無線電傳播方式1課件

1、第第11章章 視距傳播視距傳播 視距傳播：視距傳播：收發(fā)天線在視線距離內(nèi)，電波直接從收發(fā)天線在視線距離內(nèi)，電波直接從發(fā)射點傳到接收點的傳播方式。發(fā)射點傳到接收點的傳播方式。視距傳播可分為三類：視距傳播可分為三類： 地地地：中繼通信、廣播電視、移動通信地：中繼通信、廣播電視、移動通信地地空：地面空：地面- -飛機、地面飛機、地面- -衛(wèi)星衛(wèi)星空空空：飛機間、宇宙飛行器間空：飛機間、宇宙飛行器間地面及對流層大氣對視距傳播有一定的影響。地面及對流層大氣對視距傳播有一定的影響。11.1 11.1 地面對視距傳播的影響地面對視距傳播的影響AdH1Ar1r2H2E2E1B水平極化垂直極化, , E1E21

2、. 1. 光滑平面地條件下視距傳播場強的計算光滑平面地條件下視距傳播場強的計算假設(shè)發(fā)射天線假設(shè)發(fā)射天線A的高度為的高度為H1，直接波的傳播路徑為直接波的傳播路徑為r1，地面反射波的傳播路徑為地面反射波的傳播路徑為r2、與地面之間的投射角為與地面之間的投射角為。收、發(fā)兩點間的距離為收、發(fā)兩點間的距離為d。接收點接收點B的高度為的高度為H2。21221222212212211)(1)(dHHdHHdrdHHdHHdrAdH1Ar1r2H2E2E1B水平極化垂直極化, , E1E2222221212112()()2rrrHHdHHdH Hd r2-r1為兩條路徑之間的路程差，它可以表示為為兩條路徑之

3、間的路程差，它可以表示為(1112)AdH1Ar1r2H2E2E1B水平極化垂直極化, , E1E2根據(jù)二項式定理：根據(jù)二項式定理：) 11(8642531642314212111432xxxxxxdHHrrrdHHdrdHHdr2112212221212211211得：得：（取前（取前2項）項）接收點接收點B場強應(yīng)為直接波與地面反射波的疊加。場強應(yīng)為直接波與地面反射波的疊加。21()121(1)jk rrEEEEe(1111) 為地面的反射系數(shù)，它與電波的投射角為地面的反射系數(shù)，它與電波的投射角、電、電波的極化和波長以及地面的電參數(shù)有關(guān)。波的極化和波長以及地面的電參數(shù)有關(guān)。一般可表示為一般可

4、表示為 設(shè)沿設(shè)沿r1路徑在接收點路徑在接收點B處產(chǎn)生的場強振幅為處產(chǎn)生的場強振幅為E1，沿沿r2路徑在接收點路徑在接收點B處產(chǎn)生的場強振幅為處產(chǎn)生的場強振幅為E2，則則B處的總場強為處的總場強為je22sin(60)cossin(60)cosrrjj (1113a) 對于水平極化波對于水平極化波對于垂直極化波對于垂直極化波22(60)sin(60)cos(60)sin(60)cosrrVrrjjjj (1113b) 對于水平極化波來講，對于水平極化波來講，實際地面的反射比較接實際地面的反射比較接近于理想導(dǎo)電地，特別是在波長較長或投射角較小近于理想導(dǎo)電地，特別是在波長較長或投射角較小的區(qū)域近似程

5、度更高。因此在估計地面反射的影響的區(qū)域近似程度更高。因此在估計地面反射的影響時，時，可粗略地將實際地面等效為理想導(dǎo)電地?？纱致缘貙嶋H地面等效為理想導(dǎo)電地。 對于垂直極化波情況就比較復(fù)雜。垂直極化對于垂直極化波情況就比較復(fù)雜。垂直極化波反射系數(shù)的模存在著一個最小值，對應(yīng)此值的波反射系數(shù)的模存在著一個最小值，對應(yīng)此值的投射角稱為布魯斯特角（投射角稱為布魯斯特角（Brewster），記作），記作B；在在B兩側(cè)，反射系數(shù)的相角兩側(cè)，反射系數(shù)的相角180突變。突變。盡管垂直盡管垂直極化波的反射系數(shù)隨投射角的變化起伏較大，但極化波的反射系數(shù)隨投射角的變化起伏較大，但在很低投射角時，仍然可以將其視為在很低

