第2章 微波中繼通信系統(tǒng)

1、第第2 2章章 微波中繼通信系統(tǒng)微波中繼通信系統(tǒng)Microwave relay communication Microwave relay communication systemssystems張張 文勝文勝School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong UniversityShandong, ChinaShandong, China 通信系統(tǒng)概論通信系統(tǒng)概論MUXSatelliteFibre-optics

2、 cableRadio linkCoaxial cableMUX現(xiàn)代通信的主要手段現(xiàn)代通信的主要手段2.1 概述概述微波中繼通信微波中繼通信是利用微波作為載波并采用中繼是利用微波作為載波并采用中繼（接力）方式在地面上進行的無線電通信（接力）方式在地面上進行的無線電通信。Microwave relay transmission is the transmission of information or energy by electromagnetic waves whose wavelengths are measured in small numbers of centimeters; th

3、ese are called microwaves.微波中繼通信：微波中繼通信：遠遠距離通信，一般說來，通信距距離通信，一般說來，通信距離往往長達數(shù)千米甚至上萬米，或環(huán)繞地球曲面，由于地離往往長達數(shù)千米甚至上萬米，或環(huán)繞地球曲面，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。微波中繼通信的概念 微波中繼通信微波中繼通信是利用微波作為載波并采用是利用微波作為載波并采用

4、中繼（接力）方式在地面上進行的無線電中繼（接力）方式在地面上進行的無線電通信通信。 微波頻段的波長范圍為lmmm，頻率范圍頻率范圍為為300MHz300GHz，可細分為特高頻（UHF）頻段分米波頻段、超高頻（SHF）頻段厘米波頻段和極高頻（EHF）頻段毫米波頻段。 由于衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信實際上是在微波頻段在微波頻段采用中繼（接力）方式通信，不過其中繼站設(shè)在衛(wèi)星上而已，所以，為了與衛(wèi)星通信區(qū)分，這里所說的微波中繼通信是限定在地面上的。 光纖，微波，衛(wèi)星骨干網(wǎng)三大傳輸手段。微波通信微波通信的概念的概念微波通信是利用微波作為載波來攜帶信息，并微波通信是利用微波作為載波來攜帶信息，并通過自由空間電波傳送

5、信息。通過自由空間電波傳送信息。微波的頻率范圍？微波的頻率范圍？300MHz300GHz微波的傳輸特性？微波的傳輸特性？視距傳輸特性（直線傳播）視距傳輸特性（直線傳播）用微波作為載體傳送數(shù)字信息的一種通信手段。用微波作為載體傳送數(shù)字信息的一種通信手段。微波微波 超長波 長 中 短 米 分米 厘米 毫米 亞毫米光通信0.000003 0.03 0.3 3 30 300 3103 3104 3105 3106 (MHz)(300MHz300GHz)微波一般稱為微波一般稱為厘米波！厘米波！無線電通信頻率劃分無線電通信頻率劃分段段號號頻段名稱頻段名稱頻段范圍頻段范圍波段名稱波段名稱在自由空間的波長范圍

6、在自由空間的波長范圍123極低頻極低頻超低頻超低頻特低頻特低頻330HZ30300HZ3003000HZ極長波極長波超長波超長波特長波特長波10000010000 km100001000 km1000100 km45678甚低頻甚低頻(VLF)低頻低頻(LF)中頻中頻(MF)高頻高頻(HF)甚高頻甚高頻(VHF)330K30300K3003000K330M30300M甚長波甚長波長波長波中波中波短波短波超短波超短波10010 km(萬米波萬米波)100001000 m(千米波千米波)1000100 m(百米波百米波)10010 m(十米波十米波)101 m(米波米波)9101112特高頻特高頻

7、(UHF)超高頻超高頻(SHF)極高頻極高頻(EHF)至高頻至高頻3003000M330G30300G3003000G101 dm101 cm101 mm1000100um(亞毫米波亞毫米波)微微波波分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波絲米波絲米波甚低頻VLF3-30KHz超長波1KKm-100Km空間波為主海岸潛艇通信；遠距離通信；超遠距離導(dǎo)航低頻LF30-300KHz長波10Km-1Km地波為主越洋通信；中距離通信；地下巖層通信；遠距離導(dǎo)航中頻MF0.3-3MHz中波1Km-100m地波與天波船用通信；業(yè)余無線電通信；移動通信移動通信；中距離導(dǎo)航高頻HF3-30MHz短波100m-10m天

