電磁波的傳播特性ppt

1、第第2部分、電磁波的傳播特性部分、電磁波的傳播特性一一電磁場與電磁波電磁場與電磁波二二電磁波的傳輸特性電磁波的傳輸特性三三傳輸損耗傳輸損耗四四衰落衰落五五多普勒頻移多普勒頻移六六無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)七七噪聲與干擾噪聲與干擾主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、電磁場和電磁波一、電磁場和電磁波電磁場理論電磁場理論1864年：麥克斯韋（英）發(fā)表了電磁場理論，并預(yù)言電磁波的存在。年：麥克斯韋（英）發(fā)表了電磁場理論，并預(yù)言電磁波的存在。1887年：德國人赫茲設(shè)計出了世界上第一副無線電天線，并通過實驗證實年：德國人赫茲設(shè)計出了世界上第一副無線電天線，并通過實驗證實 了了1864年麥克斯韋關(guān)于存在電磁波的預(yù)言。年麥克斯

2、韋關(guān)于存在電磁波的預(yù)言。這一理論的研究和應(yīng)用使人類通信發(fā)生了革命性的突破，無線通信的應(yīng)用這一理論的研究和應(yīng)用使人類通信發(fā)生了革命性的突破，無線通信的應(yīng)用徹底改變了人類的通信方式，其中最重要的兩點：徹底改變了人類的通信方式，其中最重要的兩點：l 移動通信：擺脫了線路的束縛，真正實現(xiàn)了無處不在的通信。移動通信：擺脫了線路的束縛，真正實現(xiàn)了無處不在的通信。l 太空通信：為人類實現(xiàn)太空探索提供了通信手段。太空通信：為人類實現(xiàn)太空探索提供了通信手段。無線通信技術(shù)實際上就是研究電磁波傳輸?shù)募夹g(shù)，而無線通信技術(shù)又是移無線通信技術(shù)實際上就是研究電磁波傳輸?shù)募夹g(shù)，而無線通信技術(shù)又是移動通信技術(shù)的技術(shù)基石，作為一

3、個從事移動通信專業(yè)的技術(shù)人員必須對電動通信技術(shù)的技術(shù)基石，作為一個從事移動通信專業(yè)的技術(shù)人員必須對電磁場和電磁波技術(shù)的基本概念有所了解。電磁場和電磁波的研究是一項非磁場和電磁波技術(shù)的基本概念有所了解。電磁場和電磁波的研究是一項非常復(fù)雜的技術(shù)，這里僅僅介紹一些非常簡化的電磁波的最基本的概念。常復(fù)雜的技術(shù)，這里僅僅介紹一些非常簡化的電磁波的最基本的概念。一、電磁場和電磁波一、電磁場和電磁波電磁場的性質(zhì)、特征及其運動變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。在麥克斯韋電磁場的性質(zhì)、特征及其運動變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。在麥克斯韋方程組中，電場和磁場已經(jīng)成為一個不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整方程組中，電場

4、和磁場已經(jīng)成為一個不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。地概括了電磁場的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。l第一個方程表示靜電場是有源的。第一個方程表示靜電場是有源的。l第二個方程表示磁場是無源的。第二個方程表示磁場是無源的。l第三個方程表示變化的磁場可以產(chǎn)生感應(yīng)電場。第三個方程表示變化的磁場可以產(chǎn)生感應(yīng)電場。l第四個方程表示變化的電場可以產(chǎn)生磁場。第四個方程表示變化的電場可以產(chǎn)生磁場。一、電磁場和電磁波一、電磁場和電磁波電磁波電磁波l從科學(xué)的角度來說，電磁輻射是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，從科學(xué)的角度來說，電磁輻射是能量的一種，凡是能夠釋出能

