电波传播综述.pptx
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1、第第13章章 电波传播电波传播电波传播的基础知识电波传播的基础知识地面波传播地面波传播天波传播天波传播视距传播视距传播地面移动通信中接收场强的预测地面移动通信中接收场强的预测2.2.无线电波:无线电波:按序排列的频率分布,也称波谱。按序排列的频率分布,也称波谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线、射线射线 把各波段按频率由低至高依次排列,分别是:把各波段按频率由低至高依次排列,分别是:1.1.频谱:频谱:频率从几十赫兹到频率从几十赫兹到3000GHz的电磁波。的电磁波。按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来,按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来,就是
2、电磁频谱。就是电磁频谱。一、电波传播的基础知识一、电波传播的基础知识无线电波频段的划分无线电波频段的划分 电波传播:无线电波在媒质(如地表、地球大气层电波传播:无线电波在媒质(如地表、地球大气层 或宇宙空间等)中的传播过程。或宇宙空间等)中的传播过程。几种主要的电波传播方式几种主要的电波传播方式1.地面波传播:地面波传播:优点:传播信号质量好优点:传播信号质量好缺点:频率越高,地面对电波的吸收越严重。缺点:频率越高,地面对电波的吸收越严重。地面波传播地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。天波传播天波传播 2.天波传播:天波传播:发射天线向高
3、空辐射的电波在电离层内经过连发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。传播。优点:传播距离远优点:传播距离远缺点:衰落现象比较严重缺点:衰落现象比较严重3.视距传播视距传播 电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。方式称为视距传播。视距传播视距传播 特点:特点:直射波与地面反射波之间存在干涉现象,降直射波与地面反射波之间存在干涉现象,降雨和大气对电波传播有衰减及散射作用,山、建筑物雨和大气对电波传播有衰减及散射作用,山、建筑物和树木对电波的散
4、射和绕射作用显著。和树木对电波的散射和绕射作用显著。散射传播散射传播 4.散射传播散射传播 利用非均匀介质团利用非均匀介质团对电波具有散射特性来对电波具有散射特性来达到传播的目的。达到传播的目的。对流层散射对流层散射电离层散射电离层散射优点:距离远,抗毁性好,保密性强。优点:距离远,抗毁性好,保密性强。电波传播特性的决定性因素电波传播特性的决定性因素 媒质的电参数(媒质的电参数()的空间分布)的空间分布和时间变化及边界状态。和时间变化及边界状态。二、二、自由空间电波传播自由空间电波传播 天线置于自由空间天线置于自由空间A处,其辐射功率为处,其辐射功率为Pr,方,方向系数为向系数为D,在最大辐射
5、方向上距离为,在最大辐射方向上距离为 r 的点的点M处处产生的场强振幅为产生的场强振幅为 自由空间的电波传播自由空间的电波传播 自由空间传播损耗:自由空间传播损耗:当发射天线与接收天线的方向系数都为当发射天线与接收天线的方向系数都为1时,时,发射天线的辐射功率发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功与接收天线的最佳接收功率率PL的比值,记为的比值,记为L0,即,即D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为的无方向性接收天线的有效接收面积为所以该接收天线的接收功率为所以该接收天线的接收功率为D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为的无方向性发射天线产生的功率密度为于是自由空间传播损耗为于是自由
6、空间传播损耗为 或或 当电波频率提高当电波频率提高1 1倍或传播距离增加倍或传播距离增加1 1倍时,自由倍时,自由空间传播损耗分别增加空间传播损耗分别增加6dB6dB。衰减因子:衰减因子:相应的衰减损耗为相应的衰减损耗为 E:实际情况下的接收点的场强:实际情况下的接收点的场强E0:自由空间传播的场强:自由空间传播的场强 A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。地物、传播方式等因素有关。基本传输损耗:基本传输损耗:如果发射天线的输入功率为如果发射天线的输入功率为Pin,增益系数为,增益系数为Gr,接收天线的增益系数为,接收天线的增益
7、系数为GL,则相应的功率密度,则相应的功率密度和最佳接收功率分别为和最佳接收功率分别为衰减损耗衰减损耗自由空间传播损耗自由空间传播损耗 在在路路径径传传输输损损耗耗Lb为为客客观观存存在在的的前前提提下下,降降低低传传输输损损耗耗L的的重重要要措措施施就就是是提提高高收收、发发天天线线的的增增益系数。益系数。电道的传输损耗:电道的传输损耗:发射天线输入功率与接收天线输出功率(满足发射天线输入功率与接收天线输出功率(满足匹配条件)之比,即匹配条件)之比,即【例例】设微波中继通信的段距为设微波中继通信的段距为r=50km,工,工作波长为作波长为7.5cm,收发天线的增益系数都为,收发天线的增益系数
8、都为 45dB,馈线及分路系统一端损耗为馈线及分路系统一端损耗为 3.6dB,该路径的衰减,该路径的衰减因子因子A=0.7。若发射天线的输入功率为。若发射天线的输入功率为 10W,求其,求其收信电平。收信电平。L0=121.98+20lgr(km)20lg(cm)=121.98+20lg5020lg7.5 =121.98+33.9817.5 =138.46dB解:解:考虑到馈线及分路系统一端损耗后,该电道的考虑到馈线及分路系统一端损耗后,该电道的总传输损耗总传输损耗L为为LL0LFGrGL23.6 138.4620lg0.7245+23.6 58.8dB 因为因为 Pin=10W=40dBm(
9、分贝毫瓦)(分贝毫瓦)于是收信电平即接收天线的输出功率为于是收信电平即接收天线的输出功率为PLPin L40 58.8 18.8dBm 菲涅尔带菲涅尔带三、三、电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 空间空间A处有一球面波源,做一个与之同心、半径为处有一球面波源,做一个与之同心、半径为R的球面,的球面,P点与点与A点相距点相距d=R+r0,将球面,将球面S分成许多环形带分成许多环形带Nn(n=1,2,3,),并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长(物理学上并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长(物理学上称这种环带为菲涅尔带称这种环带为菲涅尔带)。菲涅尔带:菲涅尔带:在这种情况下,相邻