8、波與地波遠距離短波通信；國際定點通信甚高頻VHF30-300MHz米波10m-1m空間波電離層散射（30-60MHz）；流星余跡通信；人造電離層通信（30-144MHz）；對空間飛行體通信；移動通信移動通信特高頻UHF0.3-3GHz分米波1m-0.1m空間波小容量微波中繼通信；（352-420MHz）；對流層散射通信（700-10000MHz）；中容量微波通信（1700-2400MHz）超高頻SHF3-30GHz厘米波10cm-1cm空間波大容量微波中繼通信（3600-4200MHz）；大容量微波中繼通信（5850-8500MHz）；數(shù)字通信；衛(wèi)星通信；國際海事衛(wèi)星通衛(wèi)星通信；國際海事衛(wèi)星通

9、信（信（1500-1600MHz）極高頻EHF30-300GHz毫米波10mm-1mm空間波在入大氣層時的通信；波導(dǎo)通信通常把頻率300MHz300GHz的射頻無線信號稱為微波信號利用微波作為載體的通信稱為微波通信基帶傳輸信號為數(shù)字信號的微波通信是數(shù)字微波通信一般基帶信號處理在中頻完成，再通過頻率變換到微波頻段也可以在微波頻段直接調(diào)制，但調(diào)制限于PSK微波通信的理論基礎(chǔ)是電磁場理論微波通信微波通信一、基本概念一、基本概念問問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？1、微波工作頻率高，波長短，能穿透電離層，、微波工作頻率高，

10、波長短，能穿透電離層，不能利用天波進行遠距離傳播。不能利用天波進行遠距離傳播。2.2 概念概念問問：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用：為什么利用微波進行遠距離傳輸必須采用中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？中間站轉(zhuǎn)發(fā)的方式？2、由于地球表面為球面，再加上地物地貌的影、由于地球表面為球面，再加上地物地貌的影響使得視距傳播距離受限。響使得視距傳播距離受限。措施？措施？增加天線高度，增大發(fā)射功率？增加天線高度，增大發(fā)射功率？中繼方式中繼方式 微波線路微波線路 發(fā)信設(shè)備發(fā)信設(shè)備 收信設(shè)備收信設(shè)備 中繼方式中繼方式 微波中繼通信微波中繼通信 微波中繼通信常用于電纜無法鋪設(shè)或極難鋪設(shè)微波中繼通信常用于電纜無法鋪設(shè)或極難

11、鋪設(shè)的地方的地方, ,而且相對而言，線路鋪設(shè)簡單而且相對而言，線路鋪設(shè)簡單, , 建設(shè)周建設(shè)周期短期短, ,投資少。投資少。 微波似光性，電波近似直線傳播微波似光性，電波近似直線傳播 微波的傳輸損耗大微波的傳輸損耗大, ,波長越短，損耗越大。波長越短，損耗越大。 ACDEB中繼站微波的視距傳播示意圖 中繼的原因中繼的原因 微波通信采用中繼方式的直接原因有兩個： 首先，因為微波傳播具有視距傳播特性微波傳播具有視距傳播特性，即電磁波沿直線傳播沿直線傳播，而地球表面是個曲面，因此若在通信兩地直接通信，且天線架高有限，當(dāng)通信距離超過一定數(shù)值時，電磁波傳播將受到地面的阻擋，為了延長通信距離，需要在通信兩

12、地之間設(shè)立若干中繼站，進行電磁波轉(zhuǎn)接。 其次，因為微波傳播有損耗微波傳播有損耗，在遠距離通信時有必要采用中繼方式對信號逐段接收、放大后發(fā)送給下一段。 微波通信發(fā)展史微波通信發(fā)展史 世界上最早的模擬微波中繼通信系統(tǒng)是第二次世界大戰(zhàn)后期美國貝爾研究所建立的TDX系統(tǒng)（4GHz頻段的調(diào)頻系統(tǒng)），1947年貝爾研究所研制了數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)TD-2。我國在50年代開始進行模擬微波系統(tǒng)的研制，經(jīng)過了20多年的歷史，直到70年代初，才完成小容量、低頻段的通信系統(tǒng)。 20世紀70年代研制并使用數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)并進行技術(shù)引進和開發(fā)。 世界上許多國家都把微波中繼通信作為其通信網(wǎng)的主要傳輸手段之一。模擬微波

