ的兩個電場的矢量和。最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延τ。對所傳輸信號中的每個頻率成分,相同的τ值卻引起了不同的相差。例如,對f1,若φ1=ω1τ=π,則因二矢量反相抵消,此分量的合成場強呈現(xiàn)最小值;而對f2,若φ2=ω2τ=2π,則因二矢量同相相加,此分量的合成場強呈現(xiàn)最大值,如圖72(b)所示,其余各成分依次類推。顯然,若信號帶寬過大,就會引起較明顯的失真。這種現(xiàn)象稱之為頻率選擇性衰落。圖72多徑傳輸效應(yīng)

(3)相關(guān)帶寬

最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延τ。一般情況下,信號帶寬不能超過1/τ。若信號帶寬過大,就會引起較明顯的失真。定義相關(guān)帶寬為

4)電波傳播方向的變化

當電波在無限大的均勻、線性媒質(zhì)內(nèi)傳播時,它是沿直線傳播的。然而,在不同媒質(zhì)分界處將使電波產(chǎn)生折射、反射;媒質(zhì)中的不均勻體(如對流層中的湍流團)將使電波產(chǎn)生散射;球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射;特別是某些傳輸媒質(zhì)的時變性將使射線軌跡隨機變化,從而使到達接收天線處的射線入射角隨機起伏,導致接收信號產(chǎn)生嚴重的衰落。

7.1.2視距傳播

1.視距傳播的定義

視距傳播是指發(fā)射天線和接收天線處于相互“能看見”的視線距離內(nèi)的傳播方式,如圖73所示。它是超短波和微波波段主要的電波傳播方式。圖73視線距離

3.大氣對電波的衰減

大氣對電波的衰減主要來自兩個方面:

①云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收及水分子、氧分子對電波的諧振吸收,熱吸收與小水滴的濃度有關(guān),諧振吸收與工作波長有關(guān)。

②云、霧、雨等小水滴對電波的散射,散射衰減與小水滴半徑的6次方成正比,與波長的4次方成反比。

4.場分析

1)場的表達式在視距傳播中,除了自發(fā)射天線直接到達接收天線的直射波外,還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達接收天線的反射波,如圖74所示,因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。圖74直射波與反射

設(shè)h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,d為收、發(fā)天線間距,接收點的場強為

式中,f(θ)為天線方向函數(shù)。

對于視距通信電路來說,電波的射線仰角是很小的(通常小于1°),所以

2)討論

①當工作波長和收、發(fā)天線間距不變時,接收點場強隨天線高度h1和h2的變化在零值與最大值之間波動,如圖75所示。

②當工作波長λ和兩天線高度h1

、h2都不變時,接收點場強隨兩天線間距的增大而呈波動狀態(tài)變化,間距減小,最大值與最小值的間隔變小,如圖76所示。

③當兩天線高度h1、h2和間距d不變時,接收點場強隨工作波長λ呈波動狀態(tài)變化,如圖77所示。圖75接收點場強隨天線高度變化曲線圖76接收點場強隨間距d變化曲線圖77接收點場強隨工作波長λ(m)的變化曲線

5.結(jié)論

在微波視距通信設(shè)計中,為使接收點場強穩(wěn)定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路徑的設(shè)計和選擇時,要盡可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波場強削弱或改變反射波的傳播方向,使其不能到達接收點,以保證接收點場強穩(wěn)定。

7.1.3天波傳播

1.天波傳播的定義

天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波,在高空被電離層反射后到達接收點的傳播方式。有時也稱為電離層電波傳播,主要用于中波和短波波段。

2.電離層概況

①電離層主要是由于太陽的紫外輻射使高空電子電離形成的。

②電離層是地球高空大氣層的一部分,從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。

③按電子密度隨高度的變化將電離層相應(yīng)地分為D、E、F1、F2四層,每一個區(qū)域都有一個電子濃度的最大值,如圖78所示。

④電離層電子密度與日照密切相關(guān):白天大,晚間小,而且晚間D層消失。

⑤電離層電子密度又隨四季發(fā)生變化。除此之外,太陽的騷動與黑子活動也對電離層電子密度產(chǎn)生很大的影響。圖78電離層電子密度的高度分布

3.無線電波在電離層中的傳播

1)電波頻率f(Hz)與入射角θ0和電子密度的關(guān)系

當電波入射到空氣—電離層界面時,由于電離層折射率小于空氣折射率,折射角大于入射角,此時射線要向下偏折。當電波進入電離層后,由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小,因此各薄片層的折射率依次變小,電波將連續(xù)下折,直至到達某一高度處電波開始折回地面,如圖79所示?？梢?電離層對電波的“反射”實質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。圖79電離層對電波的連續(xù)折射

設(shè)電波在第i層處到達最高點,然后即開始折回地面,電波頻率f與入射角θ0和電波折回處的電子密度Ni(電子數(shù)/立方米)三者之間的關(guān)系為

2)結(jié)論

(1)最高可用頻率當電波以θ0角度入射時,電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為

式中,Nmax為電離層的最大電子密度。也就是說,當電波入射角θ0一定時,頻率越高,電波反射后所到達的距離越遠;當電波工作頻率高于fmax時,由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度,因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層,如圖710所示,這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。圖710θ0一定、頻率不同時的射線