6、投射角時，仍然可以將其視為-1。0102030405060708090 / ()0102030405060708090 / ()00.20.40.60.81H3.0H1.0H0.3H0.1V0.1V0.3V1.0V3.0|V3.0V1.0V0.3V0.1H0.3H3.0020406080100120140160180200 / ()(a)(b)海水的反射系數(shù)海水的反射系數(shù)海水和陸地的反射系數(shù)海水和陸地的反射系數(shù)（圖中（圖中V代表垂直極化，代表垂直極化，H代表水平極化）。代表水平極化）。GHzGHz干土的反射系數(shù)干土的反射系數(shù)H3.0V3.0001020304050607080902040608

7、0100120140160180200 / ()(b)0102030405060708090 / ()(a) / ()| |00.20.40.60.81H3.0V3.0 水平極化波反射系數(shù)的模在低投射角約為水平極化波反射系數(shù)的模在低投射角約為1，相角幾乎可以被看作相角幾乎可以被看作180常量。常量。 當(dāng)當(dāng)很小時，將很小時，將dHHr212代入下式代入下式21()121(1)jk rrEEEEe合成場可以做如下簡化：合成場可以做如下簡化： dHHErkEeEEEErrjk21111212sin22sin2112 (1114) 因此，波的干涉與天線的架高、電波波長及因此，波的干涉與天線的架高、電波

8、波長及傳播距離有關(guān)。傳播距離有關(guān)。垂直極化波在海平面的干涉效應(yīng)（垂直極化波在海平面的干涉效應(yīng)（r=80，=4=4）100080060040020000.20.40.60.811.21.41.61.8| E / E1 |0.40.60.811.21.41.61.8| E / E1 |200.511.522.53d / 104 m(a)H2 / m(b)（a）f=0.1GHz，H1=50m，H2=100m（b）f=0.1GHz，H1=50m，d=7000m 下圖是以圖是以|E/E1|為縱坐標(biāo)計算得到的垂直極化波為縱坐標(biāo)計算得到的垂直極化波在海平面上的干涉效應(yīng)。在海平面上的干涉效應(yīng)。則得到則得到 維

9、建斯基反射公式：維建斯基反射公式：1222.18(/)( )( )()( )()rE mV mH m HmP kW Dm dkm (1115) dDPEdHHdHHdHHr60,22sin,921212121時時當(dāng)當(dāng)122222 100 100170.0550000H Hk rd 解解 地面反射波與直接波之間的相位差為地面反射波與直接波之間的相位差為【例】【例】 某通信線路，工作波長某通信線路，工作波長=0.05m，通信距離，通信距離d50km,發(fā)射天線架高發(fā)射天線架高H1=100m。若選接收天線架。若選接收天線架高高H2=100m，在地面可視為光滑平面地的條件下，在地面可視為光滑平面地的條件

10、下，接收點的接收點的E/E1=？今欲使接收點場強為最大值，調(diào)整？今欲使接收點場強為最大值，調(diào)整后的接收天線高度是多少（應(yīng)使調(diào)整范圍最?。?？后的接收天線高度是多少（應(yīng)使調(diào)整范圍最?。?？ 所以接收點處的所以接收點處的E/E1=0，此時接收點無信號。，此時接收點無信號。若欲使接收點場強為最大值，可以調(diào)整接收天線高若欲使接收點場強為最大值，可以調(diào)整接收天線高度，使得接收點處地面反射波與直接波同相疊加，度，使得接收點處地面反射波與直接波同相疊加，接收天線高度最小的調(diào)整應(yīng)使得接收天線高度最小的調(diào)整應(yīng)使得= 16。1222222 100160.0550000H Hk rdH 若令若令可以解出可以解出H2=9

11、3.75m，接收天線高度可以降低，接收天線高度可以降低6.25m。 y01dxAH1H2BCA地面上的有效反射區(qū)地面上的有效反射區(qū) 2. 地面上的有效反射區(qū)地面上的有效反射區(qū) 反射波的主要空間通道是以反射波的主要空間通道是以A和和B為焦點的第為焦點的第一菲涅爾橢球體，而這個橢球體與地平面相交的區(qū)一菲涅爾橢球體，而這個橢球體與地平面相交的區(qū)域為一個橢圓，該區(qū)域內(nèi)對反射波具有重要意義。域為一個橢圓，該區(qū)域內(nèi)對反射波具有重要意義。這個橢圓也被稱為地面上的這個橢圓也被稱為地面上的有效反射區(qū)有效反射區(qū)。011120121202()2()xddH HHydHH (1116) 該橢圓的長軸在該橢圓的長軸在y

