第5章--微波傳輸基本理論講課講稿

1、第五章第五章 微波傳輸微波傳輸(chun sh)基本理論基本理論 第一頁，共97頁。主要(zhyo)內(nèi)容l微波簡介(jin ji)l微波傳播l微波傳輸系統(tǒng)l衰落及抗衰落第二頁，共97頁。微波(wib)簡介l什么是微波(wib)l微波(wib)通信的發(fā)展第三頁，共97頁。什么(shn me)是微波頻段名稱頻段名稱頻率范圍頻率范圍波長范圍波長范圍長波長波30300KHz100010000m中波中波3003000KHz1001000m短波短波330MHz10100m超短波超短波303000MHz110m微波微波0.33GHz10 cm1m330GHz110cm30300GHz110mm第四頁，共97

2、頁。各種( zhn)波段波的特性長波的穿射能力最強(qiáng)，電磁波靠地波傳播，但其收發(fā)信天線的占用場地很大，常用于海上通信。中波比較穩(wěn)定，主要用于廣播。短波(dunb)在傳輸過程中，碰到電離層會發(fā)生反射現(xiàn)象因而其傳輸距離很遠(yuǎn)，故短波(dunb)常用于遠(yuǎn)距離通信或廣播。但極易受電離層變化的影響，信號會時強(qiáng)時弱。超短波(dunb)的傳輸特性同光波一樣，是沿直線傳播的，要求通信雙方之間（兩微波站之間）沒有阻擋物，信號方能傳輸?shù)綄Ψ?。微波傳輸特性也和光波一樣，只能沿直線傳播即視距傳播，繞射能力弱，且在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時，將產(chǎn)生折射和反射。 第五頁，共97頁。微波通信微波的發(fā)展是與無線通信的發(fā)展是分不開的

3、。1901年馬克尼使用800KHz中波信號進(jìn)行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波的通信試驗(yàn)，開創(chuàng)(kichung)了人類無線通信的新紀(jì)元。無線通信初期，人們使用長波及中波來通信。20世紀(jì)20年代初人們發(fā)現(xiàn)了短波通信，直到20世紀(jì)60年代衛(wèi)星通信的興起，它一直是國際遠(yuǎn)距離通信的主要手段，并且對目前的應(yīng)急和軍事通信仍然很重要。第六頁，共97頁。微波通信微波通信是二十世紀(jì)50年代的產(chǎn)物。由于其通信的容量大而投資費(fèi)用?。s占電纜投資的五分之一），建設(shè)速度(sd)快，抗災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而取得迅速的發(fā)展。20世紀(jì)40年代到50年代產(chǎn)生了傳輸頻帶較寬，性能較穩(wěn)定的微波通信，成為長距離大容量

4、地面干線無線傳輸?shù)闹饕侄?，模擬調(diào)頻傳輸容量高達(dá)2700路，也可同時傳輸高質(zhì)量的彩色電視，而后逐步進(jìn)入中容量乃至大容量數(shù)字微波傳輸。第七頁，共97頁。微波(wib)擴(kuò)頻通信具有以下特點(diǎn) l建設(shè)無線微波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)目前無需申請、帶寬較高、建設(shè)周期短； l一次性投資、建設(shè)簡便、組網(wǎng)靈活、易于管理，設(shè)備可再次利用 ； l相連單位距離不能太遠(yuǎn)，并且兩點(diǎn)直線范圍內(nèi)不能有阻擋物； l抗噪聲和干擾能力強(qiáng)，具極強(qiáng)的抗窄帶瞄準(zhǔn)式干擾能力，適應(yīng)軍事電子對抗； l能與傳統(tǒng)的調(diào)制方式共用頻段； l信息傳輸可靠性高； l保密性強(qiáng)，偽隨機(jī)噪聲使得信號不易被發(fā)現(xiàn)而有利于防止竊聽； l多址復(fù)用(f yn)，可以采用碼分復(fù)用(

5、f yn)實(shí)現(xiàn)多址通信； l設(shè)備使用壽命較長。 第八頁，共97頁。微波(wib)傳播l無線電波無線電波(din b)(din b)傳播方式及特性傳播方式及特性l無線電波無線電波(din b)(din b)傳播的特性傳播的特性 l電波電波(din b)(din b)傳播的信道特征傳播的信道特征l傳輸媒質(zhì)對電波傳輸媒質(zhì)對電波(din b)(din b)傳播的影響傳播的影響l地面對微波傳播的影響地面對微波傳播的影響l大氣對微波傳播的影響大氣對微波傳播的影響 第九頁，共97頁。無線電波無線電波(wxin dinb)傳播方傳播方式及特性式及特性 任何一個通信系統(tǒng)，要完成通信，除必須具有發(fā)信機(jī)外，還要具備

