第4章微波传播ppt课件.ppt

第4章 微 波 传 播,4.1 自由空间的电波传播4.2 地面反射对电波传播的影响4.3 对流层对电波传播的影响4.4 几种大气和地面效应造成的衰落4.5 频率选择性衰落4.6 抗衰落技术4.7 卫星通信电波传播的特点,1.电波与自由空间的概念 微波是一种电磁波，微波射频为300300103MHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。,4.1 自由空间的电波传播,2.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。,3.自由空间传播条件下收信电平的计算微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线，当收发天线增益分别为Gr（dB）,Gt（dB）；收发两端馈线系统损耗分别为Lfr（dB）,Lft（dB）；收发两端分路系统损耗分别为Lbr（dB）,Lbt（dB）时，则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为Pr（dBm）Pt（dBm）+（Gt+Gr）（LftLfr）（LbtLbr）Ls,【例4-1】已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，GtGr39dB，LftLfr2 dB，LbtLbr1 dB。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 由已知条件站距d45km，工作频率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得 Ls（dB）=32.4+20lg 45+20lg 3800137 dB将Pt=1W换算成电平值：Pt=10lg1000mW30 dBm,4.2 地面反射对电波传播的影响,不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。,4.2.1 费涅耳区的概念1.惠更斯费涅耳原理 惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想：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。,2.费涅耳区的概念3.费涅耳区半径 我们把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。第一费涅耳区半径用F1表示。,4.收信点场强与各费涅耳区参量的关系 经分析可以知道，相邻费涅耳区在收信点R产生的场强反相（相位相差180）。也就是说，第二费涅耳区在R点产生的场强与第一费涅耳区反相；第三费涅耳区在R点产生的场强与第二费涅耳区反相，但与第一费涅耳区同相。,4.2.2 地面反射对收信电平的影响1.平坦地形对电波的反射 这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。下面所研究的环境己不再是自由空间，而是在真实大气中地面对电波的反射。,2.用费涅耳区的概念分析地面反射影响 当图4-6中的投射角很小时（这符合实际情况），接近180，可按180计算（角TPR为角）。,3.路径上刃形障碍物的阻挡损耗 在实际的微波线路中，有时会遇到传输路径上的刃形障碍物，如图4-8所示。这时，因为刃形障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区，所以在收信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡，电波就能绕过刃形障碍物，使收信电平达到一定的数值。,图4-8 传输路径上的刃形障碍物,【例4-2】已知条件见例题4-1，且传播路径上有如图4-8所示的刃形障碍物，若余隙hc0，求收信电平。解（1）求刃形障碍物的阻挡损耗，由hc0，查图4-9得 VdB6dB（2）根据【例4-1】得出的结果，收信电平为pr（dBm）=35dBm，故实际的收信电平为pr（dBm）=35dBm（6）41 dBm,图4-9 刃形障碍物的阻挡损耗,4.微波线路的分类 视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类：（1）hc h0称为开路线路；（2）0 hc h0称为半开路线路；（3）hc 0称为闭路线路。,对应于三种情况，衰落因子V的计算方法：（1）对于开路线路，粗略估算时可用图4-7；但因曲线族数量有限，作精确计算时使用式（4-11）为宜。（2）对刃形障碍物，V值可由图4-9所示的曲线查出。（3）对于由较大高地、山岭等障碍物造成的半开路线路和闭路线路，衰落因子V应按绕射公式求出（下节讲述），也可由图4-7左半部所示的曲线查出。,4.3 对流层对电波传播的影响,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。,对流层对微波传播的影响，主要表现在以下几点。（1）由于气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收。（2）由雨、雾、雪引起对电磁波能量的吸收。（3）由于气象因素等影响，使对流层也会形成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中的不均匀结构。,4.3.1 大气折射1.大气折射率 我们知道，电波在自由空间的传播速度为 n值通常在1.0到1.00045之间，为了便于计算，有时用折射指数N：N（n1）106 在自由空间N0，在地球表面N300左右。,2.折射率梯度折射率梯度表示折射率随高度的变化率，从而体现了不同高度的大气压力、温度及湿度对大气折射的影响，表示为。（1）0，n随高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v与n成反比。