微波傳播理論中的幾個(gè)基本參數(shù)(中級(jí))

1、微波的電波傳播理論 基本概念：由于微波是在大氣中作視線傳播實(shí)現(xiàn)的通信，它在傳播的過(guò)程遵循 電波在自由空間的輻射和傳播理論、惠更斯-費(fèi)涅耳原理、電波傳播的費(fèi)涅耳區(qū) 的理論、電波的干涉和極化、電波可能會(huì)受到大氣不均勻體的反射、可能會(huì)受到大氣層中形成的倒布層的影響、可能會(huì)由于大氣的介質(zhì)梯度的不規(guī)則變化使電波出現(xiàn)超常態(tài)的超折射、電波在不同性質(zhì)平地面上的反射、在光滑球面上繞射、在刃型單障礙物、在多障物情況下的傳播、電波在大氣傳播受大氣中的雨、霧的吸收、衰減理論；這些的總和就是微波的傳播理論 1、自由空間損耗自由空間損耗 v假設(shè)電磁波在自由空間（即理想介質(zhì)空間）傳播，雖然不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象

2、，不因這些因素消耗能量，但電波在自由空間傳播時(shí)，能量會(huì)因空間擴(kuò)散而衰耗，這部分衰耗的能量稱作自由空間損耗，根據(jù)能流密度和天線理論我們可以得到自由空間電波的傳播損耗的計(jì)算公式： Ls=Pt / Pr =(4df/c) 2 -（1） 或 Ls（dB）=20log(4df/c) -（2） v上式中： LS-自由空間損耗（dB） d-電波發(fā)源射源到接收點(diǎn)間距離 （m） f-電波工作頻率(Hz) c -光速 3 108 （m/s） 如果d以km、f 以GHz計(jì)公式可改寫為 Ls（dB）=92.4+20log d+20logf -(3) 2、費(fèi)涅爾半徑與余隙 惠更斯提出了電磁波波動(dòng)性學(xué)說(shuō)，費(fèi)涅耳在這個(gè)基礎(chǔ)

3、惠更斯提出了電磁波波動(dòng)性學(xué)說(shuō)，費(fèi)涅耳在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了費(fèi)涅耳區(qū)的概念，進(jìn)一步解釋了電波的反射、繞射上提出了費(fèi)涅耳區(qū)的概念，進(jìn)一步解釋了電波的反射、繞射等現(xiàn)象。在微波傳輸中，我們需要根據(jù)該原理來(lái)考慮地面反等現(xiàn)象。在微波傳輸中，我們需要根據(jù)該原理來(lái)考慮地面反射對(duì)微波的影響。射對(duì)微波的影響。 惠更斯原理的基本思想：光和電磁波都是一種振動(dòng)，其周惠更斯原理的基本思想：光和電磁波都是一種振動(dòng)，其周圍的媒質(zhì)是具有彈性的，故一點(diǎn)的震動(dòng)可通過(guò)媒質(zhì)傳遞給鄰圍的媒質(zhì)是具有彈性的，故一點(diǎn)的震動(dòng)可通過(guò)媒質(zhì)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)，并依次向外擴(kuò)展，而成為媒質(zhì)中傳遞的波。因此近的質(zhì)點(diǎn)，并依次向外擴(kuò)展，而成為媒質(zhì)中傳遞的波。因此可以

4、認(rèn)為一個(gè)點(diǎn)源的震動(dòng)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)后，就形成了二可以認(rèn)為一個(gè)點(diǎn)源的震動(dòng)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果點(diǎn)源發(fā)出的波是球面波，那么次波源、三次波源等等。如果點(diǎn)源發(fā)出的波是球面波，那么由點(diǎn)源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次由點(diǎn)源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次.波前面波前面也是球面波。在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波也是球面波。在微波通信中，當(dāng)發(fā)信天線的尺寸遠(yuǎn)小于微波中繼距離時(shí)中繼距離時(shí) 可將發(fā)射天線看成是一個(gè)點(diǎn)源可將發(fā)射天線看成是一個(gè)點(diǎn)源2.1、費(fèi)涅爾半徑的概念費(fèi)涅耳橢球面費(fèi)涅耳橢球面 假定有一個(gè)微波中繼段發(fā)信點(diǎn)為假定有一個(gè)微波中繼段發(fā)信點(diǎn)為T，收信點(diǎn)

