第5章微波传输基本理论ppt课件.ppt
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1、第五章 微波传输基本理论,主要内容,微波简介微波传播微波传输系统衰落及抗衰落,微波简介,什么是微波微波通信的发展,什么是微波,各种波段波的特性,长波的穿射能力最强,电磁波靠地波传播,但其收发信天线的占用场地很大,常用于海上通信。中波比较稳定,主要用于广播。短波在传输过程中,碰到电离层会发生反射现象因而其传输距离很远,故短波常用于远距离通信或广播。但极易受电离层变化的影响,信号会时强时弱。超短波的传输特性同光波一样,是沿直线传播的,要求通信双方之间(两微波站之间)没有阻挡物,信号方能传输到对方。微波传输特性也和光波一样,只能沿直线传播即视距传播,绕射能力弱,且在传播中遇到不均匀的介质时,将产生折
2、射和反射。,微波通信,微波的发展是与无线通信的发展是分不开的。1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验,开创了人类无线通信的新纪元。无线通信初期,人们使用长波及中波来通信。20世纪20年代初人们发现了短波通信,直到20世纪60年代卫星通信的兴起,它一直是国际远距离通信的主要手段,并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。,微波通信,微波通信是二十世纪50年代的产物。由于其通信的容量大而投资费用省(约占电缆投资的五分之一),建设速度快,抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽,性能较稳定的微波通
3、信,成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段,模拟调频传输容量高达2700路,也可同时传输高质量的彩色电视,而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。,微波扩频通信具有以下特点,建设无线微波扩频通信系统目前无需申请、带宽较高、建设周期短; 一次性投资、建设简便、组网灵活、易于管理,设备可再次利用 ; 相连单位距离不能太远,并且两点直线范围内不能有阻挡物; 抗噪声和干扰能力强,具极强的抗窄带瞄准式干扰能力,适应军事电子对抗; 能与传统的调制方式共用频段; 信息传输可靠性高; 保密性强,伪随机噪声使得信号不易被发现而有利于防止窃听; 多址复用,可以采用码分复用实现多址通信; 设备使用寿命较长。,
4、微波传播,无线电波传播方式及特性无线电波传播的特性 电波传播的信道特征传输媒质对电波传播的影响地面对微波传播的影响大气对微波传播的影响,无线电波传播方式及特性,任何一个通信系统,要完成通信,除必须具有发信机外,还要具备由传输媒质构成的信道。信道按传输媒质可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括电缆和光纤;无线信道是指无线电波传播的空间。信道按传输特性参数随外界各种因素影响变化的快慢来分有“恒参信道”和“变参信道”。,无线信号传输过程,传输过程一般是由发射设备产生电信号并由发射天线转换成电磁波,经空间媒质传播到接收端,由接收天线接收电磁波并还原成电信号而完成传输。,无线电波传播的几种方式,无线
5、电波传播的几种方式,直射波传播(视距传播):一般用在超短波和微波波段。直射波传播是最主要的无线电波传播方式。电离层反射波传播(天波传播):指电波向天空辐射并经电离层反射后回到地面的传播方式,主要用在中波和短波波段,简称天波。地表面波传播:这是一种沿着地球表面传播的电磁波,简称地波。主要用在中、长波波段和短波的低频段。由于大地对电波能量的吸收作用,因此利用地波这种传播方式时,只能进行频段较低的近距离通信。散射波传播:这种传播主要是由于电磁波投射到大气层(如对流层)中不均匀气团或投射到流星余迹上时产生散射,其中有一部分电磁波到达接收地点。地面反射波传播:电波经地面反射后到达接收地点的传播方式。,电
