電波傳播概論課件

第6章電波傳播概論

6.1電波傳播的基本概念

1.無線電波在自由空間的傳播天線置于自由空間中,假設發(fā)射天線是一理想的無方向性天線,若它的輻射功率為PΣ瓦,則離開天線r處的球面上的功率流密度為功率流密度又可以表示為（6-1-1）

第6章電波傳播概論

6.1電波傳播的基本概念（6-1-由此,離天線為r處的電場強度E0值為又假設發(fā)射天線是一實際天線,其輻射功率仍為PΣ,設它的輸入功率為Pi,若以Gi表示實際天線的增益系數(shù),則在離實際天線r處的最大輻射方向上的場強為（6-1-2）（6-1-3）（6-1-4）由此,離天線為r處的電場強度E0值為又假如果接收天線的增益系數(shù)為GR,有效接收面積為Ae,則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間的基本傳輸損耗:將上式取對數(shù)得（6-1-5）（6-1-6）（6-1-7）如果接收天線的增益系數(shù)為GR,有效接收面由上式可見:若不考慮天線的因素,則自由空間中的傳輸損耗,是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴散而引起的,它反映了球面波的擴散損耗。

2.傳輸媒質對電波傳播的影響(1)傳輸損耗（信道損耗）電波在實際的媒質（信道）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散射引起的,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。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下,設接收點的實際場強E、功率PR′，而自由空間的場強為E0、功率為PR，則信道的衰減因子A為由上式可見:若不考慮天線的因素,則自則傳輸損耗Lb為若不考慮天線的影響,即令Gi=GR=1,則實際的傳輸損耗為式中,前三項為自由空間損耗Lbf；A為實際媒質的損耗。不同的傳播方式、傳播媒質,信道的傳輸損耗不同。（6-1-8）（6-1-9）（6-1-10）則傳輸損耗Lb為若不考慮天線的影響,即令G表6-1電磁干擾的分類表6-1電磁干擾的分類(2)衰落現(xiàn)象所謂衰落,一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。根據(jù)引起衰落的原因分類,大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于傳輸媒質電參數(shù)的變化,使得信號在媒質中的衰減發(fā)生相應的變化而引起的。如大氣中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對電波有吸收作用。由于氣象的隨機性,這種吸收的強弱也有起伏,形成信號的衰落。由這種原因引起的信號電平的變化較慢,所以稱為慢衰落,如圖6-1(a)所示。慢衰落通常是指信號電平的中值（五分鐘中值、小時中值、月中值等）在較長時間間隔內的起伏變化。(2)衰落現(xiàn)象圖6–1衰落現(xiàn)象圖6–1衰落現(xiàn)象干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中,由于收、發(fā)兩點間存在若干條傳播路徑,典型的如天波傳播、不均勻媒質傳播等，在這些傳播方式中,傳輸媒質具有隨機性,因此使到達接收點的各路徑的時延隨機變化,致使合成信號幅度和相位都發(fā)生隨機起伏。這種起伏的周期很短,信號電平變化很快,故稱為快衰落,如圖6-1(b)所示。這種衰落在移動通信信道中表現(xiàn)得更為明顯?？焖ヂ浏B加在慢衰落之上。在較短的時間內觀察時,前者表現(xiàn)明顯,后者不易被察覺。信號的衰落現(xiàn)象嚴重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）來加以克服。干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在(3)傳輸失真無線電波通過媒質除產(chǎn)生傳輸損耗外,還會產(chǎn)生失真——振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個:一是媒質的色散效應,二是隨機多徑傳輸效應。色散效應是由于不同頻率的無線電波在媒質中的傳播速度有差別而引起的信號失真。載有信號的無線電波都占據(jù)一定的頻帶,當電波通過媒質傳播到達接收點時,由于各頻率成分傳播速度不同,因而不能保持原來信號中的相位關系,引起波形失真。至于色散效應引起信號畸變的程度,則要結合具體信道的傳輸情況而定。(3)傳輸失真多徑傳輸也會引起信號畸變。這是因為無線電波在傳播時通過兩個以上不同長度的路徑到達接收點,接收天線檢拾的信號是幾個不同路徑傳來的電場強度之和。設接收點的場是兩條路徑傳來的相位差為φ=ωτ的兩個電場的矢量和。最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延τ。對所傳輸信號中的每個頻率成分,相同的τ值引起不同的相差。例如對f1，若φ1=ω1τ=π,則因二矢量反相抵消,此分量的合成場強呈現(xiàn)最小值；而對f2,若φ2=ω2τ=2π,則因二矢量同相相加,此分量的合成場強呈現(xiàn)最大值，如圖6-2(b)所示。其余各成分依次類推。顯然,若信號帶寬過大,就會引起較明顯的失真。所以一般情況下,信號帶寬不能超過1/τ。因此，引入相關帶寬的概念，定義相關帶寬:多徑傳輸也會引起信號畸變。這是因為無線電波圖6-2多徑傳輸效應圖6-2多徑傳輸效應(4)電波傳播方向的變化當電波在無限大的均勻、線性媒質內傳播時,射線是沿直線傳播的。然而電波傳播實際所經(jīng)歷的空間場所是復雜多樣的:不同媒質的分界處將使電波折射、反射;媒質中的不均勻體如對流層中的湍流團將使電波產(chǎn)生散射;球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射;特別是某些傳輸媒質的時變性使射線軌跡隨機變化,使得到達接收天線處的射線入射角隨機起伏,使接收信號產(chǎn)生嚴重的衰落。因此,在研究實際傳輸媒質對電波傳播的影響問題時,電波傳播方向的變化也是重要內容之一。(4)電波傳播方向的變化6.2視距傳播所謂視距傳播,是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信以及雷達等都可以采用這種傳播方式。它主要用于超短波和微波波段的電波傳播。

1.視線距離設發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2（圖6-3）,由于地球曲率的影響,當兩天線A、B間的距離r＜rv時,兩天線互相“看得見”,當r＞rv時,6.2視距傳播所謂視距傳播,是指發(fā)射天圖6-3視線距離圖6-3視線距離兩天線互相“看不見”,距離rv為收、發(fā)天線高度分別為h2和h1時的視線極限距離,簡稱視距。圖6-3中,AB與地球表面相切,a為地球半徑,由圖可得到以下關系式:將地球半徑a=6.370×106m代入上式,即有式中，h1和h2的單位為米。視距傳播時,電波是在地球周圍的大氣中傳播的,大氣對電波產(chǎn)生折射與衰減。由于大氣層是非均勻媒質,其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化,大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)。（6-2-1）（6-2-2）兩天線互相“看不見”,距離rv為收、發(fā)天在標準大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)εr隨高度增加而減小，并逐漸趨近于1,因此大氣層的折射率n=隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄片層,每一薄層是均勻的,各薄層的折射率n隨高度的增加而減小。這樣當電波在大氣層中依次通過每個薄層界面時,射線都將產(chǎn)生偏折,因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線，如圖6-4所示。當考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時,視距公式應修正為在光學上,r＜rv的區(qū)域稱為照明區(qū),r＞rv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。（6-2-3）在標準大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)εr隨高度增圖6-4大氣層對電波的折射圖6-4大氣層對電波的折射于電波頻率遠低于光學頻率,故不能完全按上述幾何光學的觀點劃分區(qū)域。通常把r＜0.8rv的區(qū)域稱為照明區(qū),將r＞1.2rv的區(qū)域稱為陰影區(qū),而把0.8rv＜r＜1.2rv的區(qū)域稱為半照明半陰影區(qū)。

