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電波傳輸概論

期末總復(fù)習(xí)

第1頁在實際媒質(zhì)中，電磁波空間傳輸應(yīng)主要從以下三方面進行學(xué)習(xí)和研究：（１）電磁波傳輸環(huán)境（媒質(zhì)）特征。主要包含媒質(zhì)電學(xué)性質(zhì)、空間結(jié)構(gòu)與邊界特征以及規(guī)則或隨機時空改變。不均勻空間改變以及非平穩(wěn)隨機時間改變過程等復(fù)雜現(xiàn)象，是電磁波傳輸各種時、空、頻域效應(yīng)根源。（２）電磁波傳輸物理機制與傳輸模式。電磁波在各種特征媒質(zhì)中傳輸機制可能包括吸收、折射、反射、散射、繞射、導(dǎo)引友好振以及多徑干涉和多普勒(Doppler)頻移效應(yīng)等一系列物理過程。這些過程既取決于媒質(zhì)特征，也與波特征親密相關(guān)。電磁波傳輸情況，取決于電磁波特征參數(shù)與媒質(zhì)特征參數(shù)及邊界條件匹配。（３）信號媒質(zhì)效應(yīng)和傳輸特征。無線電信號在各種媒質(zhì)傳輸過程中，可能遭受衰減、衰落、極化偏移和時、頻域畸變等效應(yīng)，并所以而含有復(fù)雜時空改變特征。一些媒質(zhì)效應(yīng)對信息傳輸質(zhì)量和可靠性會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。但在有些情況下，媒質(zhì)效應(yīng)也被用以作為信息傳輸支撐。2電磁波傳輸過程就是電磁波與媒質(zhì)相互作用物理過程。第2頁3麥克斯韋方程組匯總積分形式：微分形式：注意各式物理意義！第3頁4各向同性：m和e是標(biāo)量

各向異性：m和e是張量色散介質(zhì)：m和e與頻率相關(guān)非色散：m和e與頻率無關(guān)本構(gòu)關(guān)系第4頁切向邊界條件5法向邊界條件界面處自由電荷面密度界面處傳導(dǎo)電流密度邊界條件第5頁6假如是理想介質(zhì)假如是理想導(dǎo)體表面呢？第6頁7坡印亭定理功率和能量能量守恒積分形式定義為坡印亭矢量，表示功率流密度（W/m2）。第7頁8其中：——流出面總功率——所儲電能和磁能時間改變率——電流所供給功率第8頁9時諧電磁場—麥克斯韋方程組第9頁10時諧電磁場—邊界條件時諧場邊界條件與普通時變場邊界條件相同，唯一區(qū)分是將其中瞬時場換成對應(yīng)相量式，即法向邊界條件切向邊界條件第10頁11時諧電磁場—功率和能量在一個時間周期內(nèi)求平均，可得平均坡印亭矢量第11頁12假設(shè)：線性、無耗、均勻、各向同性媒質(zhì)波動方程第12頁13第13頁14第14頁15無源區(qū)域第15頁16時諧場波動方程第16頁17第17頁18無源區(qū)域第18頁19電磁波波動方程矢量亥姆霍茲方程真空波動方程第19頁20考慮有上式表明電場波動是橫波，E能夠在垂直于k任意方向上振蕩。波動方程解—平面波由上式知B與E和k相互垂直，綜合可知，平面波為TEM波。同時可知，B與E同相，振幅比為定義波阻抗Z為第20頁21地面對電波傳輸影響主要表現(xiàn)為兩個方面：地面不平坦性，當(dāng)?shù)孛嫫鸱黄匠潭认鄬τ陔姴úㄩL來說很小時，地面可近似看成是光滑地面。對于長波和中波傳輸，除高山外均可視地面為平坦。

地質(zhì)情況，主要研究它電磁特征。地面能夠被作為非磁性介質(zhì)來對待，其導(dǎo)磁率與真空中相同，即相對磁導(dǎo)率μr=1。描述大地電磁特征主要參數(shù)是介電常數(shù)ε（或相對介電常數(shù)εr）和電導(dǎo)率σ。地面波傳輸環(huán)境第21頁傳導(dǎo)電流密度Js與位移電流密度JD之比。衡量標(biāo)準(zhǔn)