6、波传播的特性,电磁波在均匀媒质中沿直线传播 在均匀媒质中,电磁波各射线的传播速度相同 ,传播方向不变。能量的扩散与吸收 当电磁波离开天线后,便向四面八方扩散,随着传播距离增加,空间的电磁场就越来越弱 。,电波传播的特性,反射与折射 当电波由一种媒质传播到另一种媒质时,在两种媒质的交界面上,传播方向会发生改变,产生反射和折射现象。并遵守光学的折射和反射定律。 电波的干涉 由同一电波源所产生的电磁波,经过不同的路径到达某接收点场强由不同路径的电波合成,这种现象叫做波的干涉,也称作多径效应。,电波传播的特性,绕射现象 电波在传播过程中有一定的绕过障碍物的能力,这种现象称为绕射 。 电波的绕射能力与波
7、长有关,波长越长,绕射能力越强,波长越短,绕射能力越弱。,电波传播的信道特征,无线电波在自由空间中的传播 自由空间传播是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。 实际情况下,只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质,其相对界电常数和相对磁导率都等于1,传播路径上没有障碍物阻挡,到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计,在这样的情况下,电波可视作在自由空间中传播。,自由空间传播损耗,假设发射天线置于自由空间(一个没有能够反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波的无限大的真空中),若无方向性天线,辐射功率为PT瓦,则距离辐射源d米处的电场强度有效值为:磁场电场强度有效值为:上式表明,电
8、场/磁场强度与传播距离成反比,当电波经一段路径传播后,增加能量仍然会受到衰减,这是由于辐射能量的扩散而引起的。,接收天线获取电波的功率,单位面积上的电波功率密度S为:S= PT /4d2(W/m2)4d2_球体表面积无方向性接收天线的有 效面积A为:A= 2/4(天线理论)在PR处接收天线获取电波的功率PR为:PR=S A= PT /4d2 A =PT /4d2 2/4= PT(/4d)2,自由空间传播损耗,传输媒质对电波传播的影响,传输损耗(信道损耗) 衰落现象 传输失真 电波传播方向的变化,传输损耗,电波在实际的媒质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扩散引起的
9、,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。不同的传播方式、传播媒质,信道的传输损耗不同。,衰落现象,所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。按引起衰落的原因分类,大致可以分为吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于传播媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。这种衰落跟天气有很大的关系,而且信号电平的变化缓慢,所以称为慢衰落。此外,由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起的阴影衰落也称慢衰落。干涉型衰落主要是由于随机多径干涉现象引起的。这种衰落的信号电平变化很快,所以称为快衰落。,衰落现象,传输失真,无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真
10、和相位失真。产生失真的原因有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。,电波传播方向的变化,电波在实际空间中传播的场是复杂多样的,有反射、散射和绕射等。因此电波传播的方向是不断变化的。,地面对微波传播的影响,惠更斯原理是,一点源的振动可传递给邻近质点,使其成为二次波源。当点源发出球面波时,二次波源产生的波前也是球面,三次、四次波源也是如此。,费涅尔区,由解析几何可知,平面上一动点至两定点T、R的距离之和为常数时,此动点轨迹为椭圆。在空间,此动点轨迹为旋转椭球面,第一费涅尔区半径,T R,F1,d2,d1,P,第n费涅尔区,费涅尔区对微波传播的影响,由费涅尔区定义可知经过各费涅尔区端点P1
