電波傳播的幾個基本概念

1、電波傳播的幾個基本概念目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為：GSM： 890 960 MHz， 1710 1880 MHzCDMA: 806 896 MHz806960 MHz頻率范圍屬超短波范圍；1710 1880 MHz頻率范圍屬微波范圍。電波的頻率不同，或者說波長不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同2.1自由空間通信距離方程設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f .接收功率為PR，接收 天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無環(huán)境干擾時，傳播途中的電 波損耗L0有以下表達(dá)式：L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR)=32.45 + 20 Lg f

2、 ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)舉例設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ； GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz問：R = 500 m 時，PR = ？解答：(1) L0 (dB)的計(jì)算L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) =32.45 + 65.62 - 6 - 7 -=78.07 (dB)(2)PR的計(jì)算PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.8

3、07 )=1 ( p W ) / ( 10 0.807 )=1 ( p W ) / 6.412=0.156 ( p W )=156 ( mp W ) #順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失(1015) dB極限宣視距離超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地 表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間 波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個極限 直視距離Rmax。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax 以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語，利用超

4、短波、微波進(jìn)行通信時，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射 天線極限直視距離Rmax內(nèi)。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax和發(fā)射天線與接收天線的高度HT與 HR間的關(guān)系為：Rmax = 3.57 VHT (m) + HR (m) (km)Rmax考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為=4.12 VHT (m) + HR (m) (km)由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極 限直視距離Rmax的70%，即Re = 0.7 Rmax .例如，HT與HR分別為49 m和1.7 m,則有效直視距離為Re = 24 km .電波在平面地上的傳播特征由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的

5、電波稱為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電 波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號應(yīng)該是直射波 和反射波的合成。電波的合成不會象1 + 1 = 2那樣簡單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會隨 著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個波長的奇數(shù)倍時，直射波 和反射波信號相加，合成為最大；波程差為一個波長的倍數(shù)時，直射波和反射波信號 相減，合成為最小。可見，地面反射的存在，使得信號強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。 實(shí)際測量指出：在一定的距離Ri之內(nèi)，信號強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會作起 伏變化；在一定的距離Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號強(qiáng)度將。單 調(diào)下降。理論計(jì)

6、算給出了這個Ri和天線高度HT與HR的關(guān)系式：Ri = （4 HT HR）/ l， l 是波長。不言而喻，Ri必須小于極限直視距離Rmax電波的多徑傳播在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物（例如樓房、高大建筑 物或山丘等）對電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣意地說， 地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。由于多徑傳輸，使得信號場強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動很大，有的地方信 號場強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號場強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊?，還會使電波的極化方 向發(fā)生變化。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物 對超短波、微波的反射能力比磚

7、墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這 也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù) 的緣由。電波的繞射傳播在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波 的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號強(qiáng) 度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)， 和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個建筑物，其高度為10 米，在建筑物后面距離200米處，接收的信號質(zhì)量幾乎不受影響，但在100米處，接收信號場強(qiáng)比無建筑物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還

8、與 信號頻率有關(guān)，對于216223兆赫的射頻信號，接收信號場強(qiáng)比無建筑物時低16 dB,對于670兆赫的射頻信號，接收信號場強(qiáng)比無建筑物時低20dB .如果建筑物高 度增加到50米時，則在距建筑物1000米以內(nèi)，接收信號的場強(qiáng)都將受到影響而減 弱。也就是說，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號強(qiáng)度與通信質(zhì) 量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越 小。因此，選擇基站場地以及架設(shè)天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不 利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。傳輸線的幾個基本概念連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳

9、輸線的主 要任務(wù)是有效地傳輸信號能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號功率以最小的損耗傳送到 發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時它本身 不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長度等于或大于所傳送信號的波長時，傳輸線又叫做長線。傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸 線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對稱式或平 衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為 芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對地不

10、對稱，因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線。 同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對磁場的干擾卻無能 為力。使用時切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號線路。傳輸線的特性阻抗無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為Z =60/ 8rXLog ( D/d )歐。式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑;d為同軸電纜芯線外徑; r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。通常Z0 = 50歐，也有Z0 = 75歐的。由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介 電常數(shù) r有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及

11、饋線終端所接負(fù)載阻抗無關(guān)。饋線的衰減系數(shù)信號在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩 種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線 長度。單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)P表示，其單位為dB / m （分貝/ 米），電纜技術(shù)說明書上的單位大都用dB / 100 m （分貝/百米）.設(shè)輸入到饋線的功率為P1，從長度為L （m ）的饋線輸出的功率為P2，傳 輸損耗TL可表示為：TL = 10 XLg ( P1 /P2 )( dB )衰減系數(shù)為P = TL / L ( dB / m )例如，NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜，900MHz時衰

12、減系數(shù)為P = 4.1 dB / 100 m，也可寫成P = 3 dB / 73 m，也就是說，頻率為900MHz的信號 功率，每經(jīng)過73 m長的這種電纜時，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如，SYV-9-50-1，900MHz時衰減系數(shù)為P = 20.1 dB / 100 m，也可寫成P = 3 dB / 15 m，也就是說，頻率為900MHz的信號功率，每經(jīng)過15 m長的這種電纜時，功率就要少一半!匹配概念什么叫匹配？簡單地說，饋線終端所接負(fù)載阻抗ZL等于饋線特性阻抗Z0時， 稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有 由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天

13、線作為終端負(fù)載時，匹配能保證天線取得全部 信號功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為50歐時，與50歐的電纜是匹配的，而當(dāng) 天線阻抗為80歐時，與50歐的電纜是不匹配的。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配， 這時天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良 好匹配，在架設(shè)天線時還需要通過測量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝 置。I電痛 5(? fjhms50 ohms80 ohms反射損耗前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上 傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時

14、，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等， 饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負(fù)載就只能 吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個為75 ohms, 一個為50 ohms , 阻抗不匹配，其結(jié)果是隹輸鯉50 oiims返回.4W天魏 75 ohms算射這里的反射損耗為10虹心30.4) = 14dS電壓駐波比在不匹配的情況下，饋線上同時存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相 同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax，形成波腹；而在

15、入射波和反射波相 位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則 介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。反射鼓電壓利入射披電壓一幅度之比叫作反射系教，記為R反射波蝠度d NJK 入叛披幅度 (瓦+ W)波度電壓與波節(jié)電壓幅度之比林蘢文波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR波腹血壓幅度V,(1+R)VSWR =被節(jié)電壓福度V、(1-R)終端負(fù)載阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近，反射系數(shù)R越小，駐波比VSWR越 接近于1,匹配也就越好。平衡裝置信號源或負(fù)載或傳輸線，根據(jù)它們對地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類。 若信號源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡信號源，否則稱為不 平衡信號源；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡負(fù)載，否 則稱為不平衡負(fù)載；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱為平衡傳輸線，否則為 不平衡傳輸線。在不平衡信號源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡信號源與平衡負(fù) 載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸信號功率，否則它們的平衡 性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接， 通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡一不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱為平衡變