第六講近地區(qū)域中性介質(zhì)內(nèi)的電波傳播演示文稿

第六講近地區(qū)域中性介質(zhì)內(nèi)的電波傳播演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共53頁(yè)。武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室吳雄斌優(yōu)選第六講近地區(qū)域中性介質(zhì)內(nèi)的電波傳播當(dāng)前2頁(yè)，總共53頁(yè)。影響信號(hào)強(qiáng)度的因素:（1）幾何擴(kuò)散衰減；（2）傳播路徑上障礙物或介質(zhì)不均勻體引起的繞射和散射；（3）多徑效應(yīng)引起的信號(hào)衰落；（4）隨機(jī)介質(zhì)引起的信號(hào)強(qiáng)度（或頻率）的起伏（又叫“閃爍”）；（5）有耗介質(zhì)中相干電磁能量轉(zhuǎn)換為非相干的熱能。當(dāng)前3頁(yè)，總共53頁(yè)。在各向同性介質(zhì)中，均勻平面波是橫波。在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，這個(gè)波可以有任意的偏振，并且當(dāng)波傳播時(shí)，偏振狀態(tài)也不會(huì)改變。當(dāng)這種任意偏振的波入射到不同介質(zhì)之間的平面界面時(shí)，反射波和透射波會(huì)產(chǎn)生不同的偏振狀態(tài)。當(dāng)介質(zhì)為各向異性時(shí)，情況就更加復(fù)雜了，僅僅是特征波才可以無(wú)極化改變地在這種介質(zhì)中傳播。當(dāng)前4頁(yè)，總共53頁(yè)。在自由空間那樣的非色散介質(zhì)中，電波相位以恒定速度而傳播，因此相速和群速相等。在色散介質(zhì)中，相速是頻率的函數(shù)，電磁脈沖內(nèi)的每個(gè)傅立葉成分（子波）將有不同的相速。色散h(t,)當(dāng)前5頁(yè)，總共53頁(yè)。當(dāng)收發(fā)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或介質(zhì)為時(shí)變情況時(shí)，電波的頻率也會(huì)發(fā)生變化。在非相對(duì)論情況下，頻率偏移就是多普勒效應(yīng)，多普勒頻移是由源和觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者如同在時(shí)變介質(zhì)中那樣，由接收電波的相位和偏移時(shí)間變化所引起的。所以在實(shí)際測(cè)量中，需要對(duì)因介質(zhì)引起的誤差進(jìn)行修正。多普勒當(dāng)前6頁(yè)，總共53頁(yè)。上述這些電磁波特性都是一些可靈敏測(cè)量的量。我們?cè)趯W(xué)習(xí)無(wú)線傳播的過(guò)程中，我們最感興趣的是了解這些電磁波特性如何受介質(zhì)的影響，以及怎樣來(lái)測(cè)量這些電磁波參量。本章我們主要討論電波在地球表面附近的非離化介質(zhì)中的傳播問(wèn)題。當(dāng)前7頁(yè)，總共53頁(yè)。4.2自由空間電波的傳播損耗4.2.1什么是自由空間在電波傳播研究中，最簡(jiǎn)單的是自由空間傳播。所謂的自由空間就是充滿均勻無(wú)損耗介質(zhì)。地面上空附近的大氣層中的傳播常?？梢越普J(rèn)為是在自由空間中的傳播。當(dāng)前8頁(yè)，總共53頁(yè)。