《电波传播》PPT课件.ppt

第十七讲 电波传播（三）,天波传播,自由空间传播的菲涅尔区 地面对微波传播的影响对流层对微波传播的影响,主要内容,3,微波波段频率传播电波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍物时绕射能力很弱，投射到高空电离层时又不能被反射回地面。所以，该波段电波只能使用视距传播和对流层散射传播视距传播视距传播是指发射天线和接收天线间能相互“看见”的距离内，电波直接从发射点传播到接收点,按照收发两端所处位置不同，可分为三类：地面上的视距传播，如无线电中继通信，电视广播以及地面上的移动通信地面与空中目标如飞机，通信卫星等的视距传播空间通信系统之间的视距传播，如飞机之间，宇宙飞行器之间等,4,4,视距传播（a）地面微波中继通信；（b）雷达探空；（c）卫星通信,5,无论是地面上的或地对空的视距传播，其传播途径至少有一部分是在对流层中，必然要受到对流层的影响，表现为吸收，折射，反射和散射此外当电波在低空大气层中传播时，还可能受到地表面自然的或人为的障碍物的影响，引起电波的反射、散射或绕射现象,地面及对流层大气对视距传播有一定的影响。,6,自由空间传播的菲涅尔区电波总是在实际媒质中传播的，人们常把在真空中进行的“自由空间传播”这种理想的情况，作为实际研究问题的起点在17世纪惠更斯首先提出，波在传播过程中，波面上的每一点都是一个进行二次辐射球面波（子波）的波源，而下一个波面就是前一个波面所辐射的子波波面的包络面。波在传播过程中，空间任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭面上各点的二次波源发出的子波在该点相互干涉叠加的结果,惠更斯原理,菲涅尔带示意图,7,根据上述观点研究在自由空间内，收、发两点之间的空间区域与接收点场强之间的关系。在Q点放置一各向均匀辐射的点源，P点为场点取封闭面S为点源所辐射的球面波的一个波面，其半径为，并且 和 均远大于波长，为场点P至波面的垂直距离。以场点P为中心，依次用 为半径做球面，与s面相交截出许多环带。显然，每个环形外边缘上任一点发出的次级波，与其内边缘一点发出的次级波，在到达P点时具有恒定的反相相位差，凡是具有上述基本特征的环带就称为菲涅耳带，就分别称为第一，第二第n个菲涅耳带等。P点的辐射场就是各菲涅耳带辐射场的总和,8,各菲涅尔带在P点的辐射场,（a）n1；（b）n2，3；（c）各带的合成振幅；（d）合成场强,9,1.对P点场强起重要作用的只是整个球面上n1，2，3的有限数目的环带。其它环带可以忽略不计2.第一菲涅耳带在P点产生的辐射场B1近似为自由空间场强的两倍，即B12B0 3.若使P点场强达到自由空间的值，只需要第一菲涅尔带面积的1/3即可,近似为,(1),10,下面讨论空间菲涅耳区的几何区域。若在PQ两点之间插入一块假想的无限大平面S，它垂直于PQ连线，如图所示。由于这种情形相当于以无限大的球面包围波源Q，所以前面讨论的原理和方法仍然适用。在S面上划分菲涅尔带，有如下关系式：及 分别为Q和P点到S面上第n个菲涅尔带的距离，d为QP间的直线距离，图中、及 d均远大于波长,（2）,11,菲涅尔区（a）平面上的菲涅尔带（b）空间菲涅尔区,12,由于距离d及波长都是固定值，由式（2）可得=常数。若S面位置左右平移，、r虽为变数，但它们之和仍为常数。根据几何知识可知，这些点的轨迹正是以Q、P为焦点的旋转椭球面。这些椭球面所包围的空间区域就称为菲涅耳区。根据序号n=1,2,就分别称为第一、第二菲涅耳区，它们与S面相截，就在该平面上出现相应的第一、第二菲涅耳带在自由空间内，来自波源Q的辐射而到达接收点P点电磁能量，是通过以Q、P为焦点的一系列菲涅耳椭球区来传播的,13,传播主区为了获得自由空间的传播条件，只有保证在一定的菲涅尔区域内满足“自由空间的条件”就可以。工程上常把第一菲涅耳区和“最小”菲涅耳区（系指S面上所截面积为第一菲涅耳面积的1/3那个相应区域），当作对电波传播起主要作用的空间区域，称为传播主区。令第一菲涅耳区半径为F1，根据式（2）有在视距通信系统中，d，d1，d2均远大于波长。