2.大氣對電波的衰減大氣對電波的衰減主要來自兩個方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收及水分子、氧分子對電波的諧振吸收。熱吸收與小水滴的濃度有關,諧振吸收與工作波長有關。另一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的散射,散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比,與波長的四次方成反比。于電波頻率遠低于光學頻率,故不能完全按上述當工作波長短于5cm時,就應該考慮大氣層對電波的衰減,尤其當工作波長短于3cm時,大氣層對電波的衰減將趨于嚴重。就云、霧、雨、雪對微波傳播的影響來說,降雨引起的衰減最為嚴重,對10千兆赫以上的頻率,由降雨引起的電波衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設計中都要考慮由降雨引起的衰減。

3.場分析在視距傳播中,除了自發(fā)射天線直接到達接收天線的直射波外,還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達接收天線的反射波，如圖6-5所示。因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。當工作波長短于5cm時,就應該考慮大氣層對圖6–5直射波與反射波圖6–5直射波與反射波設h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,d為收、發(fā)天線間距,E為接收點場強,Eθ1為直射波,Eθ2為反射波。根據(jù)上面的分析,接收點的場強為E=Eθ1+Eθ2Eθ1=E0f(θ)Eθ2=RE0f(θ′)式中,R為反射點處的反射系數(shù),R=|R|ejφ,f(θ)為天線方向函數(shù)。如果兩天線間距離d>>h1,h2,則有（6-2-4）（6-2-5）設h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,θ=θ′式中，而將其代入式（6-2-7）得當?shù)孛骐妼蕿橛邢拗禃r,若射線仰角很小,則有RH≈RV≈1（6-2-7）（6-2-6）（6-2-8）（6-2-9）θ=θ′式中，而將其代入式（6-2-7）得當?shù)孛骐妼蕿橛惺街?RH為水平極化波的反射系數(shù);RV垂直極化波的反射系數(shù)。對于視距通信電路來說,電波的射線仰角是很小的（通常小于1°）,所以有由上式可得到下列結論:①當工作波長和收、發(fā)天線間距不變時,接收點場強隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動，如圖6-6所示。②當工作波長λ和兩天線高度h1和h2都不變時,接收點場強隨兩天線間距的增大而呈波動變化,間距減小，波動范圍減小，如圖6-7所示。（6-2-10）式中,RH為水平極化波的反射系數(shù);RV垂直極化波的反射系圖6–6接收點場強隨天線高度的變化曲圖6–7接收點場強隨間距d的變化曲線圖6–6接收點場強隨天線高度的變化曲③當兩天線高度h1和h2和間距d不變時,接收點場強隨工作波長λ呈波動變化，如圖6-8所示?？傊?在微波視距通信設計中,為使接收點場強穩(wěn)定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路徑的設計和選擇時,要盡可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波場強削弱或改變反射波的傳播方向,使其不能到達接收點,以保證接收點場強穩(wěn)定。③當兩天線高度h1和h2和間距d不變時,圖6–8接收點場強隨工作波長λ的變化曲線圖6–8接收點場強隨工作波長λ的變化曲線6.3天波傳播天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達接收點的傳播方式,有時也稱電離層電波傳播,主要用于中波和短波波段。

1.電離層概況電離層是地球高空大氣層的一部分,從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層電子密度不是均勻分布的,因此,按電子密度隨高度的變化相應地分為D,E,F1,F2四層,每一個區(qū)域的電子濃度都有一個最大值,如圖6-9所示。電離層主要是太陽的紫外輻射形成的,因此其電子密度與日照密切相關——白天大,晚間小,而且晚間D層消失;電離層電子密度又隨四季不同而發(fā)生變化。除此之外,太陽的騷動與黑子活動也對電離層電子密度產(chǎn)生很大影響。6.3天波傳播天波傳播通常是指自發(fā)射天圖6-9電離層電子密度的高度分布圖6-9電離層電子密度的高度分布