設(shè)有一無(wú)方向性天線，其輻射功率為，由于電波在自由空間傳播時(shí)，隨著距離增加能量逐漸擴(kuò)散，輻射功率均勻分布在以發(fā)射天線為球心的球面上，在離開(kāi)天線距離為r處的功率密度是：（4.1）傳播方程當(dāng)前9頁(yè)，總共53頁(yè)。實(shí)際使用的天線都具有方向性，若以表示發(fā)射天線的方向性系數(shù)，則在天線的最大方向上相當(dāng)于把輻射功率提高了倍，故在天線最大輻射方向r處的功率密度為:（發(fā)射公式）（4.2）當(dāng)前10頁(yè)，總共53頁(yè)。在自由空間，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的為：得到：由這兩個(gè)式子得到電場(chǎng)強(qiáng)度為：（4.3）（4.4）（4.6）當(dāng)前11頁(yè)，總共53頁(yè)。在接收天線中的有效面積定義為，總接收功率同天線上相應(yīng)極化的入射波功率密度之比：由關(guān)系式得到：（接收公式）（4.7）（4.8）（4.9）當(dāng)前12頁(yè)，總共53頁(yè)。距離發(fā)射機(jī)r處天線的接收功率：（4.10）這個(gè)公式稱為自由空間公式，可以看出接收功率隨傳播距離r的平方衰減。當(dāng)前13頁(yè)，總共53頁(yè)。4.2.2自由空間傳播損耗自由空間路徑損耗是：有效發(fā)射功率和接收功率之比。用分貝表示：（4.11）（4.12）當(dāng)前14頁(yè)，總共53頁(yè)。對(duì)于無(wú)向性天線，并且距離r以千米為單位，頻率以兆赫茲為單位，天線增益以分貝為單位，則有：（4.13）這就是自由空間傳播損耗。當(dāng)前15頁(yè)，總共53頁(yè)。4.3電波傳播的主要空間區(qū)域4.3.1波動(dòng)方程的解赫芝矢勢(shì)滿足的波動(dòng)方程，即在均勻無(wú)限介質(zhì)中，若封閉面S只包含觀測(cè)點(diǎn)，源在其外。求解的結(jié)果是：當(dāng)前16頁(yè)，總共53頁(yè)。這個(gè)式子表明，觀測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)量可由閉合面S上的場(chǎng)量及其沿外法線n方向的微分來(lái)求得，即接收點(diǎn)的場(chǎng)是閉合面上連續(xù)分布的二次輻射源所輻射球面波的總和，這就是惠更斯原理。當(dāng)前17頁(yè)，總共53頁(yè)。描述電磁場(chǎng)的矢量函數(shù)。由于對(duì)電磁勢(shì)可以加上一定的限制條件,因此以及的三個(gè)分量這四個(gè)量當(dāng)中只有三個(gè)量是獨(dú)立的。所以，原則上說(shuō)可以用一個(gè)矢量函數(shù)去描述電磁場(chǎng)。H.R.赫茲于1888年找到了這種矢量函數(shù)，后來(lái)A.里紀(jì)在1901年又對(duì)此作了全面闡述。對(duì)任一給定的電磁場(chǎng)，可以引入一個(gè)矢量Z,將洛倫茲規(guī)范下的電磁勢(shì)表示為Z即稱為赫茲矢量當(dāng)前18頁(yè)，總共53頁(yè)。我們選取封閉面S為兩部分組成：與TR連線垂直的無(wú)限大平面和以為底面的無(wú)限大半圓球，將接收點(diǎn)R包位于其內(nèi)，于是4.3.2電波傳播的主要空間區(qū)域當(dāng)前19頁(yè)，總共53頁(yè)。分別是閉合面內(nèi)任意一點(diǎn)到接收點(diǎn)R和R的鏡像點(diǎn)的距離。對(duì)于平面上任意點(diǎn)，在上式中，第二項(xiàng)積分為0。函數(shù)v