6、由傳輸媒質(zhì)構(gòu)成的信道(xn do)。信道(xn do)按傳輸媒質(zhì)可分為有線信道(xn do)和無線信道(xn do)兩類。有線信道(xn do)包括電纜和光纖；無線信道(xn do)是指無線電波傳播的空間。信道(xn do)按傳輸特性參數(shù)隨外界各種因素影響變化的快慢來分有“恒參信道(xn do)”和“變參信道(xn do)”。第十頁，共97頁。無線信號傳輸無線信號傳輸(chun sh)過程過程l傳輸過程一般是由發(fā)射設(shè)備(shbi)產(chǎn)生電信號并由發(fā)射天線轉(zhuǎn)換成電磁波，經(jīng)空間媒質(zhì)傳播到接收端，由接收天線接收電磁波并還原成電信號而完成傳輸。 第十一頁，共97頁。無線電波傳播無線電波傳播(chunb)

7、的幾種方式的幾種方式 直射波電離層對流層天波散射波地波地反射波CTR第十二頁，共97頁。無線電波無線電波(wxin dinb)傳播的幾傳播的幾種方式種方式 直射波傳播（視距傳播）：一般用在超短波和微波波段。直射波傳播是最主要的無線電波傳播方式。電離層反射波傳播（天波傳播）：指電波向天空輻射并經(jīng)電離層反射后回到地面的傳播方式，主要用在中波(zhngb)和短波波段，簡稱天波。地表面波傳播：這是一種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，簡稱地波。主要用在中、長波波段和短波的低頻段。由于大地對電波能量的吸收作用，因此利用地波這種傳播方式時，只能進(jìn)行頻段較低的近距離通信。散射波傳播：這種傳播主要是由于電磁波投射到大

8、氣層（如對流層）中不均勻氣團(tuán)或投射到流星余跡上時產(chǎn)生散射，其中有一部分電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)。地面反射波傳播：電波經(jīng)地面反射后到達(dá)接收地點(diǎn)的傳播方式。 第十三頁，共97頁。電波電波(din b)傳播的特性傳播的特性 電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播 在均勻媒質(zhì)中，電磁波各射在均勻媒質(zhì)中，電磁波各射線的傳播速度相同線的傳播速度相同 ，傳播方向不變。，傳播方向不變。能量的擴(kuò)散與吸收能量的擴(kuò)散與吸收 當(dāng)電磁波離開天線后，便向當(dāng)電磁波離開天線后，便向四面八方擴(kuò)散，隨著傳播距離增加四面八方擴(kuò)散，隨著傳播距離增加(zngji)(zngji)，空間的電磁場就越來越弱，空間的電磁場就越來越

9、弱 。第十四頁，共97頁。電波電波(din b)傳播的特性傳播的特性 反射與折射反射與折射 當(dāng)電波由一種媒質(zhì)傳播到另當(dāng)電波由一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳一種媒質(zhì)時，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳播方向會發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。播方向會發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。并遵守光學(xué)的折射和反射定律。并遵守光學(xué)的折射和反射定律。 電波的干涉電波的干涉 由同一由同一(tngy)(tngy)電波源所產(chǎn)電波源所產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某接收生的電磁波，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某接收點(diǎn)場強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象點(diǎn)場強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象叫做波的干涉，也稱作多徑效應(yīng)。叫

10、做波的干涉，也稱作多徑效應(yīng)。第十五頁，共97頁。電波電波(din b)傳播的特性傳播的特性 繞射現(xiàn)象繞射現(xiàn)象 電波在傳播過程中有一定的電波在傳播過程中有一定的繞過障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射繞過障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射 。 電波的繞射能力與波長有關(guān)電波的繞射能力與波長有關(guān)(yugun)(yugun)，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，波長越長，繞射能力越強(qiáng)，波長越短，繞射能力越弱。波長越短，繞射能力越弱。第十六頁，共97頁。電波傳播的信道電波傳播的信道(xn do)特征特征無線電波在自由空間中的傳播 自由空間傳播是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。 實(shí)際情況下，只要地面上空(

11、shngkng)的大氣層是各向同性的均勻介質(zhì)，其相對界電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計(jì)，在這樣的情況下，電波可視作在自由空間中傳播。 第十七頁，共97頁。自由空間傳播自由空間傳播(chunb)損耗損耗 l假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間（一個沒有能夠反射、折射、繞射、假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間（一個沒有能夠反射、折射、繞射、散射和吸收電磁波的無限大的真空散射和吸收電磁波的無限大的真空(zhnkng)(zhnkng)中），若無方向中），若無方向性天線，輻射功率為性天線，輻射功率為PTPT瓦，則距離輻射源瓦，則距離輻射源d d米處的電場強(qiáng)度有

12、效米處的電場強(qiáng)度有效值為：值為：l磁場電場強(qiáng)度有效值為：磁場電場強(qiáng)度有效值為：l上式表明，電場上式表明，電場/ /磁場強(qiáng)度與傳播距離成反比，當(dāng)電波經(jīng)一段路磁場強(qiáng)度與傳播距離成反比，當(dāng)電波經(jīng)一段路徑傳播后，增加能量仍然會受到衰減，這是由于輻射能量的擴(kuò)徑傳播后，增加能量仍然會受到衰減，這是由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。散而引起的。 )/(300mVdPET)/(120300mAdPHT第十八頁，共97頁。接收接收(jishu)天線獲取電波的功天線獲取電波的功率率單位面積上的電波功率密度單位面積上的電波功率密度S為：為：S= PT /4d2（W/m2）4d2_球體表面積球體表面積無方向性接收無方向性接