2.無線電波在電離層中的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法,可將電離層分成許多薄片層,每一薄片層的電子密度是均勻的,但彼此是不等的。根據(jù)經(jīng)典電動力學可求得自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質的相對介電常數(shù)為其折射率為式中,f為電波的頻率。（6-3-1）（6-3-2）2.無線電波在電離層中的傳播其折射率為當電波入射到空氣—電離層界面時,由于電離層折射率小于空氣折射率,折射角大于入射角,射線要向下偏折。當電波進入電離層后,由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小,因此各薄片層的折射率依次變小,電波將連續(xù)下折,直至到達某一高度處電波開始折回地面?？梢?電離層對電波的反射實質上是電波在電離層中連續(xù)折射的結果。如圖6-10,在各薄片層間的界面上連續(xù)應用折射定律可得n0sinθ0=n1sinθ1=…=nisinθi式中,n0為空氣折射率,n0=1,θ0為電波進入電離層時的入射角。設電波在第i層處到達最高點,然后即開始折回地面,則將θi=90°代入上式得（6-3-3）當電波入射到空氣—電離層界面時,由于電離層圖6–10電離層對電波的連續(xù)折射圖6–10電離層對電波的連續(xù)折射上式揭示了天波傳播時,電波頻率f(Hz)與入射角θ0和電波折回處的電子密度Ni（電子數(shù)/m3）三者之間的關系。由此引入下列幾個概念:（1）最高可用頻率由式（6-3-5）可求得當電波以θ0角度入射時,電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為（6-3-5）（6-3-4）（6-3-6）上式揭示了天波傳播時,電波頻率f(Hz)與式中,Nmax為電離層的最大電子密度。也就是說,當電波入射角θ0一定時,隨著頻率的增高,電波反射后所到達的距離越遠。當電波工作頻率高于fmax時,由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度,因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層，見圖6-11所示,這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。（2）天波靜區(qū)由式（6-3-4）可得電離層能把頻率為f(Hz)的電波“反射”回來的最小入射角θ0min為式中,Nmax為電離層的最大電子密度。圖6–11θ0一定而頻率不同時的射線圖6–11θ0一定而頻率不同時的射線這就是說，當電波頻率一定時,射線對電離層的入射角θ0越小,電波需要到達電子濃度較高的地方才能被反射回來,且通信距離越近，如圖6-12的曲線“1”、“2”所示；但當θ0繼續(xù)減小時,通信距離變遠,如圖6-12中的曲線“3”;當入射角θ0＜θ0min時,則電波能被電離層“反射”回來所需的電子密度超出實際存在的Nmax值,于是電波穿出電離層,如圖6-12中的曲線“4”。由于入射角θ0＜θ0min的電波不能被電離層“反射”回來,使得以發(fā)射天線為中心的、一定半徑的區(qū)域內就不可能有天波到達,從而形成了天波的靜區(qū)。（6-3-7）這就是說，當電波頻率一定時,射線對電離層的圖6–12頻率一定時通信距離與入射角的關系圖6–12頻率一定時通信距離與入射角的關系（3）多徑效應由于天線射向電離層的是一束電波射線,各根射線的入射角稍有不同,它們將在不同的高度上被“反射”回來,因而有多條路徑到達接收點（圖6-13）,這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。電離層的電子密度隨氣候不時發(fā)生起伏,引起各射線路徑也不時變化,這樣,各射線間的波程差也不斷變化,從而使接收點的合成場的大小發(fā)生波動,這種由多徑傳輸引起的接收點場強的起伏變化稱為多徑效應。正如本章前面所述,多徑效應造成了信號的衰落。（4）最佳工作頻率fopt電離層中自由電子的運動將耗散電波的能量,使電波發(fā)生衰減,但電離層對電波的吸收主要是D層和E層。（3）多徑效應圖6–13多徑效應圖6–13多徑效應因此，為了減小電離層對電波的吸收,天波傳播應盡可能采用較高的工作頻率。然而當工作頻率過高時,電波需到達電子密度很大的地方才能被“反射”回來,這就大大增長了電波的電離層中的傳播距離,隨之也增大了電離層對電波的衰減。為此,通常取最佳工作頻率fopt為fopt=0.85fmax還需要注意的是,電離層的D層對電波的吸收是很嚴重的,夜晚,D層消失,致使天波信號增強,這正是晚上能接收到更多短波電臺的原因。總之,天波通信具有以下特點:（6-3-8）因此，為了減小電離層對電波的吸收,天波傳播應①頻率的選擇很重要,頻率太高,電波穿透電離層射向太空;頻率太低,電離層吸收太大,以致不能保證必要的信噪比。因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個頻率的確定,不僅與年、月、日、時有關,還與通信距離有關。同樣的電離層狀況,通信距離近的,最高可用頻率低,通信距離遠的,最高可用頻率高。顯然,為了通信可靠,必須在不同時刻使用不同的頻率。但為了避免換頻的次數(shù)太多,通常一日之內使用兩個（日頻和夜頻）或三個頻率。②天波傳播的隨機多徑效應嚴重,多徑時延較大,信道帶寬較窄。因此,對傳輸信號的帶寬有很大限制,特別是對于數(shù)字通信來說,為了保證通信質量,在接收時必須采用相應的抗多徑措施。①頻率的選擇很重要,頻率太高,電波穿透③天波傳播不太穩(wěn)定,衰落嚴重,在設計電路時必須考慮衰落影響,使電路設計留有足夠的電平余量。④電離層所能反射的頻率范圍是有限的,一般是短波范圍。由于波段范圍較窄,因此短波電臺特別擁擠,電臺間的干擾很大，尤其是夜間；由于電離層吸收減小,電波傳播條件有所改善,臺間干擾更大。⑤由于天波傳播是靠高空電離層的反射,因而受地面的吸收及障礙物的影響較小,也就是說這種傳播方式的傳輸損耗較小,因此能以較小功率進行遠距離通信。⑥天波通信,特別是短波通信,建立迅速，機動性好,設備簡單,是短波天波傳播的優(yōu)點之一。③天波傳播不太穩(wěn)定,衰落嚴重,在設計電6.4地波傳播無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播,當天線低架于地面,且最大輻射方向沿地面時,這時主要是地面波傳播。在長、中波波段和短波的低頻段（103~106Hz)均可用這種傳播方式。設有一直立天線架設于地面之上,輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r,若大地是理想導體,則接收天線接收到的仍是垂直極化波（圖6-14）。實際上,大地是非理想導電媒質,垂直極化波的電場沿地面?zhèn)鞑r,就在地面感應出與其一起移動的正電荷,進而形成電流,從而產(chǎn)生歐姆損耗,造成大地對電波的吸收;并沿地表面形成較小的電場水平分量,致使波前傾斜,并變?yōu)闄E圓極化波,如圖6-15所示。顯然,波前的傾斜程度反映了大地對電波的吸收程度。6.4地波傳播無線電波沿地球表圖6–14理想導電地面的場結構圖6–14理想導電地面的場結構圖6–15非理想導電地面的場結構圖6–15非理想導電地面的場結構從以上知識可以得到如下結論:①垂直極化波沿非理想導電地面?zhèn)鞑r,由于大地對電波能量的吸收作用,產(chǎn)生了沿傳播方向的電場縱向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況。當?shù)孛娴碾妼试叫』螂姴l率越高,Ez1越大,說明傳播損耗越大。因此,地面波傳播主要用于長、中波傳播,短波和米波小型電臺采用這種傳播方式工作時,只能進行幾千米或十幾千米的近距離通信。海水的電導率比陸地的高,因此在海面上要比陸地上傳得遠的多。②地面波的波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實用意義。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天線接收較為適宜。但在某些場合,由于受到條件的限制,也可以采用低架水平天線接收。從以上知識可以得到如下結論:③地面波由于地表面的電性能及地貌、地物等并不隨時間很快地變化,并且基本上不受氣候條件的影響,因此信號穩(wěn)定,這是地面波傳播的突出優(yōu)點。應該指出,地面波的傳播情況與電波的極化形式有很大關系。大多數(shù)地質情況下,大地的磁導率μ≈μ0,很難存在橫電波模式，因此關于地面波的討論都是針對橫磁波模式的。根據(jù)橫磁波存在的各場分量Ex1,Ez1,Hy1,其電場分量在入射平面內,故稱為垂直極化波。換句話說,只有垂直極化波才能進行地面波傳播。③地面波由于地表面的電性能及地貌、地物等表6-2地面的電參數(shù)表6-2地面的電參數(shù)表6-3各種地質（）值表6-3各種地質（）值6.5不均勻媒質的散射傳播除了上述三種基本傳輸方式外,還有散射波傳播。電波在低空對流層或高空電離層下緣遇到不均勻的“介質團”時就會發(fā)生散射,散射波的一部分到達接收天線處（圖6-16）,這種傳播方式稱為不均勻媒質的散射傳播。電離層散射主要用于30～100MHz頻段,對流層散射主要用于100MHz以上頻段。就其傳播機理而言,電離層散射傳播與對流層散射傳播有一定的相似性；就其應用廣度來說,電離層散射傳播不如對流層散射傳播方式應用廣泛。現(xiàn)以對流層散射為例簡單介紹不均勻媒質的散射傳播的原理。6.5不均勻媒質的散射傳播除了上述三種基圖6–16不均勻媒質傳播圖6–16不均勻媒質傳播對流層是大氣的最低層,通常是指從地面算起至高達13±5千米的區(qū)域,在太陽的輻射下，受熱的地面通過大氣的垂直對流作用,對流層升溫。一般情況下,對流層的溫度、壓強、濕度不斷變化,在渦旋氣團內部及其周圍的介電常數(shù)有隨機的小尺度起伏,形成了不均勻的介質團。當超短波、短波投射到這些不均勻體時,就在其中產(chǎn)生感應電流,成為一個二次輻射源,將入射的電磁能量向四面八方再輻射。于是電波就到達不均勻介質團所能“看見”但電波發(fā)射點卻不能“看見”的超視距范圍。電磁波的這種無規(guī)則、無方向的輻射,即為散射,相應的介質團稱為散射體,如圖7-16所示。對于任一固定的接收點來說,其接收場強就是收發(fā)雙方都能“看見”的那部分空間——收、發(fā)天線波束相交的公共體積中的所有散射體的總和。通過上述分析,可以看出對流層散射傳播具有下列特點:對流層是大氣的最低層,通常是指從地面算起至①由于散射波相當微弱,即傳輸損耗很大（包括自由空間傳輸損耗、散射損耗、大氣吸收損耗及來自天線方面的損耗,一般超過200dB）,因此對流層散射通信要采用大功率發(fā)射機、高靈敏度接收機和高增益天線。②由于湍流運動的特點,散射體是隨機變化的,它們之間在電性能上是相互獨立的,因而它們對接收點的場強影響是隨機的。這種隨機多徑傳播現(xiàn)象,使信號產(chǎn)生嚴重的快衰落。這種快衰落一般通過采用分集接收技術來克服。③這種傳播方式的優(yōu)點是:容量大,可靠性高,保密性好,單跳跨距達300~800km,一般用于無法建立微波中繼站的地區(qū),如用于海島之間或跨越湖泊、沙漠、雪山等地區(qū)。①由于散射波相當微弱,即傳輸損耗很大（包電波傳播概論課件