12、方向，短軸在方向，短軸在x方向。方向。 (1117a) 長半軸：長半軸：短半軸：短半軸： 12212() badHHd(1117b) 221212142HHdHHdddb 根據(jù)第一菲涅爾橢球的尺寸，可以計算出該橢根據(jù)第一菲涅爾橢球的尺寸，可以計算出該橢圓（有效反射區(qū)）的中心位置圓（有效反射區(qū)）的中心位置C的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為baC1hcc不平坦地面的反射不平坦地面的反射 3.光滑地面的判別準(zhǔn)則光滑地面的判別準(zhǔn)則 實際地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想實際地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想情況。情況。電波在上、下兩邊界處反射時的波程差為電波在上、下兩邊界處反射時的波程差為sin2hr(1118)

13、 由此引起的附加相位差為由此引起的附加相位差為sin2hkrk 為了能近似地將反射波仍然視為平面波，即仍為了能近似地將反射波仍然視為平面波，即仍2有足夠強的定向反射，要求有足夠強的定向反射，要求 ，相應(yīng)地要求相應(yīng)地要求瑞利準(zhǔn)則瑞利準(zhǔn)則8sinh (1119)瑞利準(zhǔn)則即為判別地面光滑與否的依據(jù)。瑞利準(zhǔn)則即為判別地面光滑與否的依據(jù)。 當(dāng)滿足這個判別條件時，地面可被視為光滑；當(dāng)滿足這個判別條件時，地面可被視為光滑； 當(dāng)不滿足這個判別條件時，地面被視為粗糙，當(dāng)不滿足這個判別條件時，地面被視為粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈擴散性。反射具有漫散射特性，反射能量呈擴散性。 表表1111 h的實際計算數(shù)

14、據(jù)的實際計算數(shù)據(jù) 波長越短，投射角越大，越難視為光滑地面，波長越短，投射角越大，越難視為光滑地面，地面起伏高度的影響也就越大。地面起伏高度的影響也就越大。603011.1.2 光滑球面地情況光滑球面地情況 地球是球面體，在大多數(shù)情況下應(yīng)該考慮到地地球是球面體，在大多數(shù)情況下應(yīng)該考慮到地球的曲率。首先受到影響的就是視線距離。球的曲率。首先受到影響的就是視線距離。 如圖如圖1117 所示，在給定的發(fā)射天線和接所示，在給定的發(fā)射天線和接收天線高度收天線高度H1、H2的情況下，由于地球表面的彎的情況下，由于地球表面的彎曲，當(dāng)收發(fā)兩點曲，當(dāng)收發(fā)兩點B、A之間的直視線與地球表面相之間的直視線與地球表面相切

15、時，存在著一個極限距離。當(dāng)切時，存在著一個極限距離。當(dāng)H1、H2遠(yuǎn)小于地遠(yuǎn)小于地球半徑球半徑R時，時，d0也就為也就為B、A之間的距離之間的距離r0。AH1r10r0r20RRRH2BCBAOd01.視線距離視線距離視線所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離視線所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離 在通信工程中常常把由在通信工程中常常把由H1、H2限定的極限地面限定的極限地面 0dBA距離距離 稱為視線距離。稱為視線距離。 2221011122220222()2()2rRHRRHHrRHRRHH(11110) (11111)由于常滿足由于常滿足RH1，RH2，因此視線距離可寫為，因此視線距離可寫為01020122 ()rrrRHH

16、 (11112) 根據(jù)圖根據(jù)圖1117所示的幾何關(guān)系，若所示的幾何關(guān)系，若C點為點為AB與地球的切點，則有與地球的切點，則有v 將地球半徑R=6370km代入上式并且H1、H2均以米為單位時，0123.57( )( )rH mHm km(11113)在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射時，視線距離將增加到0124.12( )( )rH mHm km (11114) 在收、發(fā)天線架高一定的條件下，實際通信距在收、發(fā)天線架高一定的條件下，實際通信距離離d與與r0相比，有如下三種情況：相比，有如下三種情況：(1) d0.7r0，接收點處于亮區(qū)；，接收點處于亮區(qū)；(2) d1.2r0，接收點處于陰影區(qū)；，接收點處于陰影區(qū)；