13、收(jishu)天線的有天線的有 效面積效面積A為為:A= 2/4(天線理論天線理論)在在PR處接收處接收(jishu)天線獲取電波的功率天線獲取電波的功率PR為：為：PR=S A= PT /4d2 A =PT /4d2 2/4= PT(/4d)2第十九頁，共97頁。自由空間傳播自由空間傳播(chunb)損耗損耗 24dPPLRTP)(lg20)(lg2044.324lg102MHzfkmddLP第二十頁，共97頁。傳輸傳輸(chun sh)(chun sh)媒質(zhì)對電波媒質(zhì)對電波傳播的影響傳播的影響l傳輸損耗傳輸損耗(snho)(snho)（信道損耗（信道損耗(snho)(snho)） l衰落

14、現(xiàn)象衰落現(xiàn)象 l傳輸失真?zhèn)鬏斒д?l電波傳播方向的變化電波傳播方向的變化 第二十一頁，共97頁。傳輸傳輸(chun sh)(chun sh)損耗損耗l電波在實(shí)際的媒質(zhì)中傳播時是有能量損耗的。這種能量損耗可能是由于大氣對電波的吸收或擴(kuò)散(kusn)引起的，也可能是由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射而引起的。不同的傳播方式、傳播媒質(zhì)，信道的傳輸損耗不同。第二十二頁，共97頁。衰落衰落(shuilu)(shuilu)現(xiàn)象現(xiàn)象 l所謂衰落，一般是指信號電平隨時間的隨機(jī)起伏。按引起衰落的原因分類，大致可以分為吸收型衰落和干涉型衰落。l吸收型衰落主要是由于傳播媒質(zhì)電參數(shù)的變化，使得信號在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相

15、應(yīng)的變化而引起的。這種衰落跟天氣(tinq)有很大的關(guān)系，而且信號電平的變化緩慢，所以稱為慢衰落。此外，由地形起伏、建筑物及障礙物的遮蔽等引起的陰影衰落也稱慢衰落。l干涉型衰落主要是由于隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。這種衰落的信號電平變化很快，所以稱為快衰落。第二十三頁，共97頁。衰落衰落(shuilu)(shuilu)現(xiàn)象現(xiàn)象 504030209:00 10:00 11:00（小時） 1 50 100（秒）相對電平（）慢衰落（）快衰落40302010圖5-3衰落現(xiàn)象第二十四頁，共97頁。傳輸傳輸(chun sh)(chun sh)失真失真 l無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生(chnshng)傳輸損耗外，還會

16、產(chǎn)生(chnshng)失真振幅失真和相位失真。產(chǎn)生(chnshng)失真的原因有兩個：一是媒質(zhì)的色散效應(yīng)，二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。第二十五頁，共97頁。電波電波(din b)(din b)傳播方向的變化傳播方向的變化 l電波在實(shí)際空間中傳播的場是復(fù)雜多樣(du yn)的，有反射、散射和繞射等。因此電波傳播的方向是不斷變化的。第二十六頁，共97頁。地面地面(dmin)對微波傳播的影響對微波傳播的影響l惠更斯原理惠更斯原理(yunl)是，一點(diǎn)源的振動可傳遞給鄰近是，一點(diǎn)源的振動可傳遞給鄰近質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。當(dāng)點(diǎn)源發(fā)出球面波時，二質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。當(dāng)點(diǎn)源發(fā)出球面波時，二次波源產(chǎn)生的波前也是

17、球面，三次、四次次波源產(chǎn)生的波前也是球面，三次、四次波源也波源也是如此。是如此。第二十七頁，共97頁。費(fèi)涅爾區(qū)費(fèi)涅爾區(qū)l由解析幾何由解析幾何(ji x jh)可知，平面上一動點(diǎn)至兩可知，平面上一動點(diǎn)至兩定點(diǎn)定點(diǎn)T、R的距離之和為常數(shù)時，此動點(diǎn)軌跡為的距離之和為常數(shù)時，此動點(diǎn)軌跡為橢圓。在空間，此動點(diǎn)軌跡為旋轉(zhuǎn)橢球面橢圓。在空間，此動點(diǎn)軌跡為旋轉(zhuǎn)橢球面 第二十八頁，共97頁。第一第一(dy)費(fèi)涅爾區(qū)半徑費(fèi)涅爾區(qū)半徑 T R F1d2d1P第二十九頁，共97頁。第第n n費(fèi)涅爾區(qū)費(fèi)涅爾區(qū)第三十頁，共97頁。費(fèi)涅爾區(qū)對微波(wib)傳播的影響 l由費(fèi)涅爾區(qū)定義可知經(jīng)過各費(fèi)涅爾區(qū)端點(diǎn)P1、P2、P3的

