自由空間與地反射理論傳播模型

1、10-1電波傳播理論第10章自由空間與地反射理論傳播模型基本要求：1.掌握自由空間傳播模型的基本概念；2. 掌握地面反射，特別是光滑平坦地面對(duì)無線電波傳播的影響；3.了解地面反射的幾何參數(shù)；4.了解計(jì)及平坦地面反射影響時(shí)基本傳輸損耗的幾種預(yù)測(cè)模型。第10章 自由空間與地反射理論傳播模型110-2電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.1 自由空間傳播模型當(dāng)電波傳播路徑遠(yuǎn)離地面、地物并且大氣對(duì)電波傳播的影響也可以忽略時(shí)，可以近似地認(rèn)為無線電波的傳播是自由空間傳播，此時(shí)傳播預(yù)測(cè)可以采用自由空間傳播模型。在其他復(fù)雜傳播條件下，自由空間傳播模型雖然已不再適用但可作為一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。是否可

2、以忽略大氣對(duì)電波傳播的影響，與電波的頻率有極大的關(guān)系。例如，在短波、超短波頻段，對(duì)流層大氣的氣體分子對(duì)電波能量的吸收以及降雨對(duì)電波的衰減是可以忽略不計(jì)的，而在微波和毫米波頻段就不能忽略這些傳播效應(yīng)；再比如，微波可以直接穿透電離層不受其影響，而短波則不能，投射到電離層的短波信號(hào)會(huì)被電離層反射、吸收、衰減后返回地面。是否可以忽略地面、地物對(duì)電波傳播的影響，也與頻率有關(guān)，這個(gè)問題實(shí)質(zhì)上是電波傳播的通道問題。210-3電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型自由空間基本傳輸損耗的幾個(gè)重要公式：自由空間模型可應(yīng)用于任何頻率。工程實(shí)踐中，在HF、VHF、UHF頻段，頻率通常以MHz為單位，此時(shí)宜

3、使用 式（10.3）計(jì)算自由空間傳輸損耗；但是，對(duì)于微波和毫米波頻段，使用式（10.4）是比較方便的，通常在微波和毫米波頻段習(xí)慣使用GHz作為頻率的單位。（10.1）（10.2）（10.3）（10.4）310-4電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型自由空間的接收電平： 自由空間接收電平； 發(fā)射功率； 發(fā)射天線增益； 接收天線增益； 發(fā)射端饋線損耗（含插入損耗）； 接收端饋線損耗（含插入損耗）。 自由空間基本傳輸損耗 相對(duì)于各向同性天線的增益（10.5）410-5電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2 地面反射理論傳播模型在工程實(shí)踐中，考慮地反射對(duì)電波傳播的影響

4、，需要計(jì)算以下參數(shù)：反射點(diǎn)離發(fā)射站的水平距離，反射點(diǎn)離接收站的水平距離；入射線和地反射線的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)的空間座標(biāo)；反射區(qū)的大小，即反射區(qū)費(fèi)涅爾橢圓的長(zhǎng)軸和短軸；地面反射系數(shù)以及地面反射損耗等。510-6電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2.1 反射點(diǎn)離發(fā)射站和接收站的水平距離地面反射點(diǎn)F到發(fā)射端T和接收端R的距離公式中各有關(guān)參數(shù)的定義說明參見教材。 （10.6）（10.7）610-7電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2.2 入射線和地反射線的作圖發(fā)射點(diǎn)T、接收點(diǎn)R和地面反射點(diǎn)F在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo) 在等效地球的地形剖面上，連接T與R點(diǎn)的直線就是直接

5、射線，連接T與F點(diǎn)的直線就是入射線，連接F和R點(diǎn)的直線即是地面的反射線。710-8電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2.3 地面反射區(qū)的第一費(fèi)涅爾橢圓地面反射的費(fèi)涅爾區(qū)以發(fā)射源的鏡像和接收點(diǎn)為焦點(diǎn)的費(fèi)涅爾橢球與地面反射的等效平面相交在地面上截取的部分地面（橢圓面）。地面反射區(qū)的第一費(fèi)涅爾橢圓以發(fā)射源的鏡像和接收點(diǎn)為焦點(diǎn)的第一費(fèi)涅爾橢圓與地面反射的等效平面相交在地面上截取的橢圓面。810-9電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型地面反射區(qū)的第一費(fèi)涅爾橢圓中心離發(fā)射端的距離 以及橢圓的長(zhǎng)軸 和短軸 （10.18）910-10電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理