時，大地含有良導(dǎo)體性質(zhì);

時，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時，為半電介質(zhì)。判斷某種媒質(zhì)是展現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性

第22頁23在對流層中,普通溫度隨高度以6.5℃/km速率下降。在對流層頂(在中國境內(nèi),普通高度為11～13km)時,溫度不再降低,普通到達大約－56℃恒定值。當(dāng)然,有時會出現(xiàn)特殊情況,如在對流層局部高度范圍內(nèi)有時會出現(xiàn)溫度隨高度上升反常情況,這種現(xiàn)象稱為溫度逆增。另外,風(fēng)、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在對流層內(nèi),所以對流層另一個主要特點就是含有大量水份,如水汽和降水(形式如雨、霧、雪、雹等)。水份主要出現(xiàn)在近地面數(shù)千米高度范圍內(nèi),它們對電波傳輸有很大影響。對流層電波傳輸大氣環(huán)境第23頁大氣溫度與地理緯度、大氣層高度和季節(jié)相關(guān)。平均說來,由地球赤道向兩極方向,緯度每增加1度(相當(dāng)于111km地面距離),地面氣溫降低1℃。高度每增加1km,氣溫下降6.5℃。地面氣溫在一年內(nèi)改變可高達70~80℃,隨地點不一樣而不一樣。在赤道附近,海洋性地域溫差小。在高緯度地域，沙漠地域溫差大。氣溫還有周日改變,尤其是在近地面大氣層。與氣壓相比,低層大氣中溫度是改變比較大參量。引發(fā)氣溫改變原因有太陽熱輻射引發(fā)熱交換、熱傳導(dǎo)、對流、平流和絕熱改變過程。第24頁收發(fā)點TR連線上一點O，過O作垂直于TR平面S，S與經(jīng)過TR垂直平面交PQ，在PQ上，取O1、O2……On點，使它們滿足—LOS路徑（視距路徑）菲涅爾區(qū)、帶、半徑第25頁滿足上面第i個方程全部Oi點在TOiR平面上是個以T和R為焦點橢圓，將該橢圓以TR為軸旋轉(zhuǎn)得到一個旋轉(zhuǎn)橢球面，上式中每個方程都對應(yīng)一個旋轉(zhuǎn)橢球面。這些橢球面所包圍空間區(qū)域稱為第i菲涅爾區(qū)。相鄰菲涅爾區(qū)之間相位差為180度（l/2波程差）。O1、O2、……、On在旋轉(zhuǎn)過程中形成對應(yīng)圓周，Oi-1與Oi之間圓環(huán)稱為第i菲涅爾帶。第一菲涅爾帶是一個以O(shè)O1為半徑圓面。令Fi=OOi，F(xiàn)i為第i帶外半徑，稱為第i菲涅爾半徑第26頁設(shè)，則將其代入得第一菲涅爾半徑距離越長，波長越短，菲涅爾半徑就越小，而且菲涅爾半徑在收發(fā)中點處（d1=d2）取最大值。

第27頁波長越短，第一菲涅爾區(qū)半徑越小，對應(yīng)第一菲涅爾橢球越細長。對于波長非常短光學(xué)波段，橢球體愈加細長，因而產(chǎn)生了光學(xué)中研究過純粹射線傳輸。第一菲涅爾橢球為電波傳輸主要通道因為電波傳輸主要通道并不是一條直線，所以即使某凸出物并沒有擋住收、發(fā)兩點間幾何射線，不過已進入了第一菲涅爾橢球，此時接收點場強已經(jīng)受到影響，該收、發(fā)兩點之間不能視為自由空間傳輸。而當(dāng)凸出物未進入第一菲涅爾橢球，即電波傳輸主要通道，此時才能夠認為該收、發(fā)兩點之間被視為自由空間傳輸。第28頁即使在地面上障礙物遮住收、發(fā)兩點間幾何射線情況下，因為電波傳輸主要通道未被全部遮擋住，所以接收點依然能夠收到信號，此種現(xiàn)象被稱為電波繞射。在地面上障礙物高度一定情況下，波長越長，電波傳輸主要通道橫截面積越大，相對遮擋面積就越小，接收點場強就越大，所以頻率越低，繞射能力越強。第29頁自由空間傳輸損耗是指：當(dāng)發(fā)射天線和接收天線方向系數(shù)都為1時，發(fā)射天線輻射功率Pr與接收天線最正確接收功率PL比值，記為L0，即或自由空間傳輸損耗第30頁D=1無方向性發(fā)射天線產(chǎn)生功率密度為D=1無方向性接收天線有效接收面積為所以該接收天線接收功率為第31頁于是自由空間傳輸損耗為或第32頁自由空間基本傳輸損耗L0僅與頻率f和距離r相關(guān)。當(dāng)f