18、電波射線TP1R、TP2R、TP3R依次相差。這樣，各相鄰費(fèi)涅爾區(qū)在R處產(chǎn)生的電波場強(qiáng)相位(xingwi)相差180，即第二費(fèi)涅爾區(qū)在R處產(chǎn)生的電波場強(qiáng)與第一費(fèi)涅爾區(qū)的反相，第一費(fèi)涅爾區(qū)的電波場強(qiáng)與第三費(fèi)涅爾區(qū)的同相。 第三十一頁，共97頁。費(fèi)涅爾區(qū)對微波(wib)傳播的影響 1234522111223344551222(222222222222EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE133445511EEEEEEE =-+-+22222221111 =+)- ()+ ()11 - ()+11111 =+E-E+E-E1 =E第三十二頁，共97頁。費(fèi)涅爾區(qū)對微波(wib)傳播的影響 l在自由空

19、間，并不是(b shi)所有費(fèi)涅爾區(qū)的能量都使R處的場強(qiáng)增大，而是相互干涉，偶數(shù)區(qū)的抵消奇數(shù)區(qū)的，最后結(jié)果是R處從所有費(fèi)涅爾區(qū)的得到的場強(qiáng)大致等于第一費(fèi)涅爾區(qū)在R處產(chǎn)生場強(qiáng)之半。 第三十三頁，共97頁。用費(fèi)用費(fèi)(yngfi)(yngfi)涅爾區(qū)解釋阻擋涅爾區(qū)解釋阻擋物的影響物的影響 第三十四頁，共97頁。自由空間余隙 h0 l若余隙hc大于h0，路徑損耗隨hc的增加略有波動，最終穩(wěn)定在自由空間損耗上。若余隙hc小于h0，那么隨著(su zhe)hc的減小，路徑損耗急劇增加。微波鏈路設(shè)計(jì)時，首先要保證自由空間余隙內(nèi)沒有任何障礙物。在實(shí)際中往往要求在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)不存在任何障礙物。 第三十五頁，共

20、97頁。用費(fèi)涅爾區(qū)分析平坦用費(fèi)涅爾區(qū)分析平坦(pngtn)(pngtn)地面的發(fā)射地面的發(fā)射 l實(shí)際中，總是將收發(fā)天線對準(zhǔn)(du zhn)，以便收方接收到較強(qiáng)的直射波，但由惠更斯原理，總會有一部電波折射到地面；若發(fā)射天線方向性不尖銳，也會有電波折射到地面。這時，接收點(diǎn)除收到直射波外，還收到地面反射的波（反射角等于入射角） 第三十六頁，共97頁。接收點(diǎn)場強(qiáng)222200022cos()EEEEr 20212cos()Er 第三十七頁，共97頁。衰落(shuilu)因子Lr l一般(ybn)入射角很小，180；而1（全反射），于是20212cos()rELrE 2212cos()rLr第三十八頁，共

21、97頁。Lrr的關(guān)系(gun x)曲線 第三十九頁，共97頁。說明(shumng)l當(dāng)r/ 2 、3/2 時，反射點(diǎn)P相當(dāng)于在第一、第三等奇數(shù)號費(fèi)涅爾區(qū)的邊緣，接收處的合成場強(qiáng)是直射波（它是第一費(fèi)涅爾區(qū)）與同相的反射波相加，合成場強(qiáng)最大。當(dāng)r、2時，P點(diǎn)在第二、第四等偶數(shù)費(fèi)涅爾區(qū)的邊緣，接收處的合成場強(qiáng)是直射波與反相反射波相加，合成場強(qiáng)最小。當(dāng)r/ 6 、5/ 6 時，反射點(diǎn)P在第一、第二等費(fèi)涅爾區(qū)以內(nèi)。僅以r/ 6說明。當(dāng)r /6 時，反射點(diǎn)P在第一費(fèi)涅爾區(qū)內(nèi)，雖然第一費(fèi)涅爾區(qū)的下半部被地面阻擋，但反射波與直射波同相相加，可以彌補(bǔ)(mb)地面阻擋的損失，仍可使接收處的場強(qiáng)與自由空間相近。 第

22、四十頁，共97頁。大氣對微波大氣對微波(wib)(wib)傳播的影響傳播的影響 l地球地球(dqi)大氣層大氣層 對流層平流層D 層E 層F1 層F2 層4090KM90110KM150KM250KM至1000KM1020KM2040KM電離層地 球第四十一頁，共97頁。地球地球(dqi)大氣層大氣層 l地球大氣層中最低的一層是對流層，其厚度平均約1020KM，由于其貼近地表面，大氣的溫度隨著高度的增加而下降，空氣對流十分(shfn)頻繁。對流層的平均高度隨地域變化而有所差異，溫帶地區(qū)為1012KM，赤道附近為1618KM。在對流層中集中了大氣中90%以上的水和3/4以上的大氣質(zhì)量。l在對流層