（2）0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲，如图4-10（b）所示。,图4-10 大气折射对电波轨迹的影响,3.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。定义K为等效地球半径系数K与折射率的关系为,4.折射的分类 我们可以根据电波受大气折射后的轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类。（1）无折射：当 0时，N不随大气的垂直高度而变化，由式（4-16）得，K1或aea。,（2）负折射：当 0时，由图4-10（a）可见，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，使电波传播轨迹向上弯曲。（3）正折射：当 0时，由图4-10（b）可见，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，使电波传播轨迹向下弯曲。,对所选天线高度应按下述标准检查。（1）0.5，即地面反射系数较小的线路。（2）0.7，即地面有较强反射的线路。,4.3.2 大气折射引起的余隙变化1.地球的凸起高度 前面已经讨论过，当使用等效地球半径的概念后，虽然折射使电波射线弯曲，但我们仍可视电波射线为直线，而认为地球半径有了变化，即由实际半径a变为等效半径ae。,2.余隙的变化与选取 设地球凸起高度的变化为he，由图4-13可见，在数值上，余隙的变化就是地球凸起高度的变化K1（正折射）时，等效的余隙hce增大；K1（负折射）时，等效的余隙hce减小；,图4-13 折射引起余隙的变化,4.3.3 复杂球形地面引起电波衰落的计算1.路径中地势最高点为反射点时VdB的计算 如图4-14所示为复杂球形地面的地形剖图。,图4-14 复杂球形地面的剖面图,【例4-3】设微波通信频率为8GHz，站距为50km，若路径为真实的光滑球形地面，求：（1）当不计及气象影响时（he=0），为保证h0的自由传播空间不受阻挡，收、发天线高度Hmin为多少米（设收发天线等高）？（2）当K2/3时，即考虑气象条件对电波传播影响，且要求hch0时，收、发信天线高度至少应为多少米？,图4-15【例4-3】的题图,解（1）根据题意，所给地形为光滑球面，故可设线路中点为地球凸起高度最高点和反射点，因设收、发天线等高（H1H2），可画出图4-15。根据上面的假设，d1d225km，自由空间余隙为,(2)考虑气象条件影响，K2/3时，地球凸起高度为,讨论：本题是以保证自由空间余隙为前提的，当不考虑气象条件影响时，即he=0，当K=时，地球凸起高度为零，最小天线高度将最矮；当K2/3时，因地球凸起高度增大，最小天线高度将最高。,2.平原地区反射点的确定及VdB计算 当天线高度已经确定，路径基本属于平原地形时，欲求出地面反射对电波传播的影响，首先应求出反射点。,3.余隙较小时绕射衰落的计算 当hc很小或为负值时，电路呈半开路或闭路线路状态。对绕射公式的理论推导相当麻烦，这里只讲工程上对绕射衰落的近似计算方法，用下述三种情况加以说明。,4.4 几种大气和地面效应造成的衰落,4.4.1 概述 大气中有对流、平流、端流以及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的，并且是随机产生的。,4.4.2 衰落的种类1.大气吸收衰耗 众所周知，任何物质的分子都是由带电的粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。2.雨雾引起的散射衰耗 雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗。,3.K型衰落 这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。,4.波导型衰落 由于各种气象条件的影响，如地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区，都会形成大气层中的不均匀结构。5.闪烁衰落 对流层中的大气常常发生体积大小不等现象。无规则的漩涡运动，称为大气湍流。,4.4.3 衰落的统计特性1.衰落特性的表示方法 描述衰落的统计特性可以有不同的方法。例如可用连续记录收信场强（或收信电平）随时间变化的时间分布曲线；也可将场强记录中低于某一场强的时间加起来，再除以总时间，得到低于该场强的时间百分数或概率，绘出收信场强的累积分布曲线等。,2.瑞利衰落概率的经验公式 当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件时，衰落的瑞利概率为式中，d为站距（km）；,f为微波工作频率（GHz）；K为环境条件因子；Q为地形条件因子；W0为无衰落时的接收功率；W为有衰落时的接收功率；,3.衰落深度的计算 衰落深度又叫衰落储备，但数字微波通信中的衰落储备与模拟微波中的衰落储备值不同。【例4-4】某平原地区的数字微波通信线路用于数据传输，线路长度为1000km，通信频率为7GHz，全线路误码率为10-6时的中断概率为0.01，该中继段站距为40km。求衰落深度。,4.5 频率选择性衰落,4.5.1 电波的多径传播现象1.基本概念 由本章前几节讨论的内容知道，对一个中继段而言，收信点除可以收到直射波外，还会收到来自路径某点的反射波。,2.对多径传播的进一步分析 可把多径传播归纳为两种类型：一种是直射波与反射波形成的多径；另一种是低空大气层大气效应造成的几种途径并存的多径。3.频率选择性衰落 若固定某一时刻，A（，t）和 T（，t）就变成只是频率的函数了，相应的幅频特性A（f）和时延特性T（f）曲线如图4-24所示。,图4-24 两条射线信道的传输特性,4.5.2 频率选择性衰落对微波通信系统传输质量的影响1.