地面障礙物的繞射

1、電波傳播理論6-1第6章地面障礙物的繞射 基本要求：1. 掌握地形、地面覆蓋物對(duì)無(wú)線電波的阻擋的基本概念；2. 掌握站點(diǎn)的地理位置、地形剖面與地球凸起的基本概念；3.掌握傳播余隙和電路余隙的基本概念；4.自學(xué)6.5-6.95.自學(xué)參考書2中的 1.9 幾何繞射理論和UTD法 第6章 地面障礙物的繞射1電波傳播理論6-2第6章 地面障礙物的繞射6.1 地形、地面覆蓋物對(duì)無(wú)線電波的阻擋盡管可以利用射線理論分析無(wú)線電波的傳播，但是事實(shí)上無(wú)線電波是通過整個(gè)空間傳播進(jìn)行傳播的；以收發(fā)點(diǎn)為焦點(diǎn)的費(fèi)涅爾橢球代表了電波傳播所要求的空間通道，特別是第一費(fèi)涅爾橢球。如果在第一費(fèi)涅爾橢球的空間區(qū)域內(nèi)無(wú)線電波被地面和

2、地面覆蓋物所阻擋，那末，無(wú)線電波的能量將要遭受嚴(yán)重的衰減，這就是無(wú)線電波的繞射現(xiàn)象。繞射會(huì)使接收點(diǎn)的信號(hào)電平永久性地偏低，能量產(chǎn)生重大衰減，使通信的質(zhì)量大大降低，甚至造成通信的中斷，在地面通信電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)這種情況。 在地面通信中，不管是超短波還是微波通信，總是希望直接射線與地面或地面覆蓋物之間能保持有足夠的距離，即傳播余隙。2電波傳播理論6-3第6章 地面障礙物的繞射射線離地面的距離（傳播余隙）與大氣狀態(tài)之間的關(guān)系：在超折射(（出現(xiàn)大氣波導(dǎo)）的情況下，射線與地面之間具有最大的余隙；在標(biāo)準(zhǔn)折射（正常大氣狀態(tài)）的情況下，相應(yīng)的射線3離地面仍然有足夠的余隙；在負(fù)折射（折射指數(shù)隨高度增加

3、的反常）的情況下，射線的余隙就已經(jīng)為零或負(fù)值了，此時(shí)，電波傳播的通道完全被阻塞，電波能量的衰減自然非常嚴(yán)重。 直接射線與地面之間的余隙隨變化而變化。即使在正常的大氣狀態(tài)下有足夠的余隙，但是，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的負(fù)折射時(shí)，射線就可能很靠近地面了，以至不能保證有足夠大的傳播通道。3電波傳播理論6-4第6章 地面障礙物的繞射傳播余隙對(duì)天線架設(shè)高度的影響：除了要考慮大氣折射之外，必須研究無(wú)線電波的繞射損耗與余隙之間的關(guān)系，也就是要研究無(wú)線電波的繞射傳播現(xiàn)象；如果天線架設(shè)得很高，比如，保證在正常情況下射線能高出地面若干個(gè)第一費(fèi)涅爾半徑，那么，此時(shí)就可以完全不考慮地面障礙對(duì)電波的阻擋（繞射）損耗了。工程設(shè)計(jì)不能僅

4、僅考慮單一的技術(shù)因素，設(shè)計(jì)人員必須同時(shí)兼顧通信質(zhì)量的保證、經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約和工程實(shí)施的可能性等基本原則。收、發(fā)天線是架設(shè)在鐵塔或天線桿上的，過高的鐵塔或桿，會(huì)帶來(lái)一系列技術(shù)上和工程實(shí)施上的問題，經(jīng)濟(jì)上也是昂貴的。4電波傳播理論6-5第6章 地面障礙物的繞射地面和地面覆蓋物引起的繞射損耗的分析與計(jì)算：繞射損耗除與射線離障礙的高度有關(guān)外，還與障礙的形狀、大小和電氣特性有關(guān)。引起繞射損耗的實(shí)際的地面、地物是多種多樣的，有陡峭的山峰，也有平坦的水面；有起伏的丘陵，也有平緩光禿的山頭；在廣大的農(nóng)村地區(qū)有眾多的村莊和樹叢，在城市地區(qū)則有高大的房屋建筑。研究繞射問題的主要理論方法，包括典型的波動(dòng)法、幾何光學(xué)法（