6、論傳播模型地面反射區(qū)的第一費(fèi)涅爾橢圓代表地面反射的有效作用區(qū)域，該區(qū)域的地面特性直接決定地面反射波的強(qiáng)弱程度。如果該區(qū)域落在粗糙的地面，如山區(qū)或森林地區(qū)，則地面鏡發(fā)射分量就很弱，主要是非相干的散射波；如果該區(qū)域落在平坦的地面或水面，則地面將出現(xiàn)強(qiáng)烈的鏡發(fā)射分量，引起接收信號(hào)的嚴(yán)重衰落。在設(shè)計(jì)超短波和微波通信電路時(shí)，要避免地面反射區(qū)落到平滑的地面或水面，辦法是調(diào)節(jié)收、發(fā)兩端的天線高度。1010-11電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2.4 地面反射系數(shù)無線電波投射到地面，一部分能量被反射回空氣中，這稱為地面反射波；而另一部分能量則進(jìn)入地面或被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@被稱為折射波。通常

7、，定義反射波幅度與入射波幅度之比為反射系數(shù)，用以度量地面反射的強(qiáng)弱。對(duì)于光滑平面地面而言，其反射系數(shù)可用著名的費(fèi)涅爾反射系數(shù)來表達(dá)，即 （10.23）1110-12電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型等效反射系數(shù) 在粗糙球形地面的反射點(diǎn)上，鏡反射線場(chǎng)強(qiáng)與入射線場(chǎng)強(qiáng)之比 粗糙地面的散射引起的損耗 球形地面的擴(kuò)散系數(shù) 真實(shí)地反映了球形粗糙地面的綜合的鏡反射能力。 無法有效計(jì)算出來的，而且也很難實(shí)際測(cè)量； 理論上可以計(jì)算，但實(shí)際上也是無法單獨(dú)測(cè)量出來的。等效反射系數(shù) 是可以用實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來的。 （10.28）1210-13電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型有效反射系數(shù) 考

8、慮收、發(fā)天線的方向性圖以及地面、地物的阻擋時(shí)在接收點(diǎn)反射線場(chǎng)強(qiáng)比直接射線場(chǎng)強(qiáng)衰減的倍數(shù) 發(fā)射天線波瓣對(duì)入射波的衰減系數(shù) 接收天線波瓣對(duì)地面反射波的衰減系數(shù) 地面地物的阻擋對(duì)入射線場(chǎng)強(qiáng)的衰減系數(shù) 地面地物的阻擋地反射線場(chǎng)強(qiáng)的衰減系數(shù)在粗糙球形地面的反射點(diǎn)上的有效反射系數(shù) （10.29）（10.30）1310-14電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型10.2.5 地反射損耗地面反射引起的損耗 上式已經(jīng)考慮了地面反射時(shí)引起的180度相位跳變，所以其中的有效反射系數(shù)是指反射系數(shù)的大小，即是一個(gè)正數(shù)。 最大地反射損耗 （10.33）（10.31）1410-15電波傳播理論第10章 自由空間

9、與地反射理論傳播模型不同地面的經(jīng)驗(yàn)等效反射系數(shù) 10.3 平地模型（理想平地模型和修正平地模型）10.4 精確的二射線模型10.5 理想光滑平坦地面的理論傳播模型1510-16電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型傳輸損耗、傳播損耗、自由空間損耗和地反射損耗發(fā)射功率 和接收功率 發(fā)射端饋線損耗 和接收端饋線損耗傳輸損耗 傳播損耗自由空間傳播損耗地反射損耗（10.59）（10.3）（2.38）（10.31）1610-17電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型地反射損耗的計(jì)算接收點(diǎn)直射射線的場(chǎng)強(qiáng)（自由空間接收?qǐng)鰪?qiáng)）接收點(diǎn)反射射線的場(chǎng)強(qiáng)有效反射系數(shù)地反射損耗（10.29）（10.31）1710-18電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型有效反射系數(shù)發(fā)射天線波瓣對(duì)入射波的衰減系數(shù)接收天線波瓣對(duì)地面反射波的衰減系數(shù)地面地物的阻擋對(duì)入射線場(chǎng)強(qiáng)的衰減系數(shù)地面地物的阻擋地反射線場(chǎng)強(qiáng)的衰減系數(shù)等效反射系數(shù)粗糙地面的散射引起的損耗球形地面的擴(kuò)散系數(shù)（10.29）（10.28）（10.27）1810-19電波傳播理論第10章 自由空間與地反射理論傳播模型費(fèi)涅爾反射系數(shù)相對(duì)于反射面的發(fā)射天線等效高度