第6章電波傳播

無線電波是通過發(fā)射天線和接收天線之間的大氣媒質進行傳播的。大氣媒質的情況,和討論天線時情況并不一樣。大氣媒質實際上是非理想的對流層,平流層,電離層等,并且以導電的地球表面作為它的邊界。大氣層和地表面的各種情況對于電波的傳播產(chǎn)生著各種不同的影響。電波可以有下列幾種傳播方式(見圖6―1):

第6章電波傳播

無線電波是(1)表面波傳播:電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ浇邮拯c。(2)自由空間傳播:忽略地面的效應,電波由發(fā)射天線直接傳播到接收點,由于媒質的不均勻性,傳播路線可以有某些彎曲。(3)空間波傳播:地面的效應反映為存在地面反射波,到達接收點的電波是由空間直射波和地面反射波共同作用相干涉的結果。(4)天波傳播:電波通過高空電離層的反射傳播到接收點。(5)散射波傳播:電波通過空間大氣對流層或電離層中介質的不均勻性對電波的散射作用而傳播到接收點。(1)表面波傳播:電波沿著地球表面?zhèn)鲌D6―1圖6―1圖6―1圖6―1一,表面波傳播地表面像導電體一樣,也有引導電磁波傳播的能力。表面波就是沿著地表面?zhèn)鞑サ碾姶挪?。表面波在傳播的過程中能量被地面所吸收。吸收衰減速度的大小與電磁波的頻率,極化,土壤的性質(海水,干土,濕土等)以及傳播距離等有關。圖6―2所示為地面上垂直短振子天線輻射1kW功率的電磁波并沿著地面?zhèn)鞑r,電場強度隨距離的變化曲線。圖中橫坐標是離發(fā)射機的距離(km),縱坐標是信號電場強度有效值相對于1μV/m的分貝數(shù),即(6―1)一,表面波傳播(6―1)當輻射功率或天線性能變化時,可按下式計算(6―2)

式中E是輻射功率為1kW時,垂直短振子天線輻射時的電場強度值P是實際輻射功率的千瓦數(shù)

D′是實際天線相對于垂直短振子天線的方向性系數(shù)。當輻射功率或天線性能變化時,可按下式計算(6―2)圖6―2(ε=4σ=0。01Ω·m)圖6―2二,電波在自由空間的傳播1。自由空間通信系統(tǒng)的最大通信距離在圖6―3(a)或(b)的通信線路中,在T點設有通信發(fā)射機,R點設有通信接收機(不考慮地面效應),PT為發(fā)射機輸出功率,天線和發(fā)射機匹配。發(fā)射天線的增益為GT,歸一化方向性函數(shù)fT(θT,φT),則在接收方向離T為r處的能流密度為

(6―3)二,電波在自由空間的傳播(6―3)圖6―3圖6―3若R處接收天線增益為GR,歸一化方向性函數(shù)fR(θR′,φR),有效面積為se,工作波長為λ,則由(6―4)可得電路匹配時,輸往接收機的功率PR為(6―5)

若R處接收天線增益為GR,歸一化方向最大通信距離應保證這一輸出功率大于接收機的靈敏度即大于接收機能接收的最小輸入功率PRmin,并使接收機輸入端有足夠的信號噪聲比。因此由條件PR＞Prmin(6―6)可求出最大通信距離

(6―7)最大通信距離應保證這一輸出功率大于接2。自由空間雷達站的最大作用距離在圖6―4(a)或(b)為定位系統(tǒng)中,T點設有雷達站,距離為r處的A點存在目標,f(θ,φ)為天線的歸一化方向性函數(shù),則在目標位置處功率流密度為(6―8)2。自由空間雷達站的最大作用距離(6電波傳播概論課件目標可視為再輻射體,由目標物向雷達站來波方向的散射面積參量用σ來表示(常稱后向散射面積),這時,我們把目標的輻射場看作是假想功率為Psσ(Ps到達目標處的功率流密度)的不定向輻射體的再輻射場,它在雷達站位置上所建立的功率流密度與目標所建立的功率流密度是一致的。因此返回到雷達站的功率密度Ps′可寫為

(6―9)

目標可視為再輻射體,由目標物向雷達站通常雷達站的接收天線和發(fā)射天線由同一付天線完成,因此接收有效面積仍可由發(fā)射時天線的參量G來表示

(6―10)

可得輸往接收機的功率為(6―11)

這一公式稱為雷達方程。通常雷達站的接收天線和發(fā)射天線由同一雷達站的最大作用距離應保證輸入到接收機的功率大于接收機的靈敏度PRmin,可解出最大作用距離:(6―12)由此可見,由于雷達站收發(fā)共用一付天線,提高天線的增益對增加作用距離的效果,將比單獨提高發(fā)射機功率或接收機靈敏度更為有效。(6―13)