5、量的物體，都會釋出電磁輻射。正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，都會釋出電磁輻射。正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波，電磁波就是這樣一位人類素未謀面的人們也看不見無處不在的電磁波，電磁波就是這樣一位人類素未謀面的“朋友朋友”。l電磁波在傳播中攜帶有能量，可以作為信息的載體，這就為無線電通信、電磁波在傳播中攜帶有能量，可以作為信息的載體，這就為無線電通信、廣播、電視、遙感等技術(shù)開闊了道路。廣播、電視、遙感等技術(shù)開闊了道路。l電磁波不需要依靠介質(zhì)傳送（這一點非常重要?。?，各種電磁波在真空電磁波不需要依靠介質(zhì)傳送（這一點非常重要！），各種電磁波在

6、真空中的傳輸速度是固定的，速度為光速。中的傳輸速度是固定的，速度為光速。l光波本身就是電磁波，無線電波也具有和光波同樣的特性，比如當(dāng)它通光波本身就是電磁波，無線電波也具有和光波同樣的特性，比如當(dāng)它通過不同介質(zhì)時，也會發(fā)生折射、反射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象。過不同介質(zhì)時，也會發(fā)生折射、反射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象。l電磁波為橫波，電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。電磁波為橫波，電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。一、電磁波和電磁波一、電磁波和電磁波頻段名稱頻段名稱頻率范圍頻率范圍波段名稱波段名稱波長范圍波長范圍極低頻（極低頻（ELF）3 30Hz極長波極長波108 107 m（

7、100 10Mm）超低頻（超低頻（SLF）30 300Hz超長波超長波107 106 m（10 1Mm）特低頻（特低頻（ULF）300 3000Hz特長波特長波106 105 m（1000 100Km）甚低頻（甚低頻（VLF）3 30KHz甚長波甚長波105 104 m（100 10Km）低頻（低頻（LF）30 300KHz長波長波104 103 m（10 1Km）中頻（中頻（MF）300 3000KHz中波中波103 102 m（1000 100m）高頻（高頻（HF）3 30MHz短波短波102 10 m（100 10m）甚高頻（甚高頻（VHF）30 300MHz超短波（米波）超短波（米波）

8、10 1 m特高頻（特高頻（UHF）300 3000MHz微微波波分米波分米波1 0.1 m超高頻（超高頻（SHF）3 30GHz厘米波厘米波10 1 cm極高頻（極高頻（EHF）30 300GHz毫米波毫米波10 1 mm至高頻（至高頻（THF）300 3000GHz亞毫米波亞毫米波1 0.1 mm100 10000THz光波光波310-3 310-5 mm如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是工頻電磁波、無線電如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是工頻電磁波、無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及射線及射線。射線。二、電磁波的

9、傳播特性二、電磁波的傳播特性無線通信中經(jīng)常會提到無線通信中經(jīng)常會提到“射頻射頻”，射頻就是射頻電流，簡稱，射頻就是射頻電流，簡稱RF，它是一種，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。高頻交流變化電磁波的簡稱。在電磁波頻率低于在電磁波頻率低于100KHz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸。時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸。但電磁波頻率高于但電磁波頻率高于100KHz時，電磁波可以在空氣中傳播，形成遠距離傳輸時，電磁波可以在空氣中傳播，形成遠距離傳輸能力，無線通信就是采用射頻傳輸方式的。能力，無線通信就是采用射頻傳輸方式的。我們有時也把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻信號。我們

10、有時也把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻信號。電磁波的傳播主要有以下特性，這些特性與無線通信密切相關(guān)。電磁波的傳播主要有以下特性，這些特性與無線通信密切相關(guān)。l 趨膚效應(yīng)趨膚效應(yīng)l 自由空間損耗自由空間損耗l 吸收吸收l 反射反射二、電磁波的傳播特性二、電磁波的傳播特性趨膚效應(yīng)趨膚效應(yīng)射頻信號不是存在于導(dǎo)體中就是以波的形式存在于自由空間中。當(dāng)射頻信號射頻信號不是存在于導(dǎo)體中就是以波的形式存在于自由空間中。當(dāng)射頻信號存在于導(dǎo)體中時，它只是存在于導(dǎo)體的表面。如果將射頻信號放在一個球形存在于導(dǎo)體中時，它只是存在于導(dǎo)體的表面。如果將射頻信號放在一個球形的實心導(dǎo)體上，那么它只出現(xiàn)在該導(dǎo)體的表面，不