13、中繼通信早已發(fā)展成熟，并逐漸被數(shù)字微波中繼通信取代。微波通信的特點微波通信的特點 （1） 通信頻段的頻帶寬通信頻段的頻帶寬。微波頻段占用頻帶約300GHz，而全部長波、中波和短波頻段占有的頻帶總和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。一套微波中繼通信設(shè)備可以容納幾千甚至上萬條話路同時工作，或傳輸電視圖像信號等寬頻帶信號。 （2）受外界干擾的影響?。┦芡饨绺蓴_的影響小。工業(yè)干擾、天電干擾及太陽黑子的活動對微波頻段通信的影響小(當(dāng)通信頻率高于100MHz時，這些干擾對通信的影響極小)，但它們嚴重影響短波以下頻段的通信。因此，微波中繼通信較穩(wěn)定和可靠。 （3）通信靈活性較大。）通信靈活性較大。

14、微波中繼通信采用中繼方式，可以實現(xiàn)地面上的遠距離通信，并且可以跨越沼澤、江河、湖泊和高山等特殊地理環(huán)境。在遭遇地震、洪水、戰(zhàn)爭等災(zāi)禍時，通信的建立、撤收及轉(zhuǎn)移都較容易，這些方面比電纜通信具有更大的靈活性。 （4）天線增益高、方向性強）天線增益高、方向性強。當(dāng)天線面積給定時，天線增益與工作波長的平方成反比。由于微波中繼通信的工作波長短，因而容易制成高增益天線，降低發(fā)信機的輸出功率。另外，微波電磁波具有直線傳播特性，可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，使微波天線具有很強的方向性，減少通信中的相互干擾。 （5）投資少、建設(shè)快。投資少、建設(shè)快。在通信容量和質(zhì)量基本相同的條件下，按話路公里計算，微

15、波中繼通信線路的建設(shè)費用不到同軸電纜通信線路的一半，還可以節(jié)省大量有色金屬，建設(shè)時間短。 微波中繼通信的用途微波中繼通信的用途 微波中繼通信主要用來傳送長途電話信號、寬頻帶信號(如電視信號)、數(shù)據(jù)信號、移動通信系統(tǒng)基地站與移動業(yè)務(wù)交換中心之間的信號等，還可用于通向孤島等特殊地形的通信線路。2.2 視距視距傳播特性傳播特性2.2.1 2.2.1 天線高度天線高度與傳播距離與傳播距離R h1h2d1d22211RhRd2222RhRd22222121RhRRhRddd)(2222121hhRRhRhd21,hRhR考慮到考慮到，上式可以寫成：，上式可以寫成：v 當(dāng)當(dāng)h h1 1=h=h2 2=50

16、m=50m時，時，d=50kmd=50kmAB1 1. .無方向天線無方向天線輻射，單位面積接收功率輻射，單位面積接收功率對于一個各向同性（無方向）的信號源，對于一個各向同性（無方向）的信號源，其其 能量能量向周圍均勻擴散。在半徑為向周圍均勻擴散。在半徑為d d的球面的球面上上（其面積為其面積為4 4d2d2）的功率密度）的功率密度p p0 0為：為：2.2.2 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 024tppd其中其中p pt t為輻射源功率。顯然，為輻射源功率。顯然，p p0 0可理解為在與可理解為在與輻射源相距輻射源相距d d的單位面積上所接收的功率。的單位面積上所接收的功率。 稱為傳播（

17、或擴散）因子。稱為傳播（或擴散）因子。024tppd204tppd注意，此時的參數(shù)注意，此時的參數(shù)d d是表示輻射源到接收天線的直視是表示輻射源到接收天線的直視距離，而不是沿地球表面的通信距離。但是，由于距離，而不是沿地球表面的通信距離。但是，由于d d遠小于遠小于地球半徑，可認為電波的直視傳播距離與通信距離近似相等，地球半徑，可認為電波的直視傳播距離與通信距離近似相等，并用符號并用符號d d表示。表示。 （二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗024tppd2.2.有向天線有向天線輻射，單位面積接收功率輻射，單位面積接收功率在實際的微波中繼通信系統(tǒng)中，天線一般是有方向性的，在實際的微波中