雷達站的最大作用距離應保證輸入到接收式中GT(θT,φT)代表天線在(θT,φT)方向的增益系數(shù),當媒質不是理想的自由空間,還存在各種因素引起的其他衰減時,將式(6―13)乘上一個衰減因子F,即(6―14)

在通信線路的設備中,還常把式(6―5)寫為

(6―15)式中GT(θT,φT)代表天線在(θ對于通信系統(tǒng)可認為fT,fR值均為1,當主向不對準時,式(6―15)仍可成立,只要把GT,GR理解為GT(θT,φT)GR(θT,φT)即可,對式(6―15)兩邊取對數(shù)用分貝數(shù)表示時可寫為(6―16)當通信系統(tǒng)還存在各種其它因素引起的效應時,可把式(6―14)中的衰減因子也取用分貝數(shù)(20lgF)。式(6―16)應為(6―17)

對于通信系統(tǒng)可認為fT,fR值均為三,空間波傳播當發(fā)射機發(fā)出的電波,經(jīng)地面反射到接收點處的場強值可與直射波的場強值相比擬時,地面的效應必須考慮,這時接收點上的場強值可認為是直射波場強和地面反射波場強相干涉的結果。把地面看成是平坦地面時,空間波傳播的線路如圖6―5所示。此時應滿足下述條件:天線的架設高度h1,h2遠大于波長,使表面波成分可以忽略通信距離r遠大于天線的架設高度h1,h2。

三,空間波傳播圖6―5圖6―5現(xiàn)在我們來引出空間波傳播時的場強計算公式。為此先計算直射波和反射波的路程差。直射波路線長度應為(見圖6―5)(6―18)

反射波路線長度應為(6―19)因此路程差Δr為(6―20)現(xiàn)在我們來引出空間波傳播時的場強計路程差引入的相位差ψ為(6―21)

當h1,h2<<r時

(6―22)

路程差引入的相位差ψ為(6―21)

當h1,h其次討論反射波在反射點“o”處的地面效應。由于實際工作時,θ′角極小,并且假定地面為理想導體,對入射波的垂直極化分量(ER⊥),它的反射系數(shù)同水平極化分量(ER∥)一致,也是“-1”,反射點處的效應僅僅是引入了π相位差。最后也是由于θ′極小,在接收點R處入射波和反射波的極化方向對垂直極化波也可看成完全一致,于是接收處的電場強度的方向與入射波方向相一致,合成場強值為(6―23)其次討論反射波在反射點“o”處的地面式中Ed為直射波電場強度值Er為反射波電場強度值E為干涉波合成電場強度值。當h1,h2≤λr/18時,式(6―24)中正弦值可用宗量代替,可得出計算接收點電場強度的公式為(6―25)式中P為輻射功率D為發(fā)射天線的方向性系數(shù)。

式中Ed為直射波電場強度值Er為反射圖6―6圖6―6四,對流層對空間波傳播的影響從地球表面起高度約8～10km的大氣層稱為對流層,對流層是均勻理想的介質。實際上在對流層中由于溫度,氣壓及濕度等均隨高度而變化,使介質的相對介電常數(shù)也將隨高度而變化,這樣引起在其中傳播的電波發(fā)生折射,使電波傳播線路發(fā)生彎曲。對流層大氣的相對介電常數(shù)比1略大萬分之幾,因此,它對真空的折射率n也略大于1,把n與1的差值放大一百萬倍,稱為折射指數(shù)N,即N=(n-1)×106(6―28)

四,對流層對空間波傳播的影響大氣的折射指數(shù)約在260～460之間變化,和氣壓P,絕對溫度T,絕對濕度e有關系,關系式為(6―29)P,e,T值在正常大氣層中都隨高度而減小,故N值也隨高度而減小,在標準大氣層結構下(dN/dh)值為(6―30)不同dN/dh情況時,引起電波折射的情況如表6―1及圖6―7所示。大氣的折射指數(shù)約在260～460之間表6―1表6―1圖6―7圖6―7在分析各類折射問題中,常引用等效地球半徑的概念,即保持電波射線與地面之間的相對曲率不變,將電波射線改為直線時,地球半徑應有的大小。分析得出在標準折射時等效地球半徑值為8500km,相當于地球半徑值放大4/3倍,把這數(shù)值代入式(6―27)可得標準折射時的視距r0值為(6―31)

對流層中的水汽對22。23GMz無線電信號有強吸收氧氣對60GMz和120GMz的無線電信號有強吸收。在分析各類折射問題中,常引用等效地球五,天波傳播天波傳播是指電波通過高空電離層的反射到達接收點的傳播方式,主要用于溝通短波無線電通信。本節(jié)只簡單的介紹電離層的一些大致情況,以及對短波,超短波,微波傳播的影響。五,天波傳播對流層的上層為平流層,高度約為20～80km,在這一層里大氣的組成比較穩(wěn)定,其中傳播的電波可視為自由空間的直線傳播。高度再增加時,大氣的狀況又發(fā)生了較大的變化,最主要的特征是氣體分子或原子中的束縛電荷因太陽紫外線等照射后,被激發(fā)產(chǎn)生自由電子,構成了電離層。大氣電離的程度以每單位體積內自由電子數(shù)來計算稱為電子密度N。對流層的上層為平流層,高度約為20～實際上,大氣被電離后因存在的自由電荷而缺少了電子的正離子后,又因熱運動使負離子再和正離子相撞而復合,所以電子密度N值是指電離和復合實現(xiàn)動態(tài)平衡時的數(shù)值。由于大氣成分及溫度隨高度的變化,以及產(chǎn)生電離因素的多樣性,使得大氣中電子密度的極大值發(fā)生在幾個不同的高度上,每一極大值所在的范圍叫做一層,分別用D,E,F1(常在夏季白天出現(xiàn)),F2層來表示。各層的大致情況見表6―2。實際上,大氣被電離后因存在的自由電荷表6―2表6―2在了解電離層大致情況后,我們來定性介紹一下電波進入電離層后,電離層中的自由電子,將受電場力的作用而形成徙動電流,使得電離層的介電常數(shù)發(fā)生變化,分析得出電離后的相對介電常數(shù)為(6―32)