23、的上面一層是平流層，又稱同溫層，距地面約2040KM。在平流層上面是電離層。電離層是地球大氣的一部分。處于這種高度的大氣，其對流作用甚小，在太陽的輻射作用以及宇宙射線的影響下產(chǎn)生電離，形成相當(dāng)多的離子和自由電子。按離地球表面的高度，電離層依次分為D層、E層、F1層和F2層等四層。在白天，這四層電離層均存在；在晚上，D層消失，F(xiàn)1層和F2層合并為一層（這時稱為F2層）。 第四十二頁，共97頁。對流層l對流層自地面向上約10km范圍的低空大氣層。因天線架設(shè)高度不會超過此范圍，且微波傳播為空間射線(shxin)形式，故大氣的影響主要是對流層的影響，其它各層對微波傳播影響不大。l對流層集中了整個大氣質(zhì)

24、量的3/4 ，當(dāng)?shù)孛媸芴栒丈鋾r，地表溫度上升，地面放出的熱量使溫度較低的大氣膨脹，從而造成大氣密度不勻，產(chǎn)生了大氣的對流波動，故稱之為對流層。 第四十三頁，共97頁。對流層對微波(wib)傳播的影響 l由于氣體(qt)分子諧振，使微波能量被吸收。對波長2cm的微波，吸收才較顯著，當(dāng) 2cm時可不考慮。l由雨、霧、雪引起的微波能量的吸收，5cm時要考慮這種吸收， 5cm時可不考慮。l對流層溫度隨高度的增加而下降（平均每公里下降6C），壓力隨高度的增加而減小，水汽含量隨高度的增加而迅速下降。因此會形成云、霧之類的不均勻結(jié)構(gòu)，它們使電波發(fā)生折射、反射、散射、吸收等現(xiàn)象，其中最主要的是大氣折射。第四

25、十四頁，共97頁。大氣(dq)折射 l當(dāng)n隨著高度(god)的增大而增大時，由折射率定律可知，折射角ti，電波傳播軌跡將向下彎曲 第四十五頁，共97頁。等效地球(dqi)半徑 l大氣可以認(rèn)為時n是連續(xù)變化的，是由無限簿層構(gòu)成的，在其中傳播的微波將是連續(xù)折射(zhsh)彎曲的曲線 第四十六頁，共97頁。等效(dn xio)地球半徑 l等效條件是：等效前后電波射線軌跡上各點(diǎn)與地面之間垂直距離(jl)處處不變。由幾何學(xué)知，若兩曲線的曲率差相等，則它們之間距離(jl)處處相等，這樣，等效條件是電波路徑與地面之曲率差應(yīng)相等。 第四十七頁，共97頁。等效地球(dqi)半徑 第四十八頁，共97頁。正負(fù)折射正

26、負(fù)折射(zhsh)(zhsh)及標(biāo)準(zhǔn)折射及標(biāo)準(zhǔn)折射(zhsh) (zhsh) 無折射無折射 K K1 1，ReReR R，無折射，如圖，無折射，如圖5-235-23所示。所示。負(fù)折射（圖負(fù)折射（圖5-235-23曲線曲線） ReReR R，, ,電波射線折射向上彎曲，與地球電波射線折射向上彎曲，與地球(dqi)(dqi)彎曲方向相反，故稱負(fù)折射。彎曲方向相反，故稱負(fù)折射。正折射（圖正折射（圖5-235-23曲線曲線） K K，電波射線折射向下彎曲，與地球，電波射線折射向下彎曲，與地球(dqi)(dqi)彎曲方向相同，故稱正折射。彎曲方向相同，故稱正折射。 第四十九頁，共97頁。折射(zhsh)

27、示意第五十頁，共97頁。大氣大氣(dq)(dq)折射對余隙的影響折射對余隙的影響 第五十一頁，共97頁。凸起(t q)高度 第五十二頁，共97頁。折射(zhsh)后的總余隙 KRKddKRddRddh2) 1(22212121KRKddhhcce2) 1(21第五十三頁，共97頁。復(fù)雜復(fù)雜(fz)地形的余隙地形的余隙 1122213()()ceehH dhHdhHhd第五十四頁，共97頁。k值及余隙的選擇(xunz) l在天線高度設(shè)計(jì)中，k值非常重要(zhngyo)。在溫帶平均情況下，取k4/3，其變化范圍為2/3,若K值較小，余隙hc將會變小，電波衰減增大，故天線不能太低。反之，若天線較高，

28、而氣象變化使K增大，則hc增大，顯得天線太高造成浪費(fèi)。如果hc等于費(fèi)涅爾區(qū)半徑，則可能使地面反射去削弱主波。為此，對所選天線高度，應(yīng)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查：第五十五頁，共97頁。地面(dmin)反射系數(shù)較小 l0.5，即地面反射系數(shù)較小，此時主要防止障礙阻擋(zdng)過大，標(biāo)準(zhǔn)為k時，hc0.3F1（一般障礙物），或hc0（刃形障礙物）；lk時，hcF1；lk時，hc不能等于偶數(shù)費(fèi)涅爾區(qū)半徑。第五十六頁，共97頁。地面(dmin)反射系數(shù)較大l0.7，即地面反射(fnsh)系數(shù)較大，此時主要防止反射(fnsh)衰落過大，標(biāo)準(zhǔn)為lk時，hc0.3F1（一般障礙物），或hc0（刃形障礙物）；lk時，