18、繼通信系統(tǒng)中，天線一般是有方向性的，并用并用“天線增益天線增益GtGt”來表示。對于發(fā)射天線來說，它是天線來表示。對于發(fā)射天線來說，它是天線在最大輻射方向上單位立體角的發(fā)射功率與無方向天線單位在最大輻射方向上單位立體角的發(fā)射功率與無方向天線單位立體角功率的比值。也就是說，發(fā)射天線增益立體角功率的比值。也就是說，發(fā)射天線增益GtGt是該天線在是該天線在最大輻射方向上輻射功率相對無方向天線在該方向上輻射功最大輻射方向上輻射功率相對無方向天線在該方向上輻射功率所增加的倍數(shù)或分貝數(shù)。率所增加的倍數(shù)或分貝數(shù)。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗則與有向天線發(fā)射源相距則與有向天線發(fā)射源相距d d處

19、的單位面積所接收的功率處的單位面積所接收的功率prpr為：為：（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗24ttrp Gpd3.3.有效接收面積內(nèi)接收到的功率有效接收面積內(nèi)接收到的功率對于接收天線而言，增益可理解為天線接收特定方向電對于接收天線而言，增益可理解為天線接收特定方向電波功率的能力。此時，接收天線增益波功率的能力。此時，接收天線增益 與天線有效接收面積與天線有效接收面積A A的關(guān)系可由下面的公式表示的關(guān)系可由下面的公式表示（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗24rAGrG其中其中A A為天線的有效接收面積（單位為為天線的有效接收面積（單位為m2m2）, , 為電波的為電波的

20、波長（單位為波長（單位為m m）。）。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗24rAG于是，若接收機與輻射源（發(fā)射機）相隔的距離為于是，若接收機與輻射源（發(fā)射機）相隔的距離為d d，接，接收天線的有效面積為收天線的有效面積為A A，則所接收的信號載波功率，則所接收的信號載波功率p pr r為（假定為（假定輻射源是定向輻射，其天線增益為輻射源是定向輻射，其天線增益為G Gt t）（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗22(4)rrtrtpp AGG Pd24rAG24ttrp Gpd自由空間自由空間傳播損耗傳播損耗在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即在不考慮發(fā)射與接收天線增益的情況

21、下（即G Gt t、G Gr r都為都為1 1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作發(fā)射功率與接收功率之比定義為自由空間傳播損耗，記作L Lf f。于是有于是有（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗2222222(4)4(4)ttfrtrtppdLd fpcGG Pd（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗22222(4)4fdLd fc式中，式中，f f為電波頻率；為電波頻率；c c為電波傳播速度，約為為電波傳播速度，約為3 310108 8 m/s m/s 。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗用分貝表示自由空間電波傳播損耗時，用分貝表示自由空間電波傳播損耗

22、時，L Lf f為為222222228(4)410lg10lg410lg10lg10lg43.1420lg20lg20lg3 1092.4420lg20lgfdLd fcdfcdfdf（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗式中，式中，L Lf f的單位為的單位為dBdB；d d的單位為的單位為kmkm；f f的單位為的單位為GHzGHz。92.4420lg20lgfLdf32.4420lg20lgfsLdf式中，式中，L Lf f的單位為的單位為dBdB；d d的單位為的單位為kmkm；f f的單位為的單位為MHzMHz。系統(tǒng)系統(tǒng)傳播損耗傳播損耗在考慮發(fā)射與接收天線增益的情況下（即在考慮

23、發(fā)射與接收天線增益的情況下（即G Gt t、G Gr r不為不為1 1）發(fā)射功率與接收功率之比定義為系統(tǒng)傳播損耗，記作發(fā)射功率與接收功率之比定義為系統(tǒng)傳播損耗，記作L L。系統(tǒng)。系統(tǒng)模型如下：模型如下：（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗發(fā)射發(fā)射機機天線天線增益增益Gt空間傳播空間傳播損耗損耗Lt天線天線增益增益Gr接收接收機機ptprpn系統(tǒng)傳播損耗系統(tǒng)傳播損耗L系統(tǒng)系統(tǒng)傳播損耗傳播損耗L=LL=Lt t-G-Gt t-G-Gr rL Lt t為空間傳播損耗，除包含自由空間傳播損耗為空間傳播損耗，除包含自由空間傳播損耗L Lf f外，還包外，還包括由大氣等因素引起的附加損耗。括由大氣