17、(3) 0.7r0d1.2r0，接收點處于半陰影區(qū)。，接收點處于半陰影區(qū)。 在實際的視距傳播工程應(yīng)滿足亮區(qū)條件，否則在實際的視距傳播工程應(yīng)滿足亮區(qū)條件，否則地面繞射損失將會加大電波傳播的總損耗。地面繞射損失將會加大電波傳播的總損耗。天線的等效高度天線的等效高度 RRRd2d1r10r20H1H1H2H2BA1H2HOC2.天線的等效高度天線的等效高度 過反射點過反射點C作地球的切面，把球面的幾何關(guān)系作地球的切面，把球面的幾何關(guān)系換成平面地，此時由換成平面地，此時由A、B 向切平面作垂線所得的向切平面作垂線所得的H1 、H2就稱為天線的就稱為天線的等效高度等效高度或折合高度?；蛘酆细叨取?112

18、2222dHRdHR (11115) (11116) 假定反射點假定反射點C的位置已經(jīng)確定，沿地面距離的位置已經(jīng)確定，沿地面距離d=d1+d2r10+r20，r10、r20就是天線架高為就是天線架高為H1、H2時的極限距離。時的極限距離。AH1r10r0r20RRRH2BCBAOd021111122222222dHhHHRdHhHHR (11117) (11118)因此，天線的等效高度為因此，天線的等效高度為 在視距傳播的有關(guān)計算公式中，若將天線的實在視距傳播的有關(guān)計算公式中，若將天線的實際高度置換成等效高度，就是對球面地條件下的修際高度置換成等效高度，就是對球面地條件下的修正之一。正之一。球

19、面地的擴散球面地的擴散 3. 球面地的擴散因子球面地的擴散因子 由于球面地的反射有擴散作用，因而球面地的由于球面地的反射有擴散作用，因而球面地的反射系數(shù)要小于相同地質(zhì)的平面地的反射系數(shù)。反射系數(shù)要小于相同地質(zhì)的平面地的反射系數(shù)。擴散因子就是描述擴散程度的一個物理量。擴散因子就是描述擴散程度的一個物理量。 定義球面地的擴散因子定義球面地的擴散因子fD平面地反射時的場強球面地反射時的場強fD 如果平面地反射時的場強為如果平面地反射時的場強為Er，球面地反射時，球面地反射時的場強為的場強為Edr，入射波場強為，入射波場強為Ei， 為平面地反射為平面地反射系數(shù)的模值，則系數(shù)的模值，則1drdrfriE

20、EDEE (11119) 22122212112211fDd dd dRdHRdH(11120) 在引進(jìn)擴散因子之后，如將視距傳播的有關(guān)在引進(jìn)擴散因子之后，如將視距傳播的有關(guān)計算公式中的反射系數(shù)計算公式中的反射系數(shù)替換成替換成Df就完成了球面就完成了球面地條件下的另一個修正。地條件下的另一個修正。 擴散因子的具體表示式為擴散因子的具體表示式為11.2 對流層大氣對視距傳播的影響對流層大氣對視距傳播的影響 在前述的分析中，盡管討論了由平面地到球面在前述的分析中，盡管討論了由平面地到球面地的修正，但是都假定電波按直線傳播，這種情況地的修正，但是都假定電波按直線傳播，這種情況只有在均勻大氣中才可能存

21、在。實際的對流層大氣、只有在均勻大氣中才可能存在。實際的對流層大氣、壓力、溫度及濕度都隨地區(qū)及離開地面的高度而變壓力、溫度及濕度都隨地區(qū)及離開地面的高度而變化，因此是不均勻的，會使電波產(chǎn)生折射、散射及化，因此是不均勻的，會使電波產(chǎn)生折射、散射及吸收等物理現(xiàn)象。吸收等物理現(xiàn)象。11.2.1 電波在對流層中的折射電波在對流層中的折射1.大氣的折射率大氣的折射率實驗證實大氣折射率實驗證實大氣折射率n近似滿足下面的關(guān)系式：近似滿足下面的關(guān)系式：56277.63.73 10(1) 10nPeTT (1121) P為大氣壓強（毫巴，即為大氣壓強（毫巴，即mb；1mb=100Pa）；）；T為大氣的絕對溫度（

22、為大氣的絕對溫度（K）；）；e為大氣的水汽壓強（為大氣的水汽壓強（mb）。）。 表表1121 折射指數(shù)數(shù)據(jù)折射指數(shù)數(shù)據(jù) (年平均值年平均值)2.大氣折射及類型大氣折射及類型 由于對流層的折射率隨高度而變，因此電波在由于對流層的折射率隨高度而變，因此電波在對流層中傳輸時會發(fā)生不斷的折射，從而導(dǎo)致軌跡對流層中傳輸時會發(fā)生不斷的折射，從而導(dǎo)致軌跡彎曲，這種現(xiàn)象稱為大氣折射。彎曲，這種現(xiàn)象稱為大氣折射。BCAdh ddnsin=(n+dn)sin(+d)(1123) 當(dāng)電波由折射率為當(dāng)電波由折射率為 n 的一層傳播到的一層傳播到n+dn的一層的一層時，電波發(fā)生了折射，沿曲線時，電波發(fā)生了折射，沿曲線A