11、會進入里面，如果可以將的實心導(dǎo)體上，那么它只出現(xiàn)在該導(dǎo)體的表面，不會進入里面，如果可以將一個檢測器放在球里面，它將檢測不到射頻信號的存在。射頻信號所呈現(xiàn)的一個檢測器放在球里面，它將檢測不到射頻信號的存在。射頻信號所呈現(xiàn)的這種行為稱為這種行為稱為“趨膚效應(yīng)趨膚效應(yīng)”。二、電磁波的傳播特性二、電磁波的傳播特性自由空間損耗自由空間損耗 一旦射頻信號逃離導(dǎo)體邊界飛翔在自由空間中形成電磁波，它們將經(jīng)受所謂的自由空間損耗。電磁波的損耗與我們學(xué)習(xí)過的電路損耗是不同的，從“路”的概念發(fā)展到“場”的概念。 以光為例子來進行分析，打開一個手電筒的電源開關(guān)后，光從手電筒射出后開始發(fā)散。如果將食指和拇指搭成一個圓圈放

12、在手電筒跟前，幾乎所有的光線都可以從圓圈中通過。但當(dāng)這個圓圈離開手電筒一定距離之后，部分光線就不會從圓圈中通過了，實質(zhì)上，所有的光仍然在那里，只不過發(fā)散的范圍更大了。把這個圓圈想像成一個接收機，離得越遠，所接收的光（信號）就越少。所以對于接收機來說，類似于要接收從手電筒（發(fā)射機）發(fā)射出的光。距離遠的接收機接收的信號功率僅僅是發(fā)射機輻射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向擴散了，這就是自由空間損耗的概念。二、電磁波的傳播特性二、電磁波的傳播特性吸收吸收除了自由空間損耗以外，射頻信號在空間傳播所遇到的任何東西都會使射頻除了自由空間損耗以外，射頻信號在空間傳播所遇到的任何東西都會使射頻信號發(fā)生一定

13、形式的變化。這些變化歸為兩種：變得更?。ㄎ眨┗蛘吒淖冃盘柊l(fā)生一定形式的變化。這些變化歸為兩種：變得更?。ㄎ眨┗蛘吒淖儌鞑シ较颍ǚ瓷洌鞑シ较颍ǚ瓷洌?。射頻所遇到的很多物體都會使射頻信號變得更小，包括空氣、雨雪、玻璃、射頻所遇到的很多物體都會使射頻信號變得更小，包括空氣、雨雪、玻璃、墻、木頭甚植物。我們可以把這些物體看成具有一定插入損耗的某種類型的墻、木頭甚植物。我們可以把這些物體看成具有一定插入損耗的某種類型的無源器件，這些物體所表現(xiàn)出來的插入損耗稱為吸收，因為它們吸收了射頻無源器件，這些物體所表現(xiàn)出來的插入損耗稱為吸收，因為它們吸收了射頻信號。信號。射頻信號穿過物體損失的能量到哪里去了

14、？它們被物體吸收并變成熱量了！射頻信號穿過物體損失的能量到哪里去了？它們被物體吸收并變成熱量了！物體會變暖，當(dāng)然它的溫度變化很小，我們很難測量得到。物體會變暖，當(dāng)然它的溫度變化很小，我們很難測量得到。我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫奈⒉t恰恰是利用了射頻信號的吸收來工作的。我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫奈⒉t恰恰是利用了射頻信號的吸收來工作的。二、電磁波的傳播特性二、電磁波的傳播特性反射反射不是所有東西遇到電磁波后都要吸收射頻能量。不是所有東西遇到電磁波后都要吸收射頻能量。有的東西遇到射頻后會改變射頻信號的方向，這種方向的改變叫做反射。般，有的東西遇到射頻后會改變射頻信號的方向，這種方向的改變叫做反射。般，射頻信號會以