可見εr和電離層各位置上電子密度相關,還和進入到電離層中電波頻率有關,因此電離層是一個不均勻的色散的媒質。在了解電離層大致情況后,我們來定性介電離層中的電子密度隨高度而變化,所以無線電波在其中傳播的路線不是直線,而是曲線。假定電離層是由許多厚度極薄的平行的薄片所組成,在每一薄片層中,電子密度是均勻的(見圖6―8)。設第一層的電子密度為N1,第二層為N2,等等。且有0＜N1＜N2＜…＜Nn＜Nmax,又設在電離層最下層,經(jīng)過平流層向電離層投射的電波其頻率為f1,入射角為φ0,電離層第n層的折射率為(6―33)電離層中的電子密度隨高度而變化,所以在層與層之間的分界面上,逐層應用折射定律得到sinφ0=n1sinφ1=n2sinφ2=…=nnsinφn(6―34)設在第n層入射角到達90°,即φn=90°時,這時電波將折向下行,下行軌跡和上行的入射軌跡相對稱,可見在某n層上實現(xiàn)這一折射時,應滿足關系式為(6―35)(6―36)(6―37)在層與層之間的分界面上,逐層應用折射定律得到(由式可見,當入射角φ0固定時,隨著頻率的升高能使電波折射回來所需的N值逐漸增大,折射位置越來越深入到電離層N值較大的地方,最后穿透該電離層向更高的空間傳播,如圖6―9所示。由式還可見,當頻率固定時,φ0值越小,也即電波對地面的仰角越大,能使電波折射回來所需的N值也越大,若要求的N值比電離層實際的最大電子密度值更大,則電波將穿透這一電離層向更高的空間傳播。如圖6―10所示。由式可見,當入射角φ0固定時,隨著電波傳播概論課件電波傳播概論課件圖6―10圖6―10由圖6―10還可見,對于某一通信距離OB,在某一確定頻率時,一般情況下可由兩條射線來溝通通信。但是這一頻率對于另一通信距離OA卻只存在一條射線,對于OA這一通信距離,降低入射角或升高入射角得到的通信距離會更遠,如同時再升高頻率的話當然也將更遠。這一頻率稱為OA通信距離時的最高可用頻率。由圖6―10還可見,對于某一通信距離在最大電子密度為Nmax的電離層上,能使電波折射回來的無線電波應滿足(6―38)實現(xiàn)地面對于電離層以上的空間通信,選用的頻率就應滿足

(6―39)

在最大電子密度為Nmax的電離層上,六,散射波通信散射波傳播是近60年才發(fā)展起來的一種新的傳播方式。一般認為是利用大氣層中各種因素(溫度,濕度,壓力,電子密度)的局部劇烈的變化(湍流),從而崐出現(xiàn)介電常數(shù)的局部不均勻性而激發(fā)起來的。但由這種假定推出的結論和實踐測出的數(shù)據(jù)不能完全相一致,而有待進一步的研究。六,散射波通信散射通信的大致情況列于表6―3,和微波接力通信比較起來散射波通信有傳播距離遠,中繼站少,可靠性高等優(yōu)點,但相應需用大功率發(fā)射機,高增益天線,高靈敏度的接收機等。散射通信的大致情況列于表6―3,和微表6―3表6―3七,衛(wèi)星通信電離層的上層下層最大電子密度發(fā)生在約300～450km處(表6―2),范圍一直延伸到約900km處,900km到1200km這一范圍稱為外球層,1200km以外就進入所謂星際空間。在星際空間中有星際氣體,宇宙微塵和流星等,星際氣體的密度很小,約為10-20g/cm3,主要由氫氣組成,每立方厘米約有一個氫原子,而在地面上每立方厘米約有1000億個。七,衛(wèi)星通信因此,星際空間可視為自由空間,電波在其中以直線束形式傳播,并且作為長遠通信目的使用的衛(wèi)星,也應射入高于1500km以上的軌道,這樣衛(wèi)星受大氣層的阻尼作用極小,可工作幾十年。衛(wèi)星繞行地球一圈所需的時間T和衛(wèi)星飛行的高度H的關系,可根據(jù)下式計算:(6―40)

對地球相對靜止的衛(wèi)星T值為24h,就應該在高度為H=35810km處,沿赤道軌道旋轉。因此,星際空間可視為自由空間,電波在

第6章電波傳播概論

6.1電波傳播的基本概念

1.無線電波在自由空間的傳播天線置于自由空間中,假設發(fā)射天線是一理想的無方向性天線,若它的輻射功率為PΣ瓦,則離開天線r處的球面上的功率流密度為功率流密度又可以表示為（6-1-1）

第6章電波傳播概論

6.1電波傳播的基本概念（6-1-由此,離天線為r處的電場強度E0值為又假設發(fā)射天線是一實際天線,其輻射功率仍為PΣ,設它的輸入功率為Pi,若以Gi表示實際天線的增益系數(shù),則在離實際天線r處的最大輻射方向上的場強為（6-1-2）（6-1-3）（6-1-4）由此,離天線為r處的電場強度E0值為又假如果接收天線的增益系數(shù)為GR,有效接收面積為Ae,則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間的基本傳輸損耗:將上式取對數(shù)得（6-1-5）（6-1-6）（6-1-7）如果接收天線的增益系數(shù)為GR,有效接收面由上式可見:若不考慮天線的因素,則自由空間中的傳輸損耗,是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴散而引起的,它反映了球面波的擴散損耗。