29、hcF1；lK時，hc1.35 F1 第五十七頁，共97頁。微波傳輸微波傳輸(chun sh)系統(tǒng)的組系統(tǒng)的組成成 l數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)(xtng)組成方框圖組成方框圖 編編碼碼譯譯碼碼多多路路復(fù)復(fù)用用設(shè)設(shè)備備基基帶帶信信號號處處理理調(diào)調(diào)制制器器解解調(diào)調(diào)器器微波微波發(fā)信發(fā)信機(jī)機(jī)微波微波收信收信機(jī)機(jī)分分路路系系統(tǒng)統(tǒng)天天饋饋線線系系統(tǒng)統(tǒng)用用戶戶第五十八頁，共97頁。各部分(b fen)作用l信源/信宿l 產(chǎn)生信息和接收信息的末端設(shè)備。如電話機(jī)、計(jì)算機(jī)等。l復(fù)用/解復(fù)用l 復(fù)用是將多路模擬信號(xnho)經(jīng)過A/D變化再進(jìn)行時分復(fù)用為高速率信號(xnho)的過程。解復(fù)用是復(fù)用的逆過程。

30、l調(diào)制/解調(diào)器l 調(diào)制是將基帶信號(xnho)對射頻(微波)或中頻進(jìn)行調(diào)制.解調(diào)是調(diào)制逆過程。第五十九頁，共97頁。各部分(b fen)作用l發(fā)射機(jī)和接收機(jī)l 發(fā)射機(jī)用來將已調(diào)信號功率放大后饋送給發(fā)射天線發(fā)射出去的設(shè)備。接收機(jī)則將受空間傳輸衰減后的微弱信號進(jìn)行放大、混頻、濾波等處理和變換的設(shè)備。l分路濾波器（雙工器）l 通信一般均是雙向進(jìn)行的。為了實(shí)現(xiàn)(shxin)發(fā)射和接收共用一副天線，必須采用分路器或雙工器，它利用收發(fā)頻率的差異實(shí)現(xiàn)(shxin)收發(fā)分離。第六十頁，共97頁。各部分(b fen)作用l天饋線l 天線及其饋線完成收發(fā)信機(jī)的電信號和空間電磁波之間的能量轉(zhuǎn)換。l 前二類設(shè)備(sh

31、bi)稱為通信系統(tǒng)的終端設(shè)備(shbi)，后四類設(shè)備(shbi)稱為信道設(shè)備(shbi)。第六十一頁，共97頁。天饋線天饋線(ku xin)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 第六十二頁，共97頁。天線(tinxin)的方向性 第六十三頁，共97頁。天線天線(tinxin)增益增益天線增益是表示拋物面天線輻射能量的集中程度。用字母G表示。G=E2/E02=A/(24) =(14)D2/24 =(D/)2 E有方向天線在空間某點(diǎn)(P點(diǎn))產(chǎn)生的電場強(qiáng)度(qingd)。 E0無方向理想天線在某點(diǎn)(同一點(diǎn)P)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度(qingd). A: 天線口面積 ; D: 拋物面反射器的口面直徑 24:無方向性天線的

32、等效面積 : 為工作波長 第六十四頁，共97頁。天線天線(tinxin)增益增益實(shí)際：G=(D/)2 稱為口面利用系數(shù)，一般=0.450.60GdB=10lgG=10lg(D/)2當(dāng)=0.54時，GdB=10lg（Df/c）2 GdB =20lgf(MHz)+20lgD(m)-42.28(dB) 式中：f(MHz)為工作(gngzu)波長對應(yīng)的頻率。D(m)：為天線口面直徑(m)第六十五頁，共97頁。半功率(gngl)角(3dB波束寬度) 和零功率(gngl)角l半功率角是指主葉瓣上場強(qiáng)為主射方向場強(qiáng)的1/2= 0.707時（即功率下降1/2時），兩個方向間的夾角，即為“20.5”； l零功率

33、角是指偏離主射方向最近的兩個零射方向（輻射(fsh)場強(qiáng)為零的方向）之間的夾角，記為“20”。 l天線的半功率角越小，能量集中程度越高第六十六頁，共97頁。防衛(wèi)(fngwi)度l天線后向防衛(wèi)度是指天線主射方向的輻射場強(qiáng)0與后向輻射場強(qiáng)E180的比值，用180表示(biosh)，即 l天線正交防衛(wèi)度是指天線主射方向的輻射場強(qiáng)0與偏離主射方向90方向上輻射場強(qiáng)E 90的比值，用90表示(biosh)，即 l天線防衛(wèi)度反映了主射方向的輻射場強(qiáng)對偏離其90和180方向上的串?dāng)_影響大小，防衛(wèi)度越高其擾越小。 第六十七頁，共97頁。拋物面天線(tinxin) 拋物面天線由旋轉(zhuǎn)拋物面和輻射源（饋源）兩部分組