可選擇為當(dāng)前20頁(yè)，總共53頁(yè)。于是，有由天線輻射原理，可知，在S0面上其中，為常數(shù)，是S0面上任意一點(diǎn)到T點(diǎn)的距離。當(dāng)前21頁(yè)，總共53頁(yè)。對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，且最后，得到當(dāng)前22頁(yè)，總共53頁(yè)。討論：(1)當(dāng)有小的變化時(shí)，相位因子顯著改變，而和變化不大，由此可推知：積分平面S0內(nèi)的各部分對(duì)積分值的貢獻(xiàn)是不一樣的。

(2)當(dāng)時(shí)，有最大值。和越大，就越小。因此，收發(fā)區(qū)間的直視區(qū)域就是電波傳播的重要空間區(qū)域。當(dāng)前23頁(yè)，總共53頁(yè)。4.3.3費(fèi)涅爾帶與費(fèi)涅爾區(qū)假定在波源Q與接收點(diǎn)P之間插入一個(gè)無(wú)限大平面S0，命它垂直于QP線，如圖所示。在S0平面上分布著若干個(gè)環(huán)形帶（稱之為費(fèi)涅爾帶），且存在下面的關(guān)系（λ為波長(zhǎng)）：

當(dāng)前24頁(yè)，總共53頁(yè)。4.3.3費(fèi)涅爾帶與費(fèi)涅爾區(qū)其中，ρ為平面S0上某點(diǎn)至波原Q的距離，γ為該點(diǎn)至接收點(diǎn)P的距離。如果在QP之間左右移動(dòng)S0平面，那么，它在每一個(gè)位置上都有一系列費(fèi)涅爾帶。由式⑴可知，d和λ是固定值，而ρ和γ為變量，經(jīng)移項(xiàng)為ρ＋γ=常數(shù)，該點(diǎn)的軌跡是以Q、P為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面。這些橢球面所包圍的空間區(qū)域，叫做費(fèi)涅爾區(qū)，如圖所示。當(dāng)前25頁(yè)，總共53頁(yè)。4.3.3費(fèi)涅爾帶與費(fèi)涅爾區(qū)當(dāng)前26頁(yè)，總共53頁(yè)。4.4刃鋒繞射4.4.1理論模型

當(dāng)無(wú)線電波在近地表面?zhèn)鞑r(shí)，由于山峰和其他建筑物的存在，使得在TR的直視區(qū)域有障礙物，處理這類問(wèn)題，從理論上可以當(dāng)作電波越過(guò)一個(gè)半無(wú)限屏繞射的二維問(wèn)題來(lái)處理，即所謂的刃形繞射。這種方法已廣泛用于解決實(shí)際工程問(wèn)題。為了估算這些障礙物的附加繞射損耗通常是將障礙物的形狀理想化一種情況是當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較窄時(shí)可假定為刃形障礙另一種情況是當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較寬時(shí)可假定為扁平的物體并在頂部可定義出曲率半徑這種障礙物稱為非刃形障礙。當(dāng)前27頁(yè)，總共53頁(yè)。導(dǎo)電屏對(duì)電波傳播的影響分析求解方程：當(dāng)前28頁(yè)，總共53頁(yè)。

我們已經(jīng)知道，接收點(diǎn)的場(chǎng)主要來(lái)自前幾個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)的二次源的貢獻(xiàn)，而在這些區(qū)域，有：積分號(hào)下表達(dá)式由快變的相位因子和緩慢變化的因子所組成。相位因子緩變，且在第一費(fèi)涅爾帶中心點(diǎn)上。當(dāng)前29頁(yè)，總共53頁(yè)。于是，有

由于在第一費(fèi)涅爾帶中心的相位具有最穩(wěn)定的數(shù)值，運(yùn)用穩(wěn)相法，有：當(dāng)前30頁(yè)，總共53頁(yè)。

既然在主要傳播區(qū)域以外的面積分對(duì)接收電場(chǎng)的貢獻(xiàn)微不足道，那么積分可在無(wú)限范圍內(nèi)進(jìn)行。于是，上述積分變?yōu)椋寒?dāng)前31頁(yè)，總共53頁(yè)。由此計(jì)算得到的電場(chǎng)只取比例于的項(xiàng)，即有當(dāng)前32頁(yè)，總共53頁(yè)。4.4.2繞射計(jì)算的進(jìn)一步研究當(dāng)前33頁(yè)，總共53頁(yè)。接收點(diǎn)R的場(chǎng)強(qiáng)：u11.00.50陰影區(qū)照明區(qū)邊界繞射因子，菲涅爾積分當(dāng)前34頁(yè)，總共53頁(yè)。4.5視距傳播視距是視線距離的簡(jiǎn)稱，是指當(dāng)天線高度一定時(shí)，天線頂端所能看到的地面最遠(yuǎn)距離。視距傳播是超短波和微波波段的無(wú)線通信方式。因此，本節(jié)主要探討超短波和微波波段的無(wú)線信道特性。當(dāng)前35頁(yè)，總共53頁(yè)。4.5.1視線距離如圖，發(fā)射天線T離地面高度h，照射到繞其周圍距離為的視線之內(nèi)，地心O的張角當(dāng)前36頁(yè)，總共53頁(yè)。地面距離D0是（4-47）TC是由T相地面所引的切線，于是（4-48）當(dāng)前37頁(yè)，總共53頁(yè)。由于對(duì)流層折射的影響，通常用等效地球半徑Re代替R0