2.傳輸媒質對電波傳播的影響(1)傳輸損耗（信道損耗）電波在實際的媒質（信道）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散射引起的,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。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下,設接收點的實際場強E、功率PR′，而自由空間的場強為E0、功率為PR，則信道的衰減因子A為由上式可見:若不考慮天線的因素,則自則傳輸損耗Lb為若不考慮天線的影響,即令Gi=GR=1,則實際的傳輸損耗為式中,前三項為自由空間損耗Lbf；A為實際媒質的損耗。不同的傳播方式、傳播媒質,信道的傳輸損耗不同。（6-1-8）（6-1-9）（6-1-10）則傳輸損耗Lb為若不考慮天線的影響,即令G表6-1電磁干擾的分類表6-1電磁干擾的分類(2)衰落現(xiàn)象所謂衰落,一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。根據(jù)引起衰落的原因分類,大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于傳輸媒質電參數(shù)的變化,使得信號在媒質中的衰減發(fā)生相應的變化而引起的。如大氣中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對電波有吸收作用。由于氣象的隨機性,這種吸收的強弱也有起伏,形成信號的衰落。由這種原因引起的信號電平的變化較慢,所以稱為慢衰落,如圖6-1(a)所示。慢衰落通常是指信號電平的中值（五分鐘中值、小時中值、月中值等）在較長時間間隔內的起伏變化。(2)衰落現(xiàn)象圖6–1衰落現(xiàn)象圖6–1衰落現(xiàn)象干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中,由于收、發(fā)兩點間存在若干條傳播路徑,典型的如天波傳播、不均勻媒質傳播等，在這些傳播方式中,傳輸媒質具有隨機性,因此使到達接收點的各路徑的時延隨機變化,致使合成信號幅度和相位都發(fā)生隨機起伏。這種起伏的周期很短,信號電平變化很快,故稱為快衰落,如圖6-1(b)所示。這種衰落在移動通信信道中表現(xiàn)得更為明顯?？焖ヂ浏B加在慢衰落之上。在較短的時間內觀察時,前者表現(xiàn)明顯,后者不易被察覺。信號的衰落現(xiàn)象嚴重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）來加以克服。干涉型衰落主要是由隨機多徑干涉現(xiàn)象引起的。在(3)傳輸失真無線電波通過媒質除產(chǎn)生傳輸損耗外,還會產(chǎn)生失真——振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個:一是媒質的色散效應,二是隨機多徑傳輸效應。色散效應是由于不同頻率的無線電波在媒質中的傳播速度有差別而引起的信號失真。載有信號的無線電波都占據(jù)一定的頻帶,當電波通過媒質傳播到達接收點時,由于各頻率成分傳播速度不同,因而不能保持原來信號中的相位關系,引起波形失真。至于色散效應引起信號畸變的程度,則要結合具體信道的傳輸情況而定。(3)傳輸失真多徑傳輸也會引起信號畸變。這是因為無線電波在傳播時通過兩個以上不同長度的路徑到達接收點,接收天線檢拾的信號是幾個不同路徑傳來的電場強度之和。設接收點的場是兩條路徑傳來的相位差為φ=ωτ的兩個電場的矢量和。最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延τ。對所傳輸信號中的每個頻率成分,相同的τ值引起不同的相差。例如對f1，若φ1=ω1τ=π,則因二矢量反相抵消,此分量的合成場強呈現(xiàn)最小值；而對f2,若φ2=ω2τ=2π,則因二矢量同相相加,此分量的合成場強呈現(xiàn)最大值，如圖6-2(b)所示。其余各成分依次類推。顯然,若信號帶寬過大,就會引起較明顯的失真。所以一般情況下,信號帶寬不能超過1/τ。因此，引入相關帶寬的概念，定義相關帶寬:多徑傳輸也會引起信號畸變。這是因為無線電波圖6-2多徑傳輸效應圖6-2多徑傳輸效應(4)電波傳播方向的變化當電波在無限大的均勻、線性媒質內傳播時,射線是沿直線傳播的。然而電波傳播實際所經(jīng)歷的空間場所是復雜多樣的:不同媒質的分界處將使電波折射、反射;媒質中的不均勻體如對流層中的湍流團將使電波產(chǎn)生散射;球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射;特別是某些傳輸媒質的時變性使射線軌跡隨機變化,使得到達接收天線處的射線入射角隨機起伏,使接收信號產(chǎn)生嚴重的衰落。因此,在研究實際傳輸媒質對電波傳播的影響問題時,電波傳播方向的變化也是重要內容之一。(4)電波傳播方向的變化6.2視距傳播所謂視距傳播,是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信以及雷達等都可以采用這種傳播方式。它主要用于超短波和微波波段的電波傳播。

1.視線距離設發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2（圖6-3）,由于地球曲率的影響,當兩天線A、B間的距離r＜rv時,兩天線互相“看得見”,當r＞rv時,6.2視距傳播所謂視距傳播,是指發(fā)射天圖6-3視線距離圖6-3視線距離兩天線互相“看不見”,距離rv為收、發(fā)天線高度分別為h2和h1時的視線極限距離,簡稱視距。圖6-3中,AB與地球表面相切,a為地球半徑,由圖可得到以下關系式:將地球半徑a=6.370×106m代入上式,即有式中，h1和h2的單位為米。視距傳播時,電波是在地球周圍的大氣中傳播的,大氣對電波產(chǎn)生折射與衰減。由于大氣層是非均勻媒質,其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化,大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)。（6-2-1）（6-2-2）兩天線互相“看不見”,距離rv為收、發(fā)天在標準大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)εr隨高度增加而減小，并逐漸趨近于1,因此大氣層的折射率n=隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄片層,每一薄層是均勻的,各薄層的折射率n隨高度的增加而減小。這樣當電波在大氣層中依次通過每個薄層界面時,射線都將產(chǎn)生偏折,因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線，如圖6-4所示。當考慮大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響時,視距公式應修正為在光學上,r＜rv的區(qū)域稱為照明區(qū),r＞rv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。（6-2-3）在標準大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)εr隨高度增圖6-4大氣層對電波的折射圖6-4大氣層對電波的折射于電波頻率遠低于光學頻率,故不能完全按上述幾何光學的觀點劃分區(qū)域。通常把r＜0.8rv的區(qū)域稱為照明區(qū),將r＞1.2rv的區(qū)域稱為陰影區(qū),而把0.8rv＜r＜1.2rv的區(qū)域稱為半照明半陰影區(qū)。

2.大氣對電波的衰減大氣對電波的衰減主要來自兩個方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收及水分子、氧分子對電波的諧振吸收。熱吸收與小水滴的濃度有關,諧振吸收與工作波長有關。另一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的散射,散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比,與波長的四次方成反比。于電波頻率遠低于光學頻率,故不能完全按上述當工作波長短于5cm時,就應該考慮大氣層對電波的衰減,尤其當工作波長短于3cm時,大氣層對電波的衰減將趨于嚴重。就云、霧、雨、雪對微波傳播的影響來說,降雨引起的衰減最為嚴重,對10千兆赫以上的頻率,由降雨引起的電波衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設計中都要考慮由降雨引起的衰減。

3.場分析在視距傳播中,除了自發(fā)射天線直接到達接收天線的直射波外,還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達接收天線的反射波，如圖6-5所示。因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。當工作波長短于5cm時,就應該考慮大氣層對圖6–5直射波與反射波圖6–5直射波與反射波設h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,d為收、發(fā)天線間距,E為接收點場強,Eθ1為直射波,Eθ2為反射波。根據(jù)上面的分析,接收點的場強為E=Eθ1+Eθ2Eθ1=E0f(θ)Eθ2=RE0f(θ′)式中,R為反射點處的反射系數(shù),R=|R|ejφ,f(θ)為天線方向函數(shù)。如果兩天線間距離d>>h1,h2,則有（6-2-4）（6-2-5）設h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,θ=θ′式中，而將其代入式（6-2-7）得當?shù)孛骐妼蕿橛邢拗禃r,若射線仰角很小,則有RH≈RV≈1（6-2-7）（6-2-6）（6-2-8）（6-2-9）θ=θ′式中，而將其代入式（6-2-7）得當?shù)孛骐妼蕿橛惺街?RH為水平極化波的反射系數(shù);RV垂直極化波的反射系數(shù)。對于視距通信電路來說,電波的射線仰角是很小的（通常小于1°）,所以有由上式可得到下列結論:①當工作波長和收、發(fā)天線間距不變時,接收點場強隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動，如圖6-6所示。②當工作波長λ和兩天線高度h1和h2都不變時,接收點場強隨兩天線間距的增大而呈波動變化,間距減小，波動范圍減小，如圖6-7所示。（6-2-10）式中,RH為水平極化波的反射系數(shù);RV垂直極化波的反射系圖6–6接收點場強隨天線高度的變化曲圖6–7接收點場強隨間距d的變化曲線圖6–6接收點場強隨天線高度的變化曲③當兩天線高度h1和h2和間距d不變時,接收點場強隨工作波長λ呈波動變化，如圖6-8所示?？傊?在微波視距通信設計中,為使接收點場強穩(wěn)定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路徑的設計和選擇時,要盡可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波場強削弱或改變反射波的傳播方向,使其不能到達接收點,以保證接收點場強穩(wěn)定。③當兩天線高度h1和h2和間距d不變時,圖6–8接收點場強隨工作波長λ的變化曲線圖6–8接收點場強隨工作波長λ的變化曲線6.3天波傳播天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達接收點的傳播方式,有時也稱電離層電波傳播,主要用于中波和短波波段。