5、為，收信點(diǎn)為R，站間距為，站間距為d，通過(guò)高，通過(guò)高等數(shù)學(xué)可以知道，平面上一個(gè)動(dòng)點(diǎn)等數(shù)學(xué)可以知道，平面上一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P到兩個(gè)定點(diǎn)（到兩個(gè)定點(diǎn)（T、R）的距離若為一）的距離若為一個(gè)常數(shù)，則此點(diǎn)的軌跡為一個(gè)橢圓。在空間此動(dòng)點(diǎn)的軌跡是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢個(gè)常數(shù)，則此點(diǎn)的軌跡為一個(gè)橢圓。在空間此動(dòng)點(diǎn)的軌跡是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面。對(duì)于我們討論的電波傳播中，這個(gè)常數(shù)當(dāng)為球面。對(duì)于我們討論的電波傳播中，這個(gè)常數(shù)當(dāng)為d+/2時(shí)，得到的橢時(shí)，得到的橢球面稱為第一費(fèi)涅耳橢球面；常數(shù)為球面稱為第一費(fèi)涅耳橢球面；常數(shù)為d+2/2時(shí)，得到的橢球面稱為第二時(shí)，得到的橢球面稱為第二費(fèi)涅耳橢球面費(fèi)涅耳橢球面. 常數(shù)為常數(shù)為d+N/2時(shí)，得到的橢

6、球面稱為第時(shí)，得到的橢球面稱為第N費(fèi)涅耳橢球費(fèi)涅耳橢球面面 費(fèi)涅耳區(qū)費(fèi)涅耳區(qū) 如果前述定義的一系列費(fèi)涅耳橢球面如果前述定義的一系列費(fèi)涅耳橢球面,與我們從與我們從T或或R點(diǎn)出發(fā)認(rèn)定的點(diǎn)出發(fā)認(rèn)定的某一波前面相交割某一波前面相交割,在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中在交割的界面上我們就可以得到一系列的圓和環(huán)，中心是一個(gè)圓，稱為第一個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓心是一個(gè)圓，稱為第一個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)。其外的圓環(huán)（外圓減內(nèi)圓得到的圓環(huán)）稱為第二個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費(fèi)涅耳區(qū)、第四費(fèi)涅環(huán)）稱為第二個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)，再往外的圓環(huán)稱為第三費(fèi)涅耳區(qū)、第四費(fèi)涅耳區(qū)耳區(qū). 第第N費(fèi)涅耳區(qū)。這些圓

7、和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為費(fèi)涅耳區(qū)。這些圓和環(huán)我們可以把它們近似地看成，都為在垂直于地面且垂直于在垂直于地面且垂直于T與與R間射線的平面區(qū)域圖形間射線的平面區(qū)域圖形 TRF1Pd1d2第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑 d費(fèi)涅爾半徑計(jì)算公式：費(fèi)涅爾半徑計(jì)算公式：v根據(jù)費(fèi)涅耳橢球面、費(fèi)涅耳區(qū)定義并做適當(dāng)?shù)慕撇浑y得出第一、第根據(jù)費(fèi)涅耳橢球面、費(fèi)涅耳區(qū)定義并做適當(dāng)?shù)慕撇浑y得出第一、第二二.第第N 個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)半徑表達(dá)式：個(gè)費(fèi)涅耳區(qū)半徑表達(dá)式： vF2=（2d1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 -(4)vF1=（d1d2/d）1/2 -(5)v .vFn=（nd1d2/d）1/2 =