将上式用二项式定理张开，并略去高阶小项，得表示式为,（3）,（4）,14,若，此时第一菲涅耳区的半径最大，达令最小菲涅耳区半径为，根据定义，有,（5）,（6）,由上式可见，当距离d一定时，波长愈小，则传播主区的半径愈小，菲涅耳椭球区也就愈长，最后蜕化为一直线，这就是几何光学中“光线沿直线传播”的证明,15,地面对电波传播的影响地质的电特性：介电常数，电导率，磁导率地球表面的物理结构：地形起伏、植物以及人为建筑光滑平面地场强计算地面反射有效区光滑地判别准则光滑球面地的反射实际球面地的绕射传播,1.光滑平面地条件下视距传播场强的计算,假设发射天线A的高度为H1，直接波的传播路径为r1，地面反射波的传播路径为r2、与地面之间的投射角为。收、发两点间的距离为d。,接收点B的高度为H2。,地面对电波传播的影响,r2-r1为两条路径之间的路程差，它可以表示为,根据二项式定理：,得：,（取前2项）,(7),接收点B场强应为直接波与地面反射波的叠加。,为地面的反射系数，它与电波的投射角、电波的极化和波长以及地面的电参数有关。一般可表示为,设沿r1路径在接收点B处产生的场强振幅为E1，沿r2路径在接收点B处产生的场强振幅为E2，,则B处的总场强为,(8),(9),对于水平极化波,对于垂直极化波,(10),对于水平极化波来讲，实际地面的反射比较接近于理想导电地，特别是在波长较长或投射角较小的区域近似程度更高。因此在估计地面反射的影响时，可粗略地将实际地面等效为理想导电地。,对于垂直极化波情况就比较复杂。垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值的投射角称为布鲁斯特角（Brewster），记作B；在B两侧，反射系数的相角180突变。尽管垂直极化波的反射系数随投射角的变化起伏较大，但在很低投射角时，仍然可以将其视为-1。,海水的反射系数,海水和陆地的反射系数,（图中V代表垂直极化，H代表水平极化）,GHz,GHz,干土的反射系数,水平极化波反射系数的模在低投射角约为1，相角几乎可以被看作180常量。,当很小时，将,代入下式,合成场可以做如下简化：,(11),因此，波的干涉与天线的架高、电波波长及传播距离有关。,垂直极化波在海平面的干涉效应（r=80，=4）,（a）f=0.1GHz，H1=50m，H2=100m,（b）f=0.1GHz，H1=50m，d=7000m,下图是以|E/E1|为纵坐标计算得到的垂直极化波在海平面上的干涉效应。,则得到 维建斯基反射公式：,(12),解 地面反射波与直接波之间的相位差为,【例】某通信线路，工作波长=0.05m，通信距离d50km,发射天线架高H1=100m。若选接收天线架高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下，接收点的E/E1=？今欲使接收点场强为最大值，调整后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？,所以接收点处的E/E1=0，此时接收点无信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天线高度，使得接收点处地面反射波与直接波同相叠加，接收天线高度最小的调整应使得=16。,若令,可以解出H2=93.75m，接收天线高度可以降低6.25m。,地面上的有效反射区,2.地面上的有效反射区,反射波的主要空间通道是以A和B为焦点的第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面相交的区域为一个椭圆，该区域内对反射波具有重要意义。,这个椭圆也被称为地面上的有效反射区。,(13),该椭圆的长轴在y方向，短轴在x方向。,(13-a),长半轴：,短半轴：,(13-b),根据第一菲涅尔椭球的尺寸，可以计算出该椭圆（有效反射区）的中心位置C的坐标为,不平坦地面的反射,3.光滑地面的判别准则,实际地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想情况。,电波在上、下两边界处反射时的波程差为,(14),由此引起的附加相位差为,为了能近似地将反射波仍然视为平面波，即仍,有足够强的定向反射，要求，,相应地要求,瑞利准则,(15),瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据。,当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑；,当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。