15、遇到物體時相反的角度反射回去，就像光在鏡子表面的反射一射頻信號會以遇到物體時相反的角度反射回去，就像光在鏡子表面的反射一樣。樣。反射與兩個因素有關(guān)：射頻頻率和物體的材料。有些材料只是以一定程度反反射與兩個因素有關(guān)：射頻頻率和物體的材料。有些材料只是以一定程度反射射頻信號（還有一部分被吸收），如混凝土，而有些材料會發(fā)生完全反射，射射頻信號（還有一部分被吸收），如混凝土，而有些材料會發(fā)生完全反射，如金屬導(dǎo)體。如金屬導(dǎo)體。三、傳輸損耗三、傳輸損耗移動通信系統(tǒng)的無線傳播主要是利用了電磁波的直達波和反射波。移動通信系統(tǒng)的無線傳播主要是利用了電磁波的直達波和反射波。在設(shè)計移動通信系統(tǒng)或?qū)σ苿油ㄐ畔到y(tǒng)的覆蓋

16、進行分析時，研究電磁波的傳在設(shè)計移動通信系統(tǒng)或?qū)σ苿油ㄐ畔到y(tǒng)的覆蓋進行分析時，研究電磁波的傳播是非常重要的，這主要有以下兩個原因：播是非常重要的，這主要有以下兩個原因：l第一，用于計算不同覆蓋小區(qū)的信號強度。在大多數(shù)情況下，每個覆蓋區(qū)第一，用于計算不同覆蓋小區(qū)的信號強度。在大多數(shù)情況下，每個覆蓋區(qū)域從幾百米到幾公里，覆蓋信號包括直達波和反射波。域從幾百米到幾公里，覆蓋信號包括直達波和反射波。l第二，用于計算相同和相鄰信道之間的干擾。移動通信系統(tǒng)由于采用頻率第二，用于計算相同和相鄰信道之間的干擾。移動通信系統(tǒng)由于采用頻率復(fù)用技術(shù)，同頻和鄰頻干擾是必須解決的問題。復(fù)用技術(shù)，同頻和鄰頻干擾是必須解決

17、的問題。三、傳輸損耗三、傳輸損耗傳播損耗傳播損耗在研究電磁波傳播時，收信機接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路在研究電磁波傳播時，收信機接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號會減小，這種信號強度的減小稱為傳播損耗。徑和地形干擾，傳播信號會減小，這種信號強度的減小稱為傳播損耗。研究傳播損耗，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性、無吸收、電導(dǎo)研究傳播損耗，首先要研究兩個天線在自由空間（各向同性、無吸收、電導(dǎo)率為零）的均勻介質(zhì)條件下的特性。以理想全向天線為例，自由空間的傳播率為零）的均勻介質(zhì)條件下的特性。以理想全向天線為例，自由空間的傳播損耗為：損耗為：上式表明，自由空

18、間損耗與距離上式表明，自由空間損耗與距離d的平方成正比，當(dāng)?shù)钠椒匠烧龋?dāng)d增加增加1倍時，自由空間倍時，自由空間路徑損耗增加路徑損耗增加6dB（4倍）。同時，與頻率倍）。同時，與頻率f的平方成正比。的平方成正比。)lg(20)lg(204.32KmMHzPdfL三、傳輸損耗三、傳輸損耗mHzmm20logd20logf147.520logd20log22Lp(dB)四、衰落四、衰落四、衰落四、衰落慢衰落慢衰落大量研究結(jié)果表明，移動臺接收的信號場強中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢大量研究結(jié)果表明，移動臺接收的信號場強中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這種變化稱為慢衰落。它主要是由陰影效應(yīng)引起的，

19、所以也稱作陰的變化，這種變化稱為慢衰落。它主要是由陰影效應(yīng)引起的，所以也稱作陰影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋影衰落。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋就會產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影就會產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時，接收場強中值就會變化，變化的大小取決于障礙物狀況和工作頻率，變時，接收場強中值就會變化，變化的大小取決于障礙物狀況和工作頻率，變化速率不僅和障礙物有關(guān)，而且與移動臺的速度有關(guān)?；俾什粌H和障礙物有關(guān)，而且與移動臺的速度有關(guān)。四、衰落四、衰落快衰落快衰落