5、GTD）和譜理論法（STD），還有一些近似計(jì)算和直觀處理的方法。要對(duì)這些不同類型的障礙的繞射傳播現(xiàn)象都進(jìn)行嚴(yán)格的理論計(jì)算實(shí)際上是困難的。在理論上僅能對(duì)一些理想化的障礙模型得到比較精確的解答，作為某些實(shí)際情況的近似。本章在自己的大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了常見的多種地形、地物的繞射損耗預(yù)測(cè)模型。在實(shí)踐中，這些模型，實(shí)用而方便，大多數(shù)情況下都可采用。5電波傳播理論6-6第6章 地面障礙物的繞射6.2 站點(diǎn)的地理位置、地形剖面與地球凸起無(wú)線電通信電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)站點(diǎn)的位置座標(biāo)、高程以及地形剖面。站點(diǎn)的位置座標(biāo)即地理座標(biāo)通常用地理經(jīng)、緯度或X-Y座標(biāo)表示，地理經(jīng)緯度座標(biāo)與X-Y座標(biāo)之間可以互相轉(zhuǎn)

6、換，通常GIS系統(tǒng)提供有這種轉(zhuǎn)換的軟件工具。站點(diǎn)的高程是指相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海平面的海拔高度。地形剖面是指收、發(fā)站之間各點(diǎn)的地形高程（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海平面的海拔高度）。海平面是個(gè)確定的海平面，是所有地形高度的參考面，在中國(guó)該海平面是指黃海的平均海平面。6電波傳播理論6-7第6章 地面障礙物的繞射地理座標(biāo)和高程的確定：最簡(jiǎn)單的辦法是借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如GPS系統(tǒng)，伽利略系統(tǒng)等，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定站點(diǎn)的地理經(jīng)緯度和高程。但是，通常GPS的高程測(cè)量是不準(zhǔn)確的。如果沒有衛(wèi)星定位儀器，可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)周圍的參考物，如房屋、道路、橋梁、河流和山頭等固定物體，確定站點(diǎn)在地圖上的準(zhǔn)確位置，并讀取它們的準(zhǔn)確座標(biāo)與高程。這種地圖可以是從

7、國(guó)家測(cè)繪總局取得的書面地圖，或者是電子地圖，實(shí)用上地圖的比例為1:50000是合適的，在這種比例尺的地圖上，2厘米長(zhǎng)度代表1公里的實(shí)際距離。 7電波傳播理論6-8第6章 地面障礙物的繞射地形剖面數(shù)據(jù)的取得：利用地理信息系統(tǒng)（GIS系統(tǒng)）讀取沿電路的地形高度。如果沒有GIS系統(tǒng)，則可以在1:50000的紙質(zhì)地圖上人工讀取地形高程數(shù)據(jù)。電路的地形高程數(shù)據(jù)可以排列成如表6.1所示的數(shù)據(jù)表格。8電波傳播理論6-9第6章 地面障礙物的繞射地形剖面圖沿通信電路的各數(shù)據(jù)點(diǎn)上相應(yīng)的參考海平面的凸起高度（地球凸起）。 數(shù)據(jù)點(diǎn)的地球凸起高度 地球凸起的最大高度 （傳播電路的中點(diǎn)的凸起高度）在工程實(shí)踐中，通?？偸鞘?/p>

8、用等效球面地球法來(lái)包含大氣折射的復(fù)雜影響，進(jìn)行各種工程設(shè)計(jì)計(jì)算與分析。所以我們要討論等效地球的凸起。（6.1）（6.2）9電波傳播理論6-10第6章 地面障礙物的繞射6.3 傳播電路余隙與電路的幾何參數(shù)發(fā)射點(diǎn)的地理經(jīng)緯度和方位角 接收點(diǎn)的地理經(jīng)緯度和方位角電路距離地心角電路對(duì)地心的張角（6.3）6.3.1 電路距離（6.4）10電波傳播理論6-11第6章 地面障礙物的繞射6.3.2 電路的方位角方位角在球面上從正北沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過的角度發(fā)射站的電路方位角 接收站的電路方位角 其中（6.5）（6.6）11電波傳播理論6-12第6章 地面障礙物的繞射6.3.3 電路余隙傳播余隙與電路余隙：傳播余隙