引起带内失真 带内失真会导致解调后数字信号的波形失真，波形失真又会造成码间干扰。有关资料表明，在信号的通频带内，56dB的振幅起伏就会使数字微波通信系统产生不能允许的高误码率，使系统性能变坏。,决定频率选择性衰落程度的基本参数是两条射线的振幅比r和路径时延差0。当0一定时，r越接近1，衰落越严重；当r一定时，0越大，信号的色散越严重。2.使交叉极化鉴别度下降,3.使系统原有的衰落储备值下降 这里所指的衰落储备值下降，往往指数字微波的有效衰落储备。数字微波通信系统经常用到有效衰落储备的概念：它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时，为了在不超过门限误码率时系统仍能工作，所必须留有的电平余量。,4.6 抗衰落技术,4.6.1 概述 对抗衰落的技术措施可以从两个方面去考虑：一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，另一个方面是对已建成微波电路的衰落严重接力段的考虑。,1.准备建设的微波电路 首先要按设计程序选好路由，为了防止地面反射造成的干涉型K型衰落，应避免使线路穿越水网、湖面或海面等强反射区域。,2.已建成的微波电路（1）分集技术与种类 目前在微波通信和卫星通信系统中，抗衰落的主要手段是采用分集技术。分集就是指通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。,（2）分集改善效果 分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果（好处）。分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。,4.6.2 微波通信常用的空间分集接收方式 空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统，本书以空间分集接收为例说明这种技术。空间分集接收是指在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。,下面列举的几种空间分集均为二重空间分集接收方式。1.同相合成分集接收 同相合成又叫最大功率合成，有微波同相合成和中频同相合成两种形式。,2.最小振幅偏差合成分集接收（1）工作原理 如图4-27所示为最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图。（2）与同相合成性能比较 如图4-28所示的为最小振幅偏差合成与同相合成在改善带内失真方面的性能比较，合成过程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示。,图4-27 最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图,图4-28 同相与最小振幅偏差合成性能比较,3.基带开关分集接收 这种分集接收方式是把上、下两天线接收的信号分别经过各自的接收机，变成中频信号并解调成基带信号后，由分集开关盘进行选择倒换，选择误码率较低的一路作为基带信号输出。4.分集改善效果 在数字微波通信系统中，不管采用哪一种空间分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强，还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。,4.6.3 自适应均衡技术1.频域自适应均衡器 在模拟微波通信系统中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是该均衡器仅作静态特性的补偿。图4-30（a）左边部分示出了因多径传播造成的频率选择性衰落时，凹陷点的频率及其陡度（特性会随时变化）。图4-30（b）所示的是这种频域均衡器的原理电路。,图4-30 中频可变调谐的自适应均衡器,2.时域自适应均衡器 时域自适应均衡器的方案很多，下面列举的是一种应用较广，加在基带电路中的横向滤波器式均衡器。,4.7卫星通信电波传播的特点,1.影响卫星通信中电波传播的因素 由于卫星通信的电波传播路径需要通过对流层中的云层和雨层以及再上面的同温层、中间层、电离层和外层空间，故电波传播都会受到它们的影响。,2.地球站天线仰角与通信距离的关系 地球站天线的仰角应始终跟踪卫星上的天线，以便使地球站的收信机得到较高的收信电平。3.自由空间传输损耗及环境影响（1）卫星通信的自由空间传输损耗计算公式与微波通信相同，只是损耗值要大得多。Ls92.420lgd（km）+20lgf（GHz）（dB）,（2）大气衰减损耗 大气气体对卫星通信的电波产生的损耗既与星站间距离有关，也与地球站天线的仰角有关。（3）云层和降雨影响 云层损耗主要是由云层对电波吸收造成的，仰角愈小，通信频率愈高，其损耗愈大。,（4）闪烁衰落的影响 由于卫星通信的电波路径比微波通信要长得多，所以其闪烁情况及影响也与微波通信不同。闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时，由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化，使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。,电离层闪烁：频率较低时，如12GHz，以电离层闪烁为主。对流层闪烁：由于对流层的温度、湿度的逆变或湍流运动，引起折射指数的不均匀性，对电波产生散射。,4.卫星通信常用的分集接收方式 为了卫星通信的可靠性，克服上述各种因素造成的损耗和衰落，仅靠预留功率损耗余量是不够的，还应采用分集技术才能得到好的效果。,5.卫星通信中的多谱勒效应 当以一定速率运动的物体，例如飞机，发出了一个载波频率f1，地面上的固定接收点收到的载波频率就不会是f1，并产生了一个频移fd。其频移大小表示为式中，为接收信号载频的波长；,