34、成，拋物面焦點(diǎn)(jiodin)處的輻射源發(fā)射出的球面波，經(jīng)拋物面反射形成定向的平面波束射向空間。 第六十八頁，共97頁。拋物面天線(tinxin) lPF+MP=常數(shù)，與P點(diǎn)的位置無關(guān)，這說明MF平面是一個等相位面。因此(ync)拋物面天線發(fā)射出的電磁波在Z方向是一個平面波。 第六十九頁，共97頁?？ㄈ窳痔炀€卡塞格林天線(tinxin) (tinxin) 第七十頁，共97頁?？ㄈ窳痔炀€卡塞格林天線(tinxin) (tinxin) l卡塞格倫天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的一個焦點(diǎn)與拋物面的焦點(diǎn)重合，雙曲面焦

35、軸與拋物面的焦軸重合，而輻射源位于雙曲面的另一焦點(diǎn)上，如下圖所示。它是由副反射器對輻射源發(fā)出的電磁波進(jìn)行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然后(rnhu)再經(jīng)主反射器反射后獲得 方向的平面波波束，以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射 第七十一頁，共97頁。卡塞格林天線卡塞格林天線(tinxin)(tinxin)原理原理第七十二頁，共97頁。為什么用卡塞格倫天線(tinxin)l卡塞格倫天線相對于拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變?yōu)楹箴伔绞?，這使天線的結(jié)構(gòu)較為緊湊，制作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點(diǎn)至口面各點(diǎn)的距離接近(jijn)

36、于常數(shù)，因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小，使得卡塞格倫天線的效率比標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線要高。 第七十三頁，共97頁。微波饋線(ku xin)系統(tǒng) l饋線系統(tǒng)是聯(lián)接分路系統(tǒng)與天線的饋線和波導(dǎo)部件l它可以有多種安裝(nzhung)形式。l軟同軸電纜系統(tǒng)l矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)l橢圓軟波導(dǎo)系統(tǒng)l圓一矩硬波導(dǎo)系統(tǒng)l圓一橢圓饋線系統(tǒng)。第七十四頁，共97頁。微波饋線(ku xin)系統(tǒng) l硬波導(dǎo)系統(tǒng)是目前4GHz、6GHz常用的方式。優(yōu)點(diǎn)是不易損壞。但波導(dǎo)管短，接頭多，要用彎頭和扭波導(dǎo)來轉(zhuǎn)彎，安裝不方便，鋼材用量大。l同軸電纜和橢圓軟波導(dǎo)系統(tǒng)用在2GHz較多。優(yōu)點(diǎn)：這種電纜可以做得很長，接頭少，泄漏少，反射也小。運(yùn)輸

37、方便，安裝簡單。但單位長度衰耗大，最好用于天線距收發(fā)信機(jī)較近的場合。這種電纜特別注意不要擠壓損壞。l圓波導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是衰耗小，適宜作長饋線使用，目前在高塔上一般用圓波導(dǎo)作主饋線。引入機(jī)房(j fn)后再變換為矩形波導(dǎo)。圓波導(dǎo)非常有用，但安裝、調(diào)整比較困難。其中高次模的濾除、極化去耦補(bǔ)償是安裝圓波導(dǎo)要特別注意的。l目前4GHz、6GHz大部分使用圓一矩波導(dǎo)系統(tǒng)；2GHz用同軸電纜或橢圓軟波導(dǎo)；8GHz用矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)。隨著橢圓軟波導(dǎo)質(zhì)量的提高，其應(yīng)用范圍越來越大。 第七十五頁，共97頁。微波微波(wib)中繼傳輸中繼傳輸l微波通信是視距方式的通信，如要在超視距的兩個點(diǎn)或多個點(diǎn)間建立微波站傳輸，也

38、就是必須采用中繼方式轉(zhuǎn)播，用多個微波接力站實(shí)現(xiàn)微波中繼或利用衛(wèi)星(wixng)實(shí)現(xiàn)微波中繼。l微波傳輸信道上的微波站可分為微波端站，微波中繼站和微波分站。l微波站都是由微波中繼機(jī)、饋線、天線、鐵塔等構(gòu)成。l不同工作性質(zhì)的微波站主要區(qū)別在于微波站中各中繼機(jī)的結(jié)構(gòu)形式不同。分為：再生轉(zhuǎn)接（基帶式）、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接三種。第七十六頁，共97頁。微波微波(wib)中繼傳輸中繼傳輸?shù)谄呤唔?，?7頁。再生再生(zishng)(zishng)轉(zhuǎn)接（基帶式）轉(zhuǎn)接（基帶式） l載頻為的接收微波信號經(jīng)混頻電路后，輸出中頻已調(diào)信號，經(jīng)中放輸出符合電平和阻抗要求的中頻已調(diào)信號，經(jīng)解調(diào)、再生還原出數(shù)字基帶脈沖序列

39、，作為下話路的信號。如本站有上話路的脈沖序列，則又對中頻和微波載波進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)微波功放后，以為載波的形式發(fā)射(fsh)出去。 圖圖5-12再生轉(zhuǎn)接中繼機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖再生轉(zhuǎn)接中繼機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖微微波波低噪低噪聲放聲放大大混混頻頻中中放放解解調(diào)調(diào)再再生生本振本振微微波波功功放放調(diào)調(diào)制制天線天線主振主振天線天線第七十八頁，共97頁。中頻中頻(zhngpn)(zhngpn)轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)接 l載頻為f1的接收微波信號經(jīng)混頻還原出中頻已調(diào)波，中放后輸出滿足一定(ydng)電平的中頻調(diào)制信號。此中頻調(diào)制信號直接送往發(fā)送側(cè)的功率中放輸出足夠大的電平和頻率為f2的主振信號經(jīng)上變頻輸出頻率為f1；的微波調(diào)制信號，再經(jīng)微波