9、是指直接射線離地面或地面覆蓋物的距離，也即在直接射線以下未被地面阻擋的空間高度間隔。電路余隙具有最小傳播余隙的主障礙處的傳播余隙。電路余隙是決定繞射損耗與通信質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵。 12電波傳播理論6-13第6章 地面障礙物的繞射直接射線上某一確定點(diǎn) 的傳播余隙：（6.9）13電波傳播理論6-14第6章 地面障礙物的繞射傳播余隙的特點(diǎn)：傳播余隙除與收、發(fā)站的天線高度有關(guān)外，自然還與地面、地物等障礙物的高度以及地球的凸起高度直接相關(guān)。在傳播電路上，傳播余隙是變化的，即傳播余隙是座標(biāo)的函數(shù)。由于在垂直于射線的不同橫截面上同階費(fèi)涅爾半徑的大小是不一樣的，費(fèi)涅爾帶被阻擋的程度也是不一樣的。所以單從傳播余

10、隙本身無(wú)法直接判斷無(wú)線電波在電路的哪個(gè)位置上受到最嚴(yán)重的阻擋，主要障礙是哪一個(gè)。為了解決這個(gè)問題，引入與費(fèi)涅爾半徑有關(guān)的傳播余隙來(lái)度量電波通道被阻塞的程度。14電波傳播理論6-15第6章 地面障礙物的繞射6.3.4 相對(duì)電路余隙傳播余隙或歸一化余隙 直接射線上某一確定點(diǎn)的傳播余隙 與同一橫截面上的第一費(fèi)涅爾半徑 之比，即障礙點(diǎn)的相對(duì)余隙就是判斷傳播電路上哪個(gè)位置是主障礙位置、哪個(gè)障礙是主障礙的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。根據(jù)費(fèi)涅爾帶的分析，在傳播電路上，具有最小傳播余隙位置上的障礙對(duì)無(wú)線電波的阻塞最嚴(yán)重。在傳播電路上，相對(duì)余隙最小的障礙點(diǎn)就是主障礙點(diǎn)，該位置上的障礙就是主障礙。 （6.16）15電波傳播理論6-

11、16第6章 地面障礙物的繞射6.4 半無(wú)限吸收屏繞射場(chǎng)的波動(dòng)解半無(wú)限屏吸收屏物理模型及其性質(zhì)采用半無(wú)限屏吸收屏物理模型的道理采用次級(jí)源為平面由惠更斯原理得到的繞射場(chǎng)的嚴(yán)格解 發(fā)射點(diǎn)球面波的幅度 次級(jí)源平面法向的單位矢量 接收點(diǎn)R到元面的矢徑的單位矢量（6.17）6.4.1 半無(wú)限吸收屏繞射的波動(dòng)解16電波傳播理論6-17第6章 地面障礙物的繞射繞射場(chǎng)的近似解：繞射損耗： 不存在吸收屏的情況下 接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)費(fèi)涅爾積分及其性質(zhì)式（6.25）-（6.28）（6.18）17電波傳播理論6-18第6章 地面障礙物的繞射5.4.2 必要的電路余隙半無(wú)限吸收屏繞射損耗的計(jì)算結(jié)果圖6.6當(dāng) 時(shí)， 隨 的變化類

12、似于阻尼振蕩；當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) 時(shí)， 是 的精確的線性函數(shù)。18電波傳播理論6-19第6章 地面障礙物的繞射只要天線的高度能保證 時(shí)，障礙對(duì)電波的衰減便等于零，接收點(diǎn)的接收電平便等于自由空間傳播時(shí)的電平。考慮到大氣折射的影響，正常情況下的余隙應(yīng)該滿足：如果 考慮地反射的因素，情況還要復(fù)雜一些，有時(shí)需要采用空間分集措施，使用兩個(gè)架設(shè)高度不同的天線。究竟多大的電路余隙對(duì)于地面通信才是合適的，既能保證通信的質(zhì)量指標(biāo)又能最省投資，這是個(gè)專門的問題。各個(gè)國(guó)家在這方面也不盡統(tǒng)一，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)也有不同的要求，但在地面微波通信中，多數(shù)意見還是認(rèn)為，在正常傳播條件下取相對(duì)余隙大約等于1為宜。19電波