20、在一個典型的無線移動通信環(huán)境中，由于接收機與發(fā)射機之間的直達路在一個典型的無線移動通信環(huán)境中，由于接收機與發(fā)射機之間的直達路徑很可能被建筑物或其它物體所阻礙，所以在無線基站與移動臺之間的通信徑很可能被建筑物或其它物體所阻礙，所以在無線基站與移動臺之間的通信不都是通過直達路徑而是還通過許多其它路徑完成的。在微波頻段，從發(fā)射不都是通過直達路徑而是還通過許多其它路徑完成的。在微波頻段，從發(fā)射機到接收機的電磁波的主要傳播模式是散射。機到接收機的電磁波的主要傳播模式是散射。 到達接收機的所有信號分量合成產(chǎn)生一個合成波，它的信號的強度根到達接收機的所有信號分量合成產(chǎn)生一個合成波，它的信號的強度根據(jù)各分量的

21、相對變化而增加或減小。合成場強在移動幾個車身長的距離中可據(jù)各分量的相對變化而增加或減小。合成場強在移動幾個車身長的距離中可能會有能會有20 30dB（1001000倍）的衰落，其最大值和最小值發(fā)生的位置倍）的衰落，其最大值和最小值發(fā)生的位置大約相差大約相差1/4波長。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，合成波波長。大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，合成波的幅度和相位隨移動臺的運動產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多的幅度和相位隨移動臺的運動產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落，多徑衰落在性質(zhì)上屬于一種快速變化。徑衰落或快衰落，多徑衰落在性質(zhì)上屬于一種快速變化

22、。四、衰落四、衰落五、多普勒頻移五、多普勒頻移快速運動的移動臺還會發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象，這是因為如果移動臺在高速運快速運動的移動臺還會發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象，這是因為如果移動臺在高速運動時接收和發(fā)送信號，將導(dǎo)致信號頻率發(fā)生偏移而影響通信，多普勒頻移符動時接收和發(fā)送信號，將導(dǎo)致信號頻率發(fā)生偏移而影響通信，多普勒頻移符合下面的公式：合下面的公式：fI為合成后的頻率，為合成后的頻率，fO為工作頻率，為工作頻率，fD為最大多普勒頻移，為最大多普勒頻移，I為多徑信號合成為多徑信號合成的傳播方向與移動臺行進方向的夾角，的傳播方向與移動臺行進方向的夾角，v為移動臺的運動速度，為移動臺的運動速度，為波長。為波長。當(dāng)

23、移動臺快速遠離基站時，當(dāng)移動臺快速遠離基站時，fI = fO - fD；當(dāng)移動臺快速靠近基站時，；當(dāng)移動臺快速靠近基站時，fI = fO + fD。當(dāng)運動速度很快時，多普勒頻移的影響必須考慮，而且工作頻率越高多。當(dāng)運動速度很快時，多普勒頻移的影響必須考慮，而且工作頻率越高多普勒頻移越大。普勒頻移越大。IIDOIvffffcos/cos0六、無線通信系統(tǒng)六、無線通信系統(tǒng)無線通信是以電磁波為信息載體的通信技術(shù)，即無線通信是以電磁波為信息載體的通信技術(shù)，即利用電磁波的輻射和傳播特利用電磁波的輻射和傳播特性經(jīng)過空間進行信息傳送的通信方式為無線通信（性經(jīng)過空間進行信息傳送的通信方式為無線通信（Radio Communication）。）。利用無線通信技術(shù)組成的通信系統(tǒng)就是無線通信系統(tǒng)。利用無線通信技術(shù)組成的通信系統(tǒng)就是無線通信系統(tǒng)。其主要特點如下：其主要特點如下：n 無線通信系統(tǒng)是一個開路系統(tǒng)，信息的載體是電磁波，電磁波傳輸不需要無線通信系統(tǒng)是一個開路系統(tǒng)，信息的載體是電磁波，電磁波傳輸不需要 介質(zhì)，可在自由空間傳播，這是無線通信與有線通信的最大區(qū)別。介質(zhì)，可在自由空間傳播，這是無線通