10、两带的对应部分的惠更斯在这种情况下,相邻两带的对应部分的惠更斯源在源在P点的辐射将有点的辐射将有/2的的波程差波程差,因而有,因而有180的的相位相位差差,起着互相削弱的作用。,起着互相削弱的作用。可以证明,当可以证明,当r0时各带的面积大致相等。设时各带的面积大致相等。设第第 n 个菲涅尔半波带在个菲涅尔半波带在 P点产生的场强振幅为点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,.),由于每个菲涅尔半波带的辐射路径,由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样,因此有以下的关系式不一样,因此有以下的关系式 如如 果果 将将 上上 式式 的的 奇奇 数数 项项 拆拆 成成 两两 部部 分分,即即En=En/
11、2+En/2,则式(,则式(83 3)可以重新写为)可以重新写为 从平均角度而言,相邻两带对从平均角度而言,相邻两带对P点的贡献反相,点的贡献反相,于是于是P点的合成场振幅为点的合成场振幅为 仔细观察上式,如果总带数足够大仔细观察上式,如果总带数足够大:可以认为可以认为 上式给我们一个重要的启示,尽管在自由空上式给我们一个重要的启示,尽管在自由空间从波源间从波源A辐射到观察点辐射到观察点P的电波,从波动光学的的电波,从波动光学的观点看,可以认为是通过许多菲涅尔区传播的,观点看,可以认为是通过许多菲涅尔区传播的,但起最重要作用的是但起最重要作用的是第一菲涅尔区第一菲涅尔区。作为粗略近。作为粗略近
12、似,只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物似,只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡,就能得到自由空间传播时的场强。遮挡,就能得到自由空间传播时的场强。令第一菲涅尔区的半径为令第一菲涅尔区的半径为F1,根据第一菲涅尔,根据第一菲涅尔区半径的定义区半径的定义通常通常d1F1,d2F1,将上式作一级近似,可得,将上式作一级近似,可得显然,该半径在中点显然,该半径在中点d1=d2=d/2处达到最大值处达到最大值 划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的,因此划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的,因此当球面半径当球面半径R R变化时,尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化时,尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化,但是它们的
13、几何定义不变。而它们的几何定变化,但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以义恰恰就是以A A、P P两点为焦点的椭圆定义。两点为焦点的椭圆定义。菲涅尔椭球菲涅尔椭球 如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性,如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性,不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收、发两点为焦点的旋转椭球。个以收、发两点为焦点的旋转椭球。称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下,由于电波传播的主要
14、通道未被全部遮射线的情况下,由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住,因此接收点仍然可以收到信号,这种现象称为挡住,因此接收点仍然可以收到信号,这种现象称为电波绕射。电波绕射。电波绕射:电波绕射:不同波长的绕射能力不同波长的绕射能力 在地面上的障碍物高度一定的情况下,在地面上的障碍物高度一定的情况下,波长越长,电波传播的主要通道的横截面积波长越长,电波传播的主要通道的横截面积越大,相对遮挡面积就越小,接收点的场强越大,相对遮挡面积就越小,接收点的场强就越大。就越大。因此,频率越低,绕射能力越强。因此,频率越低,绕射能力越强。电波电波 媒质效应媒质效应 衰减损耗、衰落衰减损耗、衰落 干扰和噪声干扰和
15、噪声 极化偏转极化偏转 反射、折射、散射反射、折射、散射 时域、频域畸变时域、频域畸变 这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产生严重影响,因此各种媒质中各频段电磁波的传播效生严重影响,因此各种媒质中各频段电磁波的传播效应是电波传播研究的主要对象。应是电波传播研究的主要对象。电波传播的基本特性电波传播的基本特性电波传播的基本特性即移动信道的基本特性电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 衰落特性衰落特性移动通信信道移动通信信道移动通信信道移动通信信道 基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径 衰落的
16、原因衰落的原因衰落的原因衰落的原因 复杂的无线电波传播环境复杂的无线电波传播环境无线电波传播方式无线电波传播方式无线电波传播方式无线电波传播方式 直射、反射、绕射和散射以及它们的合成直射、反射、绕射和散射以及它们的合成衰落的表现衰落的表现衰落的表现衰落的表现传播损耗和弥散传播损耗和弥散阴影衰落阴影衰落多径衰落多径衰落多普勒频移多普勒频移考虑问题考虑问题考虑问题考虑问题衰落的物理机制衰落的物理机制功率的路径损耗功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性接收信号的变化和分布特性应用成果应用成果应用成果应用成果传播预测模型的建立传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础为实现信道仿真提供基础基本方法基本方
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