11、、P2、P3的电波射线TP1R、TP2R、TP3R依次相差。这样,各相邻费涅尔区在R处产生的电波场强相位相差180,即第二费涅尔区在R处产生的电波场强与第一费涅尔区的反相,第一费涅尔区的电波场强与第三费涅尔区的同相。,费涅尔区对微波传播的影响,费涅尔区对微波传播的影响,在自由空间,并不是所有费涅尔区的能量都使R处的场强增大,而是相互干涉,偶数区的抵消奇数区的,最后结果是R处从所有费涅尔区的得到的场强大致等于第一费涅尔区在R处产生场强之半。,用费涅尔区解释阻挡物的影响,自由空间余隙 h0,若余隙hc大于h0,路径损耗随hc的增加略有波动,最终稳定在自由空间损耗上。若余隙hc小于h0,那么随着hc
12、的减小,路径损耗急剧增加。微波链路设计时,首先要保证自由空间余隙内没有任何障碍物。在实际中往往要求在第一菲涅尔区内不存在任何障碍物。,用费涅尔区分析平坦地面的发射,实际中,总是将收发天线对准,以便收方接收到较强的直射波,但由惠更斯原理,总会有一部电波折射到地面;若发射天线方向性不尖锐,也会有电波折射到地面。这时,接收点除收到直射波外,还收到地面反射的波(反射角等于入射角),接收点场强,衰落因子Lr,一般入射角很小,180;而1(全反射),于是,Lrr的关系曲线,说明,当r/ 2 、3/2 时,反射点P相当于在第一、第三等奇数号费涅尔区的边缘,接收处的合成场强是直射波(它是第一费涅尔区)与同相的
13、反射波相加,合成场强最大。当r、2时,P点在第二、第四等偶数费涅尔区的边缘,接收处的合成场强是直射波与反相反射波相加,合成场强最小。当r/ 6 、5/ 6 时,反射点P在第一、第二等费涅尔区以内。仅以r/ 6说明。当r /6 时,反射点P在第一费涅尔区内,虽然第一费涅尔区的下半部被地面阻挡,但反射波与直射波同相相加,可以弥补地面阻挡的损失,仍可使接收处的场强与自由空间相近。,大气对微波传播的影响,地球大气层,地球大气层,地球大气层中最低的一层是对流层,其厚度平均约1020KM,由于其贴近地表面,大气的温度随着高度的增加而下降,空气对流十分频繁。对流层的平均高度随地域变化而有所差异,温带地区为1
14、012KM,赤道附近为1618KM。在对流层中集中了大气中90%以上的水和3/4以上的大气质量。在对流层的上面一层是平流层,又称同温层,距地面约2040KM。在平流层上面是电离层。电离层是地球大气的一部分。处于这种高度的大气,其对流作用甚小,在太阳的辐射作用以及宇宙射线的影响下产生电离,形成相当多的离子和自由电子。按离地球表面的高度,电离层依次分为D层、E层、F1层和F2层等四层。在白天,这四层电离层均存在;在晚上,D层消失,F1层和F2层合并为一层(这时称为F2层)。,对流层,对流层自地面向上约10km范围的低空大气层。因天线架设高度不会超过此范围,且微波传播为空间射线形式,故大气的影响主要
15、是对流层的影响,其它各层对微波传播影响不大。对流层集中了整个大气质量的3/4,当地面受太阳照射时,地表温度上升,地面放出的热量使温度较低的大气膨胀,从而造成大气密度不匀,产生了大气的对流波动,故称之为对流层。,对流层对微波传播的影响,由于气体分子谐振,使微波能量被吸收。对波长2cm的微波,吸收才较显著,当 2cm时可不考虑。由雨、雾、雪引起的微波能量的吸收,5cm时要考虑这种吸收,5cm时可不考虑。对流层温度随高度的增加而下降(平均每公里下降6C),压力随高度的增加而减小,水汽含量随高度的增加而迅速下降。因此会形成云、雾之类的不均匀结构,它们使电波发生折射、反射、散射、吸收等现象,其中最主要的
16、是大气折射。,大气折射,当n随着高度的增大而增大时,由折射率定律可知,折射角ti,电波传播轨迹将向下弯曲,等效地球半径,大气可以认为时n是连续变化的,是由无限簿层构成的,在其中传播的微波将是连续折射弯曲的曲线,等效地球半径,等效条件是:等效前后电波射线轨迹上各点与地面之间垂直距离处处不变。由几何学知,若两曲线的曲率差相等,则它们之间距离处处相等,这样,等效条件是电波路径与地面之曲率差应相等。,等效地球半径,正负折射及标准折射,无折射 K1,ReR,无折射,如图5-23所示。负折射(图5-23曲线) ReR,,电波射线折射向上弯曲,与地球弯曲方向相反,故称负折射。正折射(图5-23曲线) K,电
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