,h的实际计算数据,波长越短，投射角越大，越难视为光滑地面，地面起伏高度的影响也就越大。,4.光滑球面地情况,地球是球面体，在大多数情况下应该考虑到地球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。,如下图 所示，在给定的发射天线和接收天线高度H1、H2的情况下，由于地球表面的弯曲，当收发两点B、A之间的直视线与地球表面相切时，存在着一个极限距离。当H1、H2远小于地球半径R时，d0也就为B、A之间的距离r0。,视线距离视线所能达到的最远距离,在通信工程中常常把由H1、H2限定的极限地面,距离,称为视线距离。,(16),(17),由于常满足RH1，RH2，因此视线距离可写为,(18),若C点为AB与地球的切点，则有,将地球半径R=6370km代入上式并且H1、H2均以米为单位时，,(19),在标准大气折射时，视线距离将增加到,(20),在收、发天线架高一定的条件下，实际通信距离d与r0相比，有如下三种情况：,(1)d0.7r0，接收点处于亮区；,(2)d1.2r0，接收点处于阴影区；,(3)0.7r0d1.2r0，接收点处于半阴影区。,在实际的视距传播工程应满足亮区条件，否则地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。,天线的等效高度,天线的等效高度,过反射点C作地球的切面，把球面的几何关系换成平面地，此时由A、B 向切平面作垂线所得的H1、H2就称为天线的等效高度或折合高度。,(21),(22),假定反射点C的位置已经确定，沿地面距离d=d1+d2r10+r20，r10、r20就是天线架高为H1、H2时的极限距离。,(23),(24),因此，天线的等效高度为,在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实际高度置换成等效高度，就是对球面地条件下的修正之一。,球面地的扩散,球面地的扩散因子,由于球面地的反射有扩散作用，因而球面地的反射系数要小于相同地质的平面地的反射系数。,扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量。,定义球面地的扩散因子,如果平面地反射时的场强为Er，球面地反射时的场强为Edr，入射波场强为Ei，为平面地反射系数的模值，则,(25),(26),在引进扩散因子之后，如将视距传播的有关计算公式中的反射系数替换成Df就完成了球面地条件下的另一个修正。,扩散因子的具体表示式为,47,凸起高度以及传播余隙由于地面是球形的，有时因天线假设高度不高或通信距离较远，接收点落入阴影区或半阴影区范围，则电波传播路径就要受到地球凸起高度的阻碍产生较大的绕射损失为了判定球形地面对电波传播的阻挡情况，必须对地球凸起高度有比较明确的数量概念此外，为了估算地面上山地、丘陵等地形地貌对电波的阻挡作用，有必要引出传播余隙的概念,5.实际球面地上的绕射传播,48,在球面上两点Q、P之间的某一点C处，地球的凸起高度Hb等于由C点至弦 的垂直距离CO。这O点到Q点的距离为d1，O点到P点的距离为d2，根据平面几何的相交弦定理可知注意，在视距传播中，通信距离相对于地球周长而言是非常小的，所以,d1,d2可看作是地面上的距离，且 近似等于地球直径。显然，路径中点处地球凸起高度最大，即,（27）,地面凸起高度的计算,（28）,49,以上在计算地球凸起高度时，没有考虑大气折射的影响。当计入此项因素，可用等效地球半径因子K 进行修正，用等效地球半径代替式（27）中的 即可。传播余隙Hc：收、发两天线的连线与地面障碍物最高点之间的垂直距离,(29),50,如图所示。地形起伏的最高点与两天线连线间的垂直距离就是传播余隙Hc。由图中几何关系可知：式中dd1d2，由此得出于是该路径的传播余隙,传播余隙,(32),(30),(31),为障碍物高度,51,根据 的不同，可把电路分成三种类型：称为开电路 称为半开电路 称为闭电路其中，为最小菲涅尔半径，可由式（6）算出。上述第一种情况中，接收点场强可能得到自由空间传播时的信号强度。第二种和第三种情况都不能保证这一点其中 是半开电路与闭电路之间的临界状态，这时收、发天线之间的直射线恰好与地形最高点相切。