电波理论与工程设计论文——短波传播及应用.doc
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1、 电波理论与工程设计论文 题 目 短波传播及应用 学 院 专 业 姓 名 学 号 任课教师 目 录45第一章 绪论21.1 无线电波传播31.2 电波射线轨迹41.3 电波传播模式51.4 电离层的作用6第二章 短波传播72.1 短波传播的概念72.2 短波的传播途径72.3 单边带8第三章 短波信道的传播损耗模型103.1 自由空间传播损耗103.2 电离层吸收损耗133.3 多跳地面反射损耗133.4 额外系统损耗14第四章 短波传播的应用164.1 短波通信164.2 短波通信的关键技术174.3 短波通信中的天线选型214.4 短波通信发展现状24第五章 短波通信难点275.1 优化短
2、波通信的方法275.2 短波通信的常见难点及解决方法355.3 短波噪声及消除方法365.4 短波通信盲区及解决方法37第六章 总结与展望40参考文献44第一章 绪论无线电广播、无线电通信、电视、雷达等都要靠无线电波的传播来实现。电波在各种媒介质及媒介质分界面上传播的过程,由于反射、折射、散射及绕射,其传播方向经历各种变化,由于扩散和媒介质的吸收,其场强不断减弱。为使接收点有足够的场强,必须掌握电波传播的途径、特点和规律,才能达到良好的通信效果。尽管当前新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有被淘太,还在快速发展。其原因主要有三:一、短波是唯一不
3、受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段,一旦发生战争或灾害,各种通信网络都可能受到破坏,卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式,其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比;二、在山区、戈壁、海洋等地区,超短波覆盖不到,主要依靠短波;三、与卫星通信相比,短波通信不用支付话费,运行成本低。近年来,短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。用现代化的短波设备改造和充实我国各个重要领域的无线通信网,使之更加先进和有效,满足新时代各项工作的需要,无疑是非常有意义的。无线电广播、无线电通信、卫星、雷达等都依靠无线电波的传播来实现。无线电波一般指波长由100,000米
4、到0.75毫米的电磁波,在通信中,根据无线电波的波长(或频率)把无线电波划分为各种不同的波段(或频段)。长波传播 距离300km以内主要是靠地波,远距离(2000km)传播主要靠天波。用长波通信时,在接收点的场强稳定,但由于表面波衰减慢,对其它收信台干扰大。长波受天电干扰的影响亦很严重。此外由于发射天线非常庞大,所以利用长波作为通信和广播的不多,仅在越洋通信、导航、气象预报等方面采用。中波传播 白天天波衰减大,被电离层吸收,主要靠地波传播,夜晚天波参加传播,传播距离较地波远,它主要用于船舶与导航通信,波长为2000-200m的中波主要用于广播。短波传播 有地波也有天波。但由于短波的频率较高,地
5、面吸收强烈,地表面波衰减很快,短波的地波传播只有几十公里。天波在电离层中的损耗减少,常利用天波进行远距离通信和广播。但由于电离层不稳定,通信质量不佳,短波主要用于电话电报通信,广播及业余电台。超短波传播 由于超短波频率很高,而地波的衰减很大,电波穿入电离层很深乃至穿出电离层,使电波不能反射回来,所以不能利用地表面波和天波的传播方式,主要用空间波传播。超短波主要用于调频广播、电视,雷达、导航传真、中继、移动通信等。电视频道之所以选在超短波(未波及分米波)波段上,主要原因是电视需要较宽的频带(我国规定为8MHz)。如果载频选得比较低,例如选在短波波段,设中心频率 MHz,则相对带宽。这么宽的相对带