40、功放由微波天線發(fā)射出去。微微波波低噪低噪聲放聲放大大混混頻頻中中放放功 率功 率放大放大收本收本振振微微波波功功放放上上變變頻頻天線天線主振主振天線天線。第七十九頁，共97頁。微波微波(wib)(wib)轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)接 l微波轉(zhuǎn)接和采用(ciyng)中頻轉(zhuǎn)接方式很類似。只是一個是微波放大，一個是中頻放大。舊書P117第八十頁，共97頁。衰落(shuilu)及抗衰落(shuilu)l衰落大體上可以歸為兩大類：l第一類是氣象條件的不平穩(wěn)變化引起的，如大氣折射的慢變化，雨霧衰減，大氣中不均勻體的散射等引起的衰落；l第二類是多徑傳播引起的衰落。由于氣象條件不平穩(wěn)變化，使傳播發(fā)生異常?？赡艹霈F(xiàn)多條傳播路徑，這

41、就稱為(chn wi)多徑傳播，這時到達(dá)接收天線的幾條射線，在垂直天線口面上的相位不可能完全相同，這就會產(chǎn)生相互迭加干擾，使合成信號產(chǎn)生或深或淺的衰落。 第八十一頁，共97頁。平衰落(shuilu) l第一類是相對平穩(wěn)的衰落，它是在信號帶內(nèi)各頻分量的衰減無顯著差別，這種衰落稱為平坦衰落，簡稱平衰落。平衰落的現(xiàn)象是使收信電平降低，嚴(yán)重時也可使電路(dinl)中斷。 第八十二頁，共97頁。頻率(pnl)選擇性衰落 lK型衰落：地面反射引起的，在等效地球半徑系數(shù)K發(fā)生變化(如大氣折射發(fā)生快而大的變化)時引起的衰落，當(dāng)接收天線高度固定時具有頻率選擇性 l波導(dǎo)型衰落：電波在低空大氣層傳播時，由于(yuy

42、)大氣波導(dǎo)層的折射或反射形成多徑傳播而產(chǎn)生的衰落，也具有頻率選擇性 第八十三頁，共97頁。分析多徑衰落(shuilu)的方法l在視距微波線路上，分析(fnx)多徑衰落時均可等效為多條電波射線相互干擾后的結(jié)果。第八十四頁，共97頁?？顾ヂ淇顾ヂ?shuilu)技術(shù)技術(shù) l分集接收 l自適應(yīng)(shyng)均衡技術(shù) 第八十五頁，共97頁。分集接收(jishu)分集技術(shù)(Diversity Techniques)就是研究如何利用多徑信號來改善系統(tǒng)的性能。分集技術(shù)利用多條傳輸相同信息、且具有近似相等的平均信號強(qiáng)度和相互獨(dú)立(dl)衰落特性的信號路徑，并在接收端對這些信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜?Combining

43、)，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸?shù)目煽啃?。第八十六頁，?7頁。頻率(pnl)分集和空間分集 l二重頻率分集：是同用一天線，發(fā)射兩個頻率f1和f2，兩者載送同一信息。在接收端，用兩部(lin b)接收機(jī)從同一天線分別接收兩個頻率的信號后，再通過組合電路輸出。這種方法占用頻帶寬，在干線微波上很少采用。 l二重空間分集：是一個天線發(fā)射，用兩個在不同位置的天線接收，再通過組合后輸出。l對頻率選擇性衰落更嚴(yán)重的線路，也可兩種分集同時采用，稱為混合分集。第八十七頁，共97頁。采用(ciyng)空間分集l當(dāng)存在地面反射時，可采用空間分集在空間不同的高度上設(shè)置幾副進(jìn)行接收(jishu)。l由平滑

44、地面反射知，發(fā)生地面反射而引起衰落時，衰落大小與行程差有關(guān)，與余隙有關(guān)，所以接收(jishu)場強(qiáng)(或電平)隨接收(jishu)點(diǎn)高度的變化而變化。當(dāng)氣象條件變化時，會引起余隙變化。如用一個固定高度的天線接收(jishu)，這種變化無疑引起信號的衰落。如果采用兩個固定天線，使高差等于場強(qiáng)分布相鄰最大與最小值的間距，這樣兩天線在接收(jishu)信號時可以互相補(bǔ)償，使衰落帶來的影響可大大降低。 第八十八頁，共97頁。時間時間(shjin)分集分集時間分集就是將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在時間分集就是將要傳輸?shù)男畔⒎謩e在不同的時隙發(fā)射出去，要求重發(fā)信號的時不同的時隙發(fā)射出去，要求重發(fā)信號的時隙間隔要大于信道相干時間，以保證重發(fā)隙間