24、等因素引起的附加損耗。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗發(fā)射發(fā)射機機天線天線增益增益Gt空間傳播空間傳播損耗損耗Lt天線天線增益增益Gr接收接收機機ptprpn系統(tǒng)傳播損耗系統(tǒng)傳播損耗L系統(tǒng)系統(tǒng)傳播損耗傳播損耗在微波中繼通信系統(tǒng)中的天線，通常采用在微波中繼通信系統(tǒng)中的天線，通常采用卡塞格倫卡塞格倫(N. (N. Cassegrain) ) 天線天線，其增益為，其增益為（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗2()DG其中，其中，D D為拋物面天線直徑；為拋物面天線直徑； 為天線效率，通常取為天線效率，通常取0.6-0.70.6-0.7。 電波在傳播過程中除上述自由空間損耗之外，還

25、要受地面電波在傳播過程中除上述自由空間損耗之外，還要受地面和大氣的影響帶來的附加損耗。和大氣的影響帶來的附加損耗。（二）自由空間傳播損耗（二）自由空間傳播損耗（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)微波中繼通信系統(tǒng)中電波在收、發(fā)天線之間是直線傳播，微波中繼通信系統(tǒng)中電波在收、發(fā)天線之間是直線傳播，由于天線高度有限，電波傳播路徑離地面較近，傳播特性受由于天線高度有限，電波傳播路徑離地面較近，傳播特性受地面影響較大。地面影響主要表現(xiàn)在傳播路徑上障礙物阻擋地面影響較大。地面影響主要表現(xiàn)在傳播路徑上障礙物阻擋或部分阻擋引起的附加損耗，以及平滑地面對電波的反射所或部分阻擋引起的附加損耗，以及平滑地面對電波的反射所引

26、起的多徑傳播，進而產(chǎn)生接收信號的干涉衰落。引起的多徑傳播，進而產(chǎn)生接收信號的干涉衰落。2.2.3 地面效應(yīng)地面效應(yīng)費涅耳橢球面費涅耳橢球面假定有一個微波中繼段發(fā)信點為T，收信點為R，站間距為d，平面上一個動點P到兩個定點（T、R）的距離若為一個常數(shù)，則此點的軌跡為一個橢圓。在空間此動點的軌跡是一個旋轉(zhuǎn)橢球面。對于電波傳播，這個常數(shù)當(dāng)為d+/2時，得到的橢球面稱為第一費涅耳橢球面；常數(shù)為d+2/2時，得到的橢球面稱為第二費涅耳橢球面. 常數(shù)為d+N/2時，得到的橢球面稱為第N費涅耳橢球面.d1d2dd1 + d2 - d = /2費涅耳橢球面TR無限大平面s1s2s3sns1s2s3sn無限大平

27、面任意費涅爾區(qū)的劃分示意圖d1d2oF1F2F3FN費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)幾個基本概念The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightLine of sight1st zone費涅耳區(qū)費涅耳區(qū) The Fresnel Zone:The Fresnel Zone: 如果前述定義的一系列費涅耳橢球面，與我們從T或R點出發(fā)認定的某一波前面相交割，在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個圓，稱為第一費涅耳區(qū)。 其外的圓環(huán)（外圓減

28、內(nèi)圓得到的圓環(huán)）稱為第二個費涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費涅耳區(qū)、第四費涅耳區(qū). 第N費涅耳區(qū)。 這些圓和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為在垂直于地面且垂直與T與R間射線的平面區(qū)域圖形。The First Fresnel Zone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)The First Fresnel ZoneTotal received signalDirect signal1st zoneReflected signal180 180 /2幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)1st zone+2nd

29、zone-The Second Fresnel ZoneThe signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightLine of sight幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)Total received signalDirect signal2nd zone1st zoneReflected signal180180 The Second Fresnel Zone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)

30、Line of sight1st zone+2nd zone-3rd zone+The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sightThe Third Fresnel Zone幾個基本概念費涅耳區(qū)定義(The Fresnel Zone Definition)1.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙在電波傳播中，當(dāng)波束中心線剛好擦過障礙物時在電波傳播中，當(dāng)波束中心線剛好擦過障礙物時，h=0，電波也會受到部分阻擋而產(chǎn)生附加損耗。為此在設(shè)計電波傳電波也會受到部分阻擋而產(chǎn)生附加損耗。為此在設(shè)計電波