6、宽会给发射机、天馈线系统、接收机以及信号传输带来许多困难,因此选超短波波段,提高载频以减小相对带宽。1.1 无线电波传播电波在各种媒介质及其分界面上传播的过程中,由于反射、折射、散射及绕射,其传播方向经历各种变化,由于扩散和媒介质的吸收,其场强不断减弱。为使接收点有足够的场强,必须掌握电波传播的途径、特点和规律,才能达到良好的通信效果。常见的传播方式有:地波(地表面波)传播图1.1 地波传播示意图沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波,简称地波,一般30MHz。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中,它的强度衰减较慢,超短波、微波中继通信、蜂窝通信、电视、雷达、卫星通信与广播就是利用直
7、射波传播的。在地面进行直射波通信,其接收点的场强由两路组成:一路由发射天线直达接收天线,另一路由地面反射后到达接收天线,如果天线高度和方向架设不当,容易造成相互干扰(例如电视的重影)。限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物,因此超短波和微波天线要求尽量高架。图1.3 直射波传播示意图散射传播散射传播是由天线辐射出去的电磁波,投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时,利用对流层、电离层、流星余迹等不均匀体对电磁波的散射来实现“超视距传播”,其中一部份到达接收点。散射传播用于超短波(米波)和微波的远距离通信,通信距离远,但是效率低,不易操作,使用并不广泛。图1.4 散射传播示
8、意图1.2 电波射线轨迹当无方向性天线辐射的电波的频率大于电离层临界频率时,其能量会沿不同的传播路径向远处传播,即不同的波束有不同的电波射线轨迹(见图)。电波波束1沿地面传播,因绕射作用而能到达离发射点几十至几百公里的地区,称为地波。其他仰角的电波波束均进入电离层。垂直入射电离层的波束9,因频率大于临界频率而穿透电离层不折回地面。略微倾斜的波束8、7经电离层折射后也穿过电离层。波束6的仰角较小,在电离层滑行后可能到达很远的地面,这种路径常称为彼得森射线。波束5的仰角更小,可以折射回地面,但距离较近。波束4到达一个最近的距离,这个距离称为跳距。当仰角再小时,电波到达距离反而又远了。当仰角接近地面
9、切线方向时,电波可到达4000公里左右的地方。跳距附近电波能量比较集中,这种现象称为跳距聚焦。在大于跳距的距离上,均可能有两个仰角的波束同时到达,仰角大的称高波,仰角小的称低波。波束4中高波和低波重合。由图可见,存在着一个天波和地波均不能到达的区域,称为寂静区。当电离层不断变化时,一定频率的电波传播距离、跳距和寂静区都会发生相应的变化。图1.5 短波电离层传播的射线轨迹1.3 电波传播模式电离层呈多层结构,由发射点发出的同一电波波束经电离层反射到达一定距离的接收点的传播路径通常多于两个,称为多径传播或多模式传播。到达接收点的不同模式传播的电波有不同的时延和相位,这是引起短波场强衰落的主要原因之
10、一(见多径效应)。短波地波属于绕射传播模式,而天波传播模式多样而复杂。通常以mXnY形式标记传播模式,X、Y代表反射层,m、n代表不同层反射次数。例如,1F表示F层一跳模式,1E2F表示E层一跳、F层二跳的混合模式。此外,还有高、低波模式和不经地面反射而经 Es层反射的M模式等。跨极区和跨赤道传播还有其他特殊传播模式。与几百公里或上万公里的电路相比,30005000公里电路的传播模式比较少,也比较简单。但是,对于一条电路来说,通常是一条路径损耗最小的模式起主要传输作用,这条路径也可能不是跳数最小的路径,因为路径损耗与路径沿途的环境条件有关。根据电离层传播理论,不是所有短波都能从电离层反射而折回
11、地面的。较高频率的短波要从较高电子密度分布的电离层才能反射折回地面。对于一定电子密度分布的电离层和一定的收、发距离,能反射折回地面的电波有一个频率最大值,称为最高可用频率(MUF),它随收发间距离的减小而变低。因此,收、发在同一点时,所能反射折回地面的电波的最高频率是 这一电子密度分布的电离层所对应的MUF中最低的,称为电离层临界频率。如果收、发间距离一定,发射频率较低,接收点可以收到有一定时延差的高、低角波;随着频率变高,高低角波时延差缩小以至渐变至零,高低角波重合;若频率再升高,则接收点落入跳距以内,完全收不到发射信号。因此,一定距离的电路能传播的频率必有一个上限,这个上限频率称为该电路的