而 则表示直射线受到障碍物的阻挡。在地面微波中继系统中，除特殊情况外，均应采用开电路,对流层大气对视距传播的影响,在前述的分析中，尽管讨论了由平面地到球面地的修正，但是都假定电波按直线传播，这种情况只有在均匀大气中才可能存在。实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射及吸收等物理现象。,电波在对流层中的折射,1.大气的折射率,实验证实大气折射率n近似满足下面的关系式：,(33),P为大气压强（毫巴，即mb；1mb=100Pa）；T为大气的绝对温度（K）；e为大气的水汽压强（mb）。,折射指数数据(年平均值),2.大气折射及类型,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。,nsin=(n+dn)sin(+d),(34),当电波由折射率为 n 的一层传播到n+dn的一层时，电波发生了折射，沿曲线AC传播。,假设电波在点A的入射角为,折射角为+d,则按照折射定律：,将方程的右边展开并略去二阶无穷小量并整理后得,(35),由图所示的几何关系，射线的曲率半径应为,(36),在ABC中,(37),由于d很小，cos(+d)cos，并将式（36）代入上式得,(38),考虑到n1,并且对大多数情况而言，90，因此射线的曲率半径,(39),大气折射分为三类：,(1)零折射,电波射线为直线,(2)负折射,电波射线上翘,(3)正折射,电波射线向下弯曲,dn/dh=-410-81/m，射线的曲率半径=2.5107m,dn/dh=-15.710-81/m，电波射线与地球同步弯曲,dn/dh-15.710-81/m，,标准大气折射,临界折射,超折射,折射类型,等效地球半径,电波在大气层内传播轨迹是弯曲的，但习惯上仍把电波射线当作沿直线传播，因此引入等效地球半径因子来修正。,等效地球半径Re：,保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球半径。,等效地球半径(a)实际地球上的电波射线；(b)等效地球上的电波射线,地球半径,电波射线曲率半径,等效地球半径,等效电波射线曲率半径,(40),式中，Re为等效地球半径。由此，,(41),由上图的几何关系，得,将式（33）半径代入上式，则低仰角情况下的等效地球半径为,(42),定义等效地球半径因子K为,(43),等效地球半径Re与实际地球半径R之比。,大气衰减,（1）水分子、氧分子对电波的谐振吸收（2）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收,大气是一种成分不均匀的半导电媒质。,大气对电波的衰减有两方面：,（3）云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方向传播的电波衰减。,氧和水汽的衰减系数,水分子的谐振吸收发生在1.35cm与1.6mm的波长上。,氧分子的谐振吸收发生在5mm与2.5mm的波长上。,（60GHz、118GHz）,（22GHz、183GHz）,在选择工作频率时，要注意避开这些 谐振吸收频率，工作于吸收最小的频率附 近（通常将这些频率称为大气窗口）。,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。,谐振吸收与工作波长有关。,不同强度的雨对电波的衰减系数,（2）f3GHz时衰减很小，一般可忽略不计。,结论：,（1）散射衰减与小水滴半径的6次方成正比，与波长的4次方成反比。,（3）当频率进一步增高时，波在雨中的衰减将随着频率的增高迅速增大，并且雨的强度越大，电波受到的衰减越大。,降水的退极化效应,电磁能量从一种极化状态转换为与之正交的极化状态 视距通信中引起退极化原因多径传输雨或冰晶,大气噪声,大气气体以及水凝物：吸收介质噪声温度描述（K）大气气体引起的噪声雨雾引起的噪声：降雨影响最大,73,大气气体的噪声温度与频率和仰角的关系曲线（地面温度20C，1个大气压，水汽含量10克/立方米）,一般来说，对于6GHz以下的微波通信系统，由大气气体产生的噪声不会引起严重的影响,雨及云雾的噪声温度曲线,噪声温度会因降雨而明显增加。,降雨影响：信号电平衰减噪声温度升高特别对于10GHz以上的电波，降雨使信噪比严重下降，在大暴雨时可能造成通信中断所以说降雨是毫米波通信的主要障碍,