31、傳不路徑時，需離障礙物頂部有足夠的不路徑時，需離障礙物頂部有足夠的“余隙余隙”，使附加損耗，使附加損耗較小。較小。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)1.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙為了確定余隙的大小，在工程中通常利用附加損耗與費為了確定余隙的大小，在工程中通常利用附加損耗與費涅爾相對余隙之間的關(guān)系曲線進行設(shè)計。涅爾相對余隙之間的關(guān)系曲線進行設(shè)計。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.0-8-10-200.5附加損耗相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙圖中的相對余隙是圖中的相對余隙是余隙余隙hchc對一階費涅爾半徑對一階費涅爾半徑r1r1的歸一化值?？梢部吹臍w一化值。

32、可也看出，當(dāng)相對余隙為出，當(dāng)相對余隙為0 0，即波束中心線剛好擦過障礙物頂部時，附加損耗，即波束中心線剛好擦過障礙物頂部時，附加損耗為為6dB6dB。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.0-8-10-200.5附加損耗相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙當(dāng)相對余隙大于當(dāng)相對余隙大于0.5 時，附加損耗小于時，附加損耗小于0.5 dB，可以忽略。，可以忽略。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)0-60-1.0-2.00000.5附加損耗dB相對余隙hc/r11.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙一階費涅爾半徑一階費涅爾半徑r1可可根據(jù)根據(jù)惠更斯惠更斯-費涅爾原理求得：費涅爾

33、原理求得：式中波長單位為式中波長單位為cmcm；通信距離的單位為；通信距離的單位為kmkm；費涅爾半徑；費涅爾半徑的單位為的單位為m m。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)12112d drdd1.費涅爾半徑和余隙費涅爾半徑和余隙比如，對于頻率為比如，對于頻率為4GHz的電波，波長為的電波，波長為7.5cm，若，若d1=d2=25km，則，則r1=30.6m。于是電波波束中心線離障礙物頂端應(yīng)有大于。于是電波波束中心線離障礙物頂端應(yīng)有大于15.3m的余隙，的余隙，才能保證相對余隙大于才能保證相對余隙大于0.5，否則障礙物阻擋將帶來明顯的附加損耗。，否則障礙物阻擋將帶來明顯的附加損耗。（三）地面效應(yīng)（三

34、）地面效應(yīng)12112d drdd2.地面反射地面反射電波在較平滑的地面（如水面、沙漠、草原及小塊平地等）上傳播電波在較平滑的地面（如水面、沙漠、草原及小塊平地等）上傳播時，容易產(chǎn)生較強的鏡面反射，電波沿反射路徑也可以到達接收天線，時，容易產(chǎn)生較強的鏡面反射，電波沿反射路徑也可以到達接收天線，形成多徑傳播。來自直射波和反射波的信號在接收端干涉疊加，合成信形成多徑傳播。來自直射波和反射波的信號在接收端干涉疊加，合成信號的場強與地面反射系數(shù)，以及由于不同路徑延時差造成的兩干涉信號號的場強與地面反射系數(shù)，以及由于不同路徑延時差造成的兩干涉信號間的相位差有關(guān)。間的相位差有關(guān)。當(dāng)來自不同路徑的信號相位相同

35、時，合成信號增強；而相位相反時，當(dāng)來自不同路徑的信號相位相同時，合成信號增強；而相位相反時，相互抵消。相互抵消。由于反射系數(shù)隨地面條件而改變，反射點也可能有變化，因此接收由于反射系數(shù)隨地面條件而改變，反射點也可能有變化，因此接收的合成信號電平將起伏不定，形成多徑衰落。的合成信號電平將起伏不定，形成多徑衰落。（三）地面效應(yīng)（三）地面效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)大氣對微波中繼通信系統(tǒng)電波傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在大大氣對微波中繼通信系統(tǒng)電波傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在大氣吸收損耗以及降雨和大氣折射引起的損耗三個方面。而大氣吸收損耗以及降雨和大氣折射引起的損耗三個方面。而大氣層距地面較高的對流層、電離層等對微