12、最高可用频率。另外,电波经电离层传播的能量还会被电离层吸收,吸收大小通常与频率平方成反比。频率较低,则信号电平因吸收增大而降低。当电平降低到刚能满足最低接收信噪比要求时,所用的频率称为该电路的最低可用频率 (LUF)。由此可见,短波传播为减少吸收应尽可能用高的频率。但一般只能用到0.85MUF的频率,因为若用MUF,只要电离层稍有变化,电波就穿出电离层而不折回。所以,0.85MUF的频率称为最佳可用频率。1.4 电离层的作用电离层对短波通信起着主要作用,电离层是指从距地面大约60公里到2000公里处于电离状态的高空大气层。上疏下密的高空大气层,在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微
13、粒流作用下,大气气体分子或原子中的电子分裂出来,形成离子和自由电子,这个过程叫电离。产生电离的大气层称为电离层。电离层分为D、E、F1、F2四层。D层高度6090公里,白天可反射29MHz的频率。E层高度85150公里,这一层对短波的反射作用较小。F层对短波的反射作用最大,分为F1和F2两层。F1层高度150200公里,只在日间起作用,F2层高度大于200公里,是F层的主体,日间夜间都支持短波传播。电离层的浓度对工作频率的影响很大,浓度高时反射的频率高,浓度低时反射的频率低。电离的浓度以单位体积的自由电子数(即电密度)来表示。电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化
14、,这决定了短波通信的频率也必须随之改变。第二章 短波传播2.1 短波传播的概念短波传播即波长在20010米(相应频率为1.530兆赫)范围内的无线电波的传播。短波可以沿地面以地波方式传播,也可通过电离层反射以天波方式传播。一次反射(一跳)可传输4000千米,多次反射甚至可作环球传播。天波传播受电离层特性的影响。短波首次跨越海洋传播是1921年由业余无线电爱好者实现的,比G.马可尼实现中波跨越海洋传播晚20年。由于短波传播距离远,经济方便,很快在通信和广播领域超过了中波传播的地位。在实现了卫星通信的现代,它仍然广泛用于远距离通信和广播。短波传播的理论基础是磁离子理论,根据电离层的结构和变化规律可
15、对短波传播特性进行预测和预报。在工程应用中,人们最关心的短波传播特性是电波射线轨迹、传播模式、可用频率和场强计算等。根据电离层传播理论,不是所有短波都能从电离层反射而折回地面的。较高频率的短波要从较高电子密度分布的电离层才能反射折回地面。在我国,北京至南极洲长城站的2.2万多公里的通信中,短波仍是主要通信手段之一。近年,建立在实时电离层信道测量基础上的实时选频系统的出现,使短波通信误码率降至10-5,显示出短波通信仍有较强的生命力。2.2 短波的传播途径电离层最高可反射40MHz的频率,最低可反射1.5MHz的频率。根据这一特性,短波工作频段被确定为1.6MHz-30MHz。所以根据无线电波传
16、播的分类可知,短波的基本传播途径有两个:一个是地波,一个是天波。沿大地与空气的分界面传播的电波,叫地面波或表面波,简称地波,其传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利,短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右;陆地表面介质电导特性差,对电波衰耗大,而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样(潮湿土壤地面的衰耗小,干燥沙石地面的衰耗大)。地波在传播过程中,由于部份能量被大地吸收,很快减弱,波长越短,减弱越快,因而传播距离不远。但地波不受气候影响,可靠性高。通常,超长波、长波、中波无线电通信,利用地波传播。地波传播不需要经常改变工作频率,但要考虑障碍物的阻挡,这与天波
17、传播是不同的。短波信号沿地面最多只能传播几十公里。短波的主要传播途径是天波。短波信号由天线发出后,经电离层反射回地面,又由地面反射回电离层,可以反射多次,因而传播距离很远(几百至上万公里),而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定,处理不好会影响通信效果。在天波传播过程中,路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素,都会造成信号的弱化和畸变,影响短波通信的效果。随着无线电通信新技术的不断涌现,天波传播弱点对短波通信的影响,正在逐步被克服。2.3 单边带在无线电通信中,传送信息的载体是特定频率的载波(也称为主频)。那么信息又是如何放到载波上的呢?这就引出了“调制”