13、傳播理論6-20第6章 地面障礙物的繞射6.4.3 半無(wú)限吸收屏繞射損耗的近似表達(dá)式嚴(yán)格意義上說，式（6.22）僅能適用于半無(wú)限吸收屏的繞射損耗計(jì)算。但是，該式也適用于山峰繞射的計(jì)算。計(jì)算山峰的繞射損耗近似公式計(jì)算單屏障礙的繞射損耗近似公式半無(wú)限吸收屏繞射損耗的線性表達(dá)式6.4.4節(jié)（6.29）（6.30）（6.31）20電波傳播理論6-21第6章 地面障礙物的繞射6.5 半無(wú)限導(dǎo)體屏繞射的譜理論（UTD）半無(wú)限導(dǎo)體屏模型及其性質(zhì)繞射區(qū)（A區(qū)）、照明區(qū)（B區(qū)）和反射區(qū)（C區(qū)）導(dǎo)體屏繞射場(chǎng)強(qiáng) =入射波場(chǎng)強(qiáng)+反射波場(chǎng)強(qiáng)+入射波繞射場(chǎng)強(qiáng)+反射波繞射場(chǎng)強(qiáng) （6.36）21電波傳播理論6-22第6章 地

14、面障礙物的繞射6.6 地面電路半無(wú)限屏繞射場(chǎng)的幾何光學(xué)解6.7 地面電路多屏繞射場(chǎng)和繞射損耗的幾何光學(xué)解6.8 地面電路多障礙屏繞射直觀處理方法與幾何光學(xué)解6.9 光滑球面繞射損耗的計(jì)算及其它形狀的障礙物6.10 繞射損耗的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型四種障礙類型準(zhǔn)球面地球、村莊、山峰和房屋。測(cè)試損耗-天線高度線的三種方法A測(cè)試發(fā)、收天線一確定的高度差，同步升降； B測(cè)試發(fā)射天線固定，接收天線升降；C測(cè)試接收天線固定，發(fā)射天線升降。繞射損耗預(yù)測(cè)模型在第11章中將有詳細(xì)的介紹。22電波傳播理論6-23第6章 地面障礙物的繞射1.9 幾何繞射理論和UTD法（參考書2）繞射是指在電磁波傳播路徑上，當(dāng)尺寸相當(dāng)大（與波

15、長(zhǎng)相比）的障礙物產(chǎn)生遮擋時(shí)，在障礙物背后的陰影區(qū)中產(chǎn)生電磁波的問題。它和衍射在物理實(shí)質(zhì)上并沒有原則區(qū)別，都是電磁波波動(dòng)性的必然結(jié)果，在英語(yǔ)中是同一單詞（Diffraction)，但兩者的物理過程和處理方法上是不盡相同的。衍射應(yīng)指波經(jīng)屏上的孔向外空間擴(kuò)散。如均勻平面波向開孔平面屏上投射或波導(dǎo)壁上開縫使波向外漏泄的情況。這是一類邊值問題。用光學(xué)上的惠更斯原理可以作為這種衍射問題的物理解釋。在障礙物體不大時(shí)，雖然還是邊界條件問題，但是不能明確地劃分出陰影區(qū)，這類問題可以歸為散射問題。繞射和散射之間也沒有原則的區(qū)別，但它們的處理方法仍各有特點(diǎn)。因此，之所以要把問題分為衍射、繞射和散射，是因?yàn)樗鼈兊奶幚?/p>

16、方法都各不相同。23電波傳播理論6-24第6章 地面障礙物的繞射邊緣的繞射射線 24電波傳播理論6-25第6章 地面障礙物的繞射尖頂和凸曲面的繞射射線 25電波傳播理論6-26第6章 地面障礙物的繞射幾何繞射理論（GTD）和一致性劈繞射理論（UTD）繞射場(chǎng)指偏離了幾何光學(xué)的散射場(chǎng)繞射場(chǎng)的嚴(yán)格求解根據(jù)麥克斯韋方程及其邊界條件繞射場(chǎng)的近似計(jì)算（邊緣）幾何繞射理論（GTD）和一致性劈繞射理論（UTD）幾何繞射理論（GTD）凱勒等人在1957年提出的幾何繞射理論是通過引入繞射射線來(lái)描述繞射現(xiàn)象的。它消除了幾何光學(xué)射線在陰影邊界上引起的場(chǎng)的不連續(xù)性，并對(duì)陰影區(qū)的場(chǎng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚＠@射場(chǎng)也是借助繞射系數(shù)來(lái)計(jì)算的，只是繞射系數(shù)是個(gè)并矢，要用一個(gè)33的二階張量來(lái)表示。凱勒的解具有非一致性的缺點(diǎn)，即在幾何光學(xué)的過渡區(qū)中是失效的。26電波傳播理論6-27第6章 地面障礙物的繞射一致性劈繞射理論（U