(2)天波靜區(qū)

頻率為f的電波被電離層“反射”回來的最小入射角為

由于入射角θ0<θ0min的電波不能被電離層“反射”回來,因此使得以發(fā)射天線為中心的一定半徑的區(qū)域內(nèi)就不可能有天波到達,這就形成了天波的靜區(qū)。

當電波頻率一定,射線對電離層的入射角θ0較小時,電波需要到達電子濃度較高處才能被反射回來,此時通信距離較近,如圖711的曲線1、2所示;但當θ0繼續(xù)減小時,通信距離變遠,如圖711中的曲線3所示;當入射角θ0<θ0min時,則電波能被電離層“反射”回來所需的電子密度超出實際存在的Nmax值,于是電波穿出電離層,如圖711中的曲線4所示。圖711頻率一定時通信距離與入射角的關(guān)系

(3)多徑效應(yīng)

天線射向電離層的是一束電波射線,各根射線的入射角稍有不同,它們在不同的高度上被“反射”回來,因而有多條路徑到達接收點,這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。多徑傳輸引起的接收點場強的起伏變化稱為多徑效應(yīng),如圖712所示。圖712多徑效應(yīng)

(4)最佳工作頻率fopt

為了減小電離層對電波的吸收,天波傳播應(yīng)盡可能采用較高的工作頻率。然而當工作頻率過高時,電波需到達電子密度很大的地方才能被“反射”回來,這就大大增長了電波在電離層中的傳播距離,隨之也增大了電離層對電波的衰減。通常取最佳工作頻率為

4.天波通信的特點

①選擇頻率是個很重要的問題,頻率太高,電波穿透電離層射向太空;頻—率1太27低,—電離層吸收太大,以致不能保證必需的信噪比,因此通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。

②天波傳播隨機多徑效應(yīng)嚴重,多徑時延較大,信道帶寬較窄。

③天波傳播不太穩(wěn)定,衰落嚴重。

④電離層所能反射的頻率范圍是有限的,一般是短波范圍。

⑤由于天波傳播是靠高空電離層反射回來的,因而受地面的吸收及障礙物的影響較小。

⑥天波通信,特別是短波通信,建立迅速,機動性好,設(shè)備簡單。

7.1.4地表面波傳播

1.地表面波傳播的定義

無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播。當天線低架于地面,且最大輻射方向沿地面時,傳播方式主要是地面波傳播。在長、中波波段和短波的低頻段(幾千赫茲至幾兆赫茲)均可用這種傳播方式。

2.地面波的波前傾斜現(xiàn)象

由于大地是非理想導電媒質(zhì),垂直極化波的電場沿地面?zhèn)鞑r(見圖713),會在地面感應(yīng)出與其一起移動的正電荷,進而形成電流,從而產(chǎn)生歐姆損耗,造成大地對電波的吸收,并沿地表面形成較小的電場水平分量,致使波前傾斜,并變?yōu)闄E圓極化波。這種現(xiàn)象稱為地面波的波前傾斜現(xiàn)象,如圖714所示。不言而喻,波前的傾斜程度反映了大地對電波的吸收程度。圖713理想導電地面的場結(jié)構(gòu)圖714非理想導電地面的場結(jié)構(gòu)

3.地表面波傳播的特點

①垂直極化波沿非理想導電地面?zhèn)鞑r,由于大地對電波能量的吸收作用,產(chǎn)生了沿傳播方向的電場縱向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況。地面的電導率越小或電波頻率越高,Ez1越大,說明傳播損耗越大。因此,地面波傳播主要用于長、中波傳播。

②由于Ex1?Ez1,故在地面上采用直立天線接收較為適宜。

③由于地表面的電性能及地貌、地物等并不隨時間很快地變化,并且基本上不受氣候條件的影響,因此信號穩(wěn)定,這是地面波傳播的突出優(yōu)點。．

7.1.5不均勻媒質(zhì)的散射傳播

1.不均勻媒質(zhì)的散射傳播的定義

電波在低空對流層或高空電離層下緣遇到不均勻的“介質(zhì)團”而發(fā)生散射,散射波的一部分到達接收天線處,這種傳播方式稱為不均勻媒質(zhì)的散射傳播,如圖715所示。圖715不均勻媒質(zhì)傳播

2.對流層散射傳播的原理

當超短波、短波投射到對流層中的不均勻的介質(zhì)團時,就在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流,成為一個二次輻射源,將入射的電磁能量向四面八方再輻射。于是電波就到達不均勻介質(zhì)團所能“看見”但電波發(fā)射點卻不能“看見”的超視距范圍。

3.對流層散射傳播的特點

①由于散射波相當微弱,即傳輸損耗很大(包括自由空間傳輸損耗、散射損耗、大氣吸收損耗及來自天線方面的損耗,一般超過200dB),因此對流層散射通信要采用大功率發(fā)射機、高靈敏度接收機和高增益天線。

②由于湍流運動的特點,散射體是隨機變幻的,它們之間在電性能上是相互獨立的,因而它們對接收點的場強貢獻是隨機的。這種隨機多徑傳播現(xiàn)象,使信號產(chǎn)生嚴重的快衰落。這種快衰落一般通過采用分集接收技術(shù)來克服。

③這種傳播方