18、的概念。调制就是将信息的动态波形通过一定形式加到载波上发送出去,接收台收到被调制的载频信后,再还原信息。调制分为幅度调制(简称“调幅”)、频率调制(简称“调频”)、相位调制(简称“调相”)三种。中波、短波一般采用调幅方式,超短波一般采用调频方式。根据国际协议,短波通信必须使用单边带调幅方式(SSB),只有短波广播节目可以使用双边带调幅方式(AM)。因此,国内外使用的短波电台都是单边带电台。1单边带的定义调幅信号的频谱是由中央载频和上下两个边带组成的。将载频和其中一个边带加以抑制,剩下的一个边带就成为单边带信号。如果用一个边带再加上部份载频或全部载频,就成为兼容式调幅信号。2单边带的优点 单边带
19、的优点是:提高了频谱利用率,减少信道拥挤;节省发射功率约四分之三;减少信道互扰;抗选择性衰落能力强。一部100W单边带电台的实际通话效果,相当于过去1000W以上双边带电台。3短波单边带术语SSB 载波和一个边带全抑制的单边带话;USB 上边带话;LSB 下边带话;AM 全载波单边带话(全载波兼容式调幅话);J2A 单边带报(用上边带或下边带传送手键报);第三章 短波信道的传播损耗模型短波天波通信是以电离层为媒介传播的。电离层的密度随昼夜、季节、太阳活动周期和经纬度变化而变化,电波传播损耗与时间、季节、经纬度位置、地形等诸多实时变化因素有关。考虑到目前所能计算的损耗,电离层传播损耗可表示为(3
20、-1)式中,是自由空间传播损耗,是电离层吸收损耗,是多跳地面反射损耗,是额外系统损耗。3.1 自由空间传播损耗在无线通信电波传播研究中,最简单的是自由空间传播。所谓自由空间,通常是指充满均匀、无损耗媒质的无限大空间,该空间中,介质均匀,相对介电常数和相对磁导率均恒为1(即介电常数和磁导率分别等于真空介电常数及真空磁导率),且各向同性、电导率为零。自由空间传播是指在接收机和发射机之间完全无阻挡的视距传播,是电波传播中最简单的情况。自由空间传播与真空中传播一样,只有扩散损耗的直线传播,即在此空间中没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象,而且电波传播速度等于真空中的光速,因此,自由空间是
21、某些实际空间的一种科学的抽象。尽管在实际环境中很难找到理想的自由空间,但在研究移动通信环境电波传播问题时往往将其作为各种传播环境的比较标准,故在许多场合,需要用到自由空间传播的计算公式。在移动环境下,电波传播的机理是多种多样的,但最终可以归结为直射波、反射波、绕射波、透射波、散射波和衍射波,其中影响最为显著的是直射波、反射波、绕射波和散射波。电波传播总是要受到实际介质或障碍物不同程度的影响,但在研究具体的无线电波传播时,如果实际介质与障碍物对电波传播的影响可以忽略,则这种情况下的电波传播可认为是自由空间传播。当离开发信天线的距离为米时,自由空间场强可用下式表示: (3-2)式中,为场强();为
22、辐射功率();为发信天线功率增益。理想的全向天线在所有方向上均匀辐射,故。处于自由空间(或设在高于地面波长以上)的对称天线,为该天线相对于全向天线的功率增益。例如小的偶极子或偶极天线,当其整个尺寸与半波长相比很短时,增益为;半波偶极天线在最大辐射方向上的增益为。因此,垂直于半波偶极天线方向上的自由空间场强是:(3-3)辐射功率为1W的场强作为距离的函数如图3-1的标尺1和2所示。对于W辐射功率,则应在标尺2的数值上增加一校正值。例如,对于辐射功率为1W的半波偶极天线,在10公里处的自由空间场强是57,当辐射功率为50W时,则该处的场强为5710log5074。应当指出,场强是指接收天线上无线电
23、波的能量密度,而与接收天线的型式无关,因此,场强不决定于发射频率,而仅依赖于辐射功率和离发信天线的距离。图3-1 半波偶极天线间的自由空间场强和接收功率(辐射功率1W)在自由空间传播条件下,天线传递给接收机的最大有用功率为(3-4)式中,为自由空间场强();为波长();为接收天线功率增益。图3-1的标尺2和4表示半波偶极天线的接收功率和接收场强之间的关系。例如,当频率为150MHz、场强为50时,半波偶极天线所获得的最大有用功率为-98。在自由空间传播条件下,接收功率与辐射功率的关系如下:(3-5)我们定义之比为传输损耗,或系统损耗,则(3-6)如以计,以计,以计,则或(3-7)式中,、为发信
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