1.電離層概況電離層是地球高空大氣層的一部分,從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層電子密度不是均勻分布的,因此,按電子密度隨高度的變化相應地分為D,E,F1,F2四層,每一個區(qū)域的電子濃度都有一個最大值,如圖6-9所示。電離層主要是太陽的紫外輻射形成的,因此其電子密度與日照密切相關——白天大,晚間小,而且晚間D層消失;電離層電子密度又隨四季不同而發(fā)生變化。除此之外,太陽的騷動與黑子活動也對電離層電子密度產(chǎn)生很大影響。6.3天波傳播天波傳播通常是指自發(fā)射天圖6-9電離層電子密度的高度分布圖6-9電離層電子密度的高度分布

2.無線電波在電離層中的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法,可將電離層分成許多薄片層,每一薄片層的電子密度是均勻的,但彼此是不等的。根據(jù)經(jīng)典電動力學可求得自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質的相對介電常數(shù)為其折射率為式中,f為電波的頻率。（6-3-1）（6-3-2）2.無線電波在電離層中的傳播其折射率為當電波入射到空氣—電離層界面時,由于電離層折射率小于空氣折射率,折射角大于入射角,射線要向下偏折。當電波進入電離層后,由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小,因此各薄片層的折射率依次變小,電波將連續(xù)下折,直至到達某一高度處電波開始折回地面。可見,電離層對電波的反射實質上是電波在電離層中連續(xù)折射的結果。如圖6-10,在各薄片層間的界面上連續(xù)應用折射定律可得n0sinθ0=n1sinθ1=…=nisinθi式中,n0為空氣折射率,n0=1,θ0為電波進入電離層時的入射角。設電波在第i層處到達最高點,然后即開始折回地面,則將θi=90°代入上式得（6-3-3）當電波入射到空氣—電離層界面時,由于電離層圖6–10電離層對電波的連續(xù)折射圖6–10電離層對電波的連續(xù)折射上式揭示了天波傳播時,電波頻率f(Hz)與入射角θ0和電波折回處的電子密度Ni（電子數(shù)/m3）三者之間的關系。由此引入下列幾個概念:（1）最高可用頻率由式（6-3-5）可求得當電波以θ0角度入射時,電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為（6-3-5）（6-3-4）（6-3-6）上式揭示了天波傳播時,電波頻率f(Hz)與式中,Nmax為電離層的最大電子密度。也就是說,當電波入射角θ0一定時,隨著頻率的增高,電波反射后所到達的距離越遠。當電波工作頻率高于fmax時,由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度,因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層，見圖6-11所示,這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。（2）天波靜區(qū)由式（6-3-4）可得電離層能把頻率為f(Hz)的電波“反射”回來的最小入射角θ0min為式中,Nmax為電離層的最大電子密度。圖6–11θ0一定而頻率不同時的射線圖6–11θ0一定而頻率不同時的射線這就是說，當電波頻率一定時,射線對電離層的入射角θ0越小,電波需要到達電子濃度較高的地方才能被反射回來,且通信距離越近，如圖6-12的曲線“1”、“2”所示；但當θ0繼續(xù)減小時,通信距離變遠,如圖6-12中的曲線“3”;當入射角θ0＜θ0min時,則電波能被電離層“反射”回來所需的電子密度超出實際存在的Nmax值,于是電波穿出電離層,如圖6-12中的曲線“4”。由于入射角θ0＜θ0min的電波不能被電離層“反射”回來,使得以發(fā)射天線為中心的、一定半徑的區(qū)域內就不可能有天波到達,從而形成了天波的靜區(qū)。（6-3-7）這就是說，當電波頻率一定時,射線對電離層的圖6–12頻率一定時通信距離與入射角的關系圖6–12頻率一定時通信距離與入射角的關系（3）多徑效應由于天線射向電離層的是一束電波射線,各根射線的入射角稍有不同,它們將在不同的高度上被“反射”回來,因而有多條路徑到達接收點（圖6-13）,這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。電離層的電子密度隨氣候不時發(fā)生起伏,引起各射線路徑也不時變化,這樣,各射線間的波程差也不斷變化,從而使接收點的合成場的大小發(fā)生波動,這種由多徑傳輸引起的接收點場強的起伏變化稱為多徑效應。正如本章前面所述,多徑效應造成了信號的衰落。（4）最佳工作頻率fopt電離層中自由電子的運動將耗散電波的能量,使電波發(fā)生衰減,但電離層對電波的吸收主要是D層和E層。（3）多徑效應圖6–13多徑效應圖6–13多徑效應因此，為了減小電離層對電波的吸收,天波傳播應盡可能采用較高的工作頻率。然而當工作頻率過高時,電波需到達電子密度很大的地方才能被“反射”回來,這就大大增長了電波的電離層中的傳播距離,隨之也增大了電離層對電波的衰減。為此,通常取最佳工作頻率fopt為fopt=0.85fmax還需要注意的是,電離層的D層對電波的吸收是很嚴重的,夜晚,D層消失,致使天波信號增強,這正是晚上能接收到更多短波電臺的原因?？傊?天波通信具有以下特點:（6-3-8）因此，為了減小電離層對電波的吸收,天波傳播應①頻率的選擇很重要,頻率太高,電波穿透電離層射向太空;頻率太低,電離層吸收太大,以致不能保證必要的信噪比。因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個頻率的確定,不僅與年、月、日、時有關,還與通信距離有關。同樣的電離層狀況,通信距離近的,最高可用頻率低,通信距離遠的,最高可用頻率高。顯然,為了通信可靠,必須在不同時刻使用不同的頻率。但為了避免換頻的次數(shù)太多,通常一日之內使用兩個（日頻和夜頻）或三個頻率。②天波傳播的隨機多徑效應嚴重,多徑時延較大,信道帶寬較窄。因此,對傳輸信號的帶寬有很大限制,特別是對于數(shù)字通信來說,為了保證通信質量,在接收時必須采用相應的抗多徑措施。①頻率的選擇很重要,頻率太高,電波穿透③天波傳播不太穩(wěn)定,衰落嚴重,在設計電路時必須考慮衰落影響,