23、C傳播。傳播。 假設(shè)電波在點假設(shè)電波在點A的入射角為的入射角為,折射角為折射角為+d,則按照折射定律：則按照折射定律：將方程的右邊展開并略去二階無窮小量并整理后得將方程的右邊展開并略去二階無窮小量并整理后得 cossindndn (1124) 由圖所示的幾何關(guān)系，射線的曲率半徑由圖所示的幾何關(guān)系，射線的曲率半徑應(yīng)為應(yīng)為ACd(1125) 在在ABC中中 cos()dhACd(1126) 由于由于d很小，很小，cos(+d)cos，并將式，并將式（1124）代入上式得）代入上式得sinndndh(1127) 考慮到考慮到n1,并且對大多數(shù)情況而言，并且對大多數(shù)情況而言，90，因此因此射線的曲率半

24、徑射線的曲率半徑1/dn dh (1128) 大氣折射分為三類：大氣折射分為三類： (1)零折射零折射0dhdn電波射線為直線電波射線為直線 (2)負(fù)折射負(fù)折射0dhdn電波射線上翹電波射線上翹 (3)正折射正折射0dhdn電波射線向下彎曲電波射線向下彎曲 dn/dh=-410-81/m，射線的曲率半徑，射線的曲率半徑=2.5107mdn/dh=-15.710-81/m，電波射線與地球同步彎曲電波射線與地球同步彎曲 dn/dh-15.710-81/m， 標(biāo)準(zhǔn)大氣折射標(biāo)準(zhǔn)大氣折射臨界折射臨界折射超折射超折射折射類型折射類型 正折射標(biāo)準(zhǔn)折射臨界折射超折射零折射負(fù)折射3. 等效地球半徑等效地球半徑

25、電波在大氣層內(nèi)傳播軌跡是彎曲的，但習(xí)慣電波在大氣層內(nèi)傳播軌跡是彎曲的，但習(xí)慣上仍把電波射線當(dāng)作沿直線傳播，因此引入等效上仍把電波射線當(dāng)作沿直線傳播，因此引入等效地球半徑因子來修正。地球半徑因子來修正。等效地球半徑等效地球半徑Re ： 保持電波射線軌跡與地球表面之間的相對曲率保持電波射線軌跡與地球表面之間的相對曲率不變，使地球半徑改變到電波射線為直線時的地球不變，使地球半徑改變到電波射線為直線時的地球半徑。半徑。 圖圖1123 等效地球半徑等效地球半徑(a)實際地球上的電波射線；實際地球上的電波射線；(b)等效地球上的電波射線等效地球上的電波射線 (a)(b)RRee地球半徑地球半徑電波射線電波

26、射線曲率半徑曲率半徑等效地球半徑等效地球半徑等效電波射線等效電波射線曲率半徑曲率半徑1111eRR(1129) 式中，式中，Re為等效地球半徑。由此，為等效地球半徑。由此，1eRRR(11210) 由圖由圖1123的幾何關(guān)系，得的幾何關(guān)系，得 將式（將式（1128）半徑代入上式，則低仰角情）半徑代入上式，則低仰角情況下的等效地球半徑為況下的等效地球半徑為 1eRRdnRdh(11211) 定義等效地球半徑因子定義等效地球半徑因子K為為 11eRKdnRRdh(11212) 等效地球半徑等效地球半徑Re與實際地球半徑與實際地球半徑R之比。之比。11.2.2 大氣衰減大氣衰減 （1）云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收以及水）云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收以及水分子、氧分子對電波的諧振吸收；分子、氧分子對電波的諧振吸收；大氣是一種成分不均勻的半導(dǎo)電媒質(zhì)。大氣是一種成分不均勻的半導(dǎo)電媒質(zhì)。 大氣對電波的衰減有兩方面：大氣對電波的衰減有兩方面： （2）云、霧、雨等小水滴對電波的散射，導(dǎo)致對）云、霧、雨等小水滴對電波的散射，導(dǎo)致對原方向傳播的電波衰減。原方向傳播的電波衰減。氧