和r擴大一倍時，L0均增加6dB。第33頁設(shè)點源發(fā)射天線輻射功率為Pt，則距離發(fā)射天線ｄ處接收天線處能流密度S為考慮到發(fā)射天線增益Gt使接收點能流密度增大效果后，實際上接收點能流密度為自由空間接收場強第34頁另外，平均能流密度又可表示為對比能夠得到接收點場強為第35頁36衰減因子A：接收點實際場強E與自由空間場強E0之比?；?qū)嶋H接收點場強E為：衰減因子A是與工作頻率、傳輸距離、媒質(zhì)參數(shù)、地貌地物情況、傳輸方式等原因相關(guān)量，所以衰減因子對電波傳輸研究是一個很主要參數(shù)。傳輸損耗（衰減）第36頁37實際能流密度S接收功率Pr信道傳輸損耗L：發(fā)射天線輸入功率Pt與接收天線輸出功率Pr（匹配情況時）之比如用分貝表示，則有第37頁38假如不考慮設(shè)備影響，只考慮信道（傳輸媒質(zhì)）中功率傳輸情況，則稱為“路徑傳輸損耗”或稱為“基本傳輸損耗”因為衰減因子A隨不一樣傳輸方式、不一樣傳輸情況而不一樣，所以，計算衰減因子A時應(yīng)結(jié)合不一樣傳輸方式進行。第38頁信號電平隨時間起伏改變現(xiàn)象衰落現(xiàn)象依據(jù)衰落成因不一樣能夠分為：吸收型衰落和干涉型衰落吸收型衰落:因為媒質(zhì)電參數(shù)改變，使信號衰減發(fā)生了改變，周期普通較長，為慢衰落。干涉型衰落:因為信號傳輸多經(jīng)效應(yīng)造成信號干涉加強或者減弱，在移動通信中更為強烈，普通改變強烈，稱為快衰落。第39頁40波前傾斜現(xiàn)象是指因為地面損耗造成電場向傳輸方向傾斜一個現(xiàn)象，地面波傳輸主要特點之一。(a)電場方向(b)坡印廷矢量方向波前傾斜現(xiàn)象第40頁波前傾斜現(xiàn)象解釋1設(shè)直立天線沿x軸放置，輻射垂直極化波，電波能量沿z軸傳輸，輻射場為Ex1和Hy1。當(dāng)某瞬間Ex1位于A點，在地面上必定會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)波向前傳輸時，便產(chǎn)生了沿z方向感應(yīng)電流。因為大地是半導(dǎo)電媒質(zhì)，有一定地電阻，故在z軸方向產(chǎn)生電壓降，也即在z方向產(chǎn)生新水平分量Ez2。因為邊界電場切向分量連續(xù)，即存在Ez1，這么靠近地面合電場E1就向傳輸方向傾斜。第41頁波前傾斜現(xiàn)象解釋2從能量角度看，因為地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，電波沿地面?zhèn)鬏敃r產(chǎn)生衰減，這就意味著有一部分電磁能量由空氣層進入大地內(nèi)。坡印亭矢量方向不再平行于地面而發(fā)生傾斜，出現(xiàn)了垂直于地面向地下傳輸功率流密度Sx1，這一部分電磁能量被大地吸收。由電磁理論知道，坡印亭矢量是與等相面即波前垂直，故當(dāng)存在地面吸收時，在地面附近波前將向傳輸方向傾斜。顯然，地面吸收越大，Sx1越大，傾斜將越嚴(yán)重。只有沿地面?zhèn)鬏擲z1分量才是有用。第42頁地面波傳輸采取垂直極化波，天線則多采取直立天線。