36、波中繼系統(tǒng)中電波氣層距地面較高的對流層、電離層等對微波中繼系統(tǒng)中電波傳播的影響很小。傳播的影響很小。五、微波信道特性五、微波信道特性（四）大氣效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)1.1.吸收損耗吸收損耗大氣對頻率在大氣對頻率在12GHz12GHz以下電波吸收附加損耗很小，在以下電波吸收附加損耗很小，在50km50km的跨距時小于的跨距時小于1dB1dB，與自由空間傳播損耗相比可以忽略。，與自由空間傳播損耗相比可以忽略。下圖示出了大氣中氧分子和水蒸氣對下圖示出了大氣中氧分子和水蒸氣對10GHz10GHz以上頻率電波的以上頻率電波的吸收損耗系數(shù)（單位為吸收損耗系數(shù)（單位為dB/kmdB/km）。）。五、微波信道特性

37、五、微波信道特性1.1.吸收損耗吸收損耗從圖中可以看出，在較高的頻段，特別是在某些峰頻處從圖中可以看出，在較高的頻段，特別是在某些峰頻處（如（如22GHz22GHz，60GHz60GHz等），吸收損耗必須予以特別的考慮。等），吸收損耗必須予以特別的考慮。（四）大氣效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)01020501002000.020. 10.51.0102030氧分氧分子子水蒸水蒸氣氣2.2.雨衰雨衰在電波傳播途徑中的雨、雪或濃霧將使電波產(chǎn)生散射，在電波傳播途徑中的雨、雪或濃霧將使電波產(chǎn)生散射，引起附加損耗，稱為引起附加損耗，稱為雨衰雨衰。在在10GHz10GHz以下的頻段雨衰并不特別嚴重，通常只有以下的頻段

38、雨衰并不特別嚴重，通常只有1-3dB1-3dB。對于高于對于高于10GHz10GHz的微波中繼通信系統(tǒng)，雨衰是工程設(shè)計中必的微波中繼通信系統(tǒng)，雨衰是工程設(shè)計中必須考慮的重要問題。同時由于不同地區(qū)氣象環(huán)境的差異（比須考慮的重要問題。同時由于不同地區(qū)氣象環(huán)境的差異（比如干燥沙漠地區(qū)和熱帶雨林地區(qū)），雨衰的數(shù)值相差甚遠，如干燥沙漠地區(qū)和熱帶雨林地區(qū)），雨衰的數(shù)值相差甚遠，這也是需要特別關(guān)注的。這也是需要特別關(guān)注的。（四）大氣效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)3.3.大氣折射大氣折射由于空氣的折射率（由于空氣的折射率（）是隨高度（）是隨高度（h h）的變化而變化）的變化而變化的，由此使得電波的傳播路徑不再是直線而產(chǎn)生

39、彎曲，稱為的，由此使得電波的傳播路徑不再是直線而產(chǎn)生彎曲，稱為大氣折射。由于氣候條件的不同，大氣折射。由于氣候條件的不同，d d/dh/dh的變化可能很大。的變化可能很大。當(dāng)當(dāng)d d/dh/dh為正時，電波傳播路徑將向下低垂，此時的傳播路為正時，電波傳播路徑將向下低垂，此時的傳播路徑有可能使余隙達不到要求，甚至被地面障礙物所阻擋而造徑有可能使余隙達不到要求，甚至被地面障礙物所阻擋而造成嚴重的接收電平衰落成嚴重的接收電平衰落 。（四）大氣效應(yīng)（四）大氣效應(yīng)（五）接收信號功率和接收信噪比（五）接收信號功率和接收信噪比1.1.接收信號功率接收信號功率（1 1）自由空間接受信號功率）自由空間接受信號功

40、率五、微波信道特性五、微波信道特性22(4)rrtrtpp AGG Pd（2 2）實際工程接收功率）實際工程接收功率在實際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加在實際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加傳播損耗（傳播損耗（L La a) )和饋線損耗（和饋線損耗（L Ll l）因此接收信號載波功率）因此接收信號載波功率為：為：（五）接收信號功率和接收信噪比（五）接收信號功率和接收信噪比（2 2）實際工程接收功率）實際工程接收功率在實際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加傳在實際工程中通常還應(yīng)考慮大氣等因素引起的附加傳播損耗（播損耗（L La a) )和收、發(fā)兩端饋線損耗（和收、發(fā)兩端饋線損耗（L Ll l）因此接收信號載）因此接收信號載波功率為：波功率為：22(4)trtrfalGG PpdL L L（五）接收信號功率和接收信噪比（五）接收信號功率和接收信噪比