，如果R0=6370km，則Re=8495km。當(dāng)發(fā)射和接收天線離地面高度分別為h1和h2，則視距傳播的最大距離Dmax是（4-49）當(dāng)前38頁(yè)，總共53頁(yè)。在工程上，常用下列公式計(jì)算：（4-50）當(dāng)前39頁(yè)，總共53頁(yè)。4.5.2干涉公式當(dāng)前40頁(yè)，總共53頁(yè)。

由前面所講的輻射方程，可得到直達(dá)波的場(chǎng)強(qiáng)：（4-51）對(duì)于反射波，有：（4-52）當(dāng)前41頁(yè)，總共53頁(yè)。反射系數(shù)

對(duì)于水平極化情況，ED和ER都是水平極化的，因此，接收點(diǎn)的場(chǎng)正好是二者代數(shù)和。在垂直入射情況下，ED和ER均在入射面內(nèi)，合成場(chǎng)是兩者的矢量和。工程上由于天線高度都不大（相對(duì)于地球半徑），所以兩矢量方向之間的偏差可以忽略，合成場(chǎng)也可以近似為代數(shù)和。即：當(dāng)前42頁(yè)，總共53頁(yè)。引入等效反射系數(shù)R’，定義如下：(4-54)當(dāng)前43頁(yè)，總共53頁(yè)。(4-56)它表示接收點(diǎn)合成場(chǎng)強(qiáng)的干涉公式。當(dāng)前44頁(yè)，總共53頁(yè)。課堂討論問(wèn)題：為什么微波電路設(shè)計(jì)上，要盡量避免電波從海面或湖面反射到達(dá)接收點(diǎn)？當(dāng)前45頁(yè)，總共53頁(yè)。4.5.3地面凸起和傳播余隙傳播余隙是指在微波傳播路徑的剖面圖上，收發(fā)兩點(diǎn)的連線與最高障礙物頂點(diǎn)之間的距離。如下圖所示，hc即為余隙。當(dāng)前46頁(yè)，總共53頁(yè)。地面凸起和傳播余隙從圖中幾何關(guān)系可知，收發(fā)兩點(diǎn)的連線在障礙點(diǎn)的高度h為：

h

考慮地球凸起he后，余隙hc等于：式中：a----為地球半徑，單位為米。H3—為微波中繼剖面中，障礙點(diǎn)頂端的海拔標(biāo)高；當(dāng)前47頁(yè)，總共53頁(yè)。地面凸起和傳播余隙等效地球半徑由上所述，由于大氣的折射作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是按曲線傳播的，但為了鏈路附加衰落因子計(jì)算方便，仍假設(shè)電波射線按直線傳播，而認(rèn)為地球半徑有了變化，即由實(shí)際半徑變?yōu)榈刃О霃健６x等效地球半徑因子K為：

＝當(dāng)前48頁(yè)，總共53頁(yè)。地面凸起和傳播余隙式中：ae等效地球半徑；a

實(shí)際地球半徑；由上式可見(jiàn)：負(fù)折射，折射率＞0、K＜1，等效地球半徑ae減??；正折射，折射率＜0、K＞1，等效地球半徑ae增大；當(dāng)前49頁(yè)，總共53頁(yè)。地面凸起和傳播余隙等效地球凸起高度不考慮地球折射時(shí)，地球凸起高度he=考慮大氣的折射作用后，等效地球凸起高度he：

he=

當(dāng)前50頁(yè)，總共53頁(yè)。式中：d1------記錄點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離,(Km)；d2------記錄點(diǎn)到終點(diǎn)距離，(Km)；he等效地面突起的高度------由于大氣折射而產(chǎn)生的等效地面突起的高度（m）。K----為等效地球半徑系數(shù)；正常傳輸剖面圖K=4/3，最壞氣象傳輸剖面圖KMIN=2/3；a----為地球半徑；一般取a=6370km。當(dāng)前51頁(yè)，總共53頁(yè)。余隙計(jì)算前面沒(méi)有考慮大氣折射時(shí)電波傳播余隙hc等于：考慮大氣的折射作用后，等效地球凸起高度he有了變化，所以余隙hc也發(fā)生了變化：當(dāng)前52頁(yè)，總共53頁(yè)。余隙計(jì)算式中：hc—為中繼剖面中