8、(n)1/2 F1 -(6)v上式中：上式中：vF1、含義同前，單位都為含義同前，單位都為m。d1、d2、d 含義同前，單位都為含義同前，單位都為km。我們把費(fèi)涅區(qū)上的任意一點(diǎn)到我們把費(fèi)涅區(qū)上的任意一點(diǎn)到R-T連線的距離稱為費(fèi)涅耳區(qū)半徑，用連線的距離稱為費(fèi)涅耳區(qū)半徑，用F 表示。表示。當(dāng)這一點(diǎn)為第一費(fèi)涅耳區(qū)上的點(diǎn)時(shí)，此半徑稱為第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑當(dāng)這一點(diǎn)為第一費(fèi)涅耳區(qū)上的點(diǎn)時(shí)，此半徑稱為第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑 2.2 余隙 v地面反射對(duì)收信電平的影響 （在這里為了便于說(shuō)明，我們近似的都不考慮地球凸起高度；這相當(dāng)于站距很短地面起伏不大的情況。） 在實(shí)際的微波工程中，常會(huì)遇到刃形障礙物阻擋傳輸路徑的情況，這

9、時(shí)刃形障礙物不可能阻擋所有的費(fèi)涅耳區(qū)，所以在收信點(diǎn)僅有一部分費(fèi)涅耳區(qū)的能量繞過(guò)，使接收點(diǎn)多少有一定電平數(shù)。而這個(gè)數(shù)值一定低于自由空間電平。這個(gè)由于刃形障礙物的阻擋而增加的損耗我們稱之為附加損耗。當(dāng)障礙物的尖鋒正好落在收發(fā)兩端的連線上，即HC=0時(shí)，附加損耗為6dB ;當(dāng)障礙物的頂鋒超過(guò)收發(fā)兩端的連線時(shí)，附加損耗將很快增加 ;當(dāng)障礙物的頂鋒在收發(fā)兩端的連線以下時(shí)，附加損耗將在0dB上下少量變動(dòng)。這時(shí)路徑上傳輸損耗（或說(shuō)收信電平）將與自由空間數(shù)值接近。 余隙：障礙物的尖峰于微波收發(fā)兩端的連線的垂直距離 -24-26-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2042-2868-2.5-

10、2.0 -1.5 -1.0-0.5011.0 1.5 2.0 2.5附加損耗dB圖 3 刃形障礙物的阻擋損耗HC/F1通過(guò)的電磁波的場(chǎng)強(qiáng)分析，并假設(shè)段距D遠(yuǎn)遠(yuǎn)v大于兩端的天線高度（h1和h2）時(shí)，衰落因子V與相對(duì)余隙hc/F1存在以下定量關(guān)系： V=1+2+2COS（ hc/F1 ）21/2 值與地面條件有關(guān)。 234156v06dB810-20-30-40-1.0-0.500.50.5771.4141.522.5HC/F1=N1/2圖5 VdB與HC/F1D 關(guān)系曲線費(fèi)涅耳區(qū)序號(hào) v在=1時(shí)考慮地面的影響，第一次出現(xiàn)收信電平等于自由空間電平時(shí)Hc/F1=0.577。v 在1時(shí)，第一次出現(xiàn)收信

11、電平等于自由空間電平時(shí)Hc/F1=0.577。v 我們把Hc/F1=0.577時(shí)的余隙稱為自由空間余隙，用H0表示。v它的表達(dá)式為： v H0=0.577F1=（d1d2/d）1/2 考慮微波的地面反射，空氣對(duì)流層折射情況的余隙h2h1d1d2dhbhshcKddhb210785. 0地球凸起高度：其中K為大氣折射因子路徑余隙的計(jì)算公式：hh dh ddd dKhcs12211200785.余隙可得大于一階余隙可得大于一階費(fèi)涅爾半徑費(fèi)涅爾半徑相對(duì)余隙的計(jì)算公式：PHc/F12.3對(duì)流層對(duì)電波的影響v2.3.1大氣中射線的彎曲v在大氣中，由于隨高度的不同大氣將受到不同的壓力、溫度、濕度的影響，而使大氣隨高度的變化而不同；這種變化用dn/dh 來(lái)達(dá)。參看下圖 電波實(shí)際方向電波發(fā)射方向電波實(shí)際方向電波發(fā)射方向波前波前波前波前 小大小大（n圖10 受大氣折射影響的電波軌跡變化（n大）（n?。┬。╪大）2.3.2 等效地球半徑的概念v為了方便研究分析對(duì)于電波