波前傾斜現(xiàn)象含有很大實用意義。能夠采取對應(yīng)形式天線，有效地接收各場強分量。地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量地面波傳輸特征討論第43頁地面上電場為狹長橢圓極化波。在短波、超短波段，垂直分量與水平分量相位差趨于零，所以可近似認為電場是與橢圓長軸方向一致線極化波。第44頁地面波在傳輸過程中有衰減。沿-x方向傳輸功率流密度電波傳輸損耗頻率越低，地面對電波吸收越小。所以地面波傳輸方式尤其適合用于長波、超長波波段。第45頁無線電波繞過傳輸?shù)缆飞险系K物現(xiàn)象稱為繞射。從電磁學(xué)基礎(chǔ)知識可知,無線電波繞射現(xiàn)象只有當(dāng)障礙物大小與波長靠近時才顯著。突出地形和建筑物等障礙,可能從下方靠近甚至遮蔽發(fā)射與接收天線間直接射線,此時無線電波會以繞射方式越過障礙進行傳輸,從而經(jīng)受相對于自由空間附加衰減,即障礙繞射衰減。光滑球面地上無線電波繞射普通分為刃形障礙繞射和圓形障礙繞射。障礙影響與電波繞射第46頁——球面分層大氣斯奈爾定律假如球面半徑為無限大,也即球面退化成平面,此時有平面分層情況下折射公式,即球面大氣中斯奈爾定律第47頁大氣折射指數(shù)梯度決定了射線彎曲程度。所以,可按射線曲率半徑和與地球半徑比值大小對折射進行分類。當(dāng)ρr/a=1時,射線平行于地面,稱為臨界折射當(dāng)ρr/a＜1時,射線彎向地面,再經(jīng)地面反射,可傳到很遠地方,稱為超折射;大氣折射各種形式在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下,ρr/a=4,稱為標(biāo)準(zhǔn)折射;射線在標(biāo)準(zhǔn)折射和臨界折射之間,稱為過折射;當(dāng)dn/dh=0時,ρr≈∞,射線不彎曲;射線在直線和標(biāo)準(zhǔn)射線之間稱為次折射;當(dāng)dn/dh＞0,ρr/a＜0時,射線向上凹,稱為負折射。第48頁假如某一區(qū)段折射率梯度遠遠偏離正常值，剛稱這一區(qū)段為層結(jié)。在電波傳輸研究中，尤其關(guān)心大氣折射率梯度負得很厲害層結(jié)，即超折射率層或波導(dǎo)層。所謂大氣波導(dǎo)是在低層大氣中能使無線電波在某一高度上，出現(xiàn)全反射大氣層結(jié)。大氣波導(dǎo)第49頁——以折射率梯度表示波導(dǎo)傳輸條件形成大氣波導(dǎo)傳輸氣象條件——以M指數(shù)梯度表示波導(dǎo)傳輸條件——以溫度梯度、濕度梯度表示波導(dǎo)傳輸條件第50頁溫度逆增和濕度隨高度猛烈逆降都會形成大氣波導(dǎo)。與之相對應(yīng)大氣過程能夠分為四類：空氣對流、下沉、地面輻射冷卻和蒸發(fā)。(1)對流過程:對流分以下幾個情況：干熱空氣流向濕冷表面。如：當(dāng)沙漠地域來干熱空氣流過冷濕海面時，貼近地面空氣將熱量傳給了海平面使本身溫度有所下降，而較高高度上空氣依然保持干熱狀態(tài)；另首先，海面因為受熱而蒸發(fā)，水汽進入貼近海面空氣層。形成高地面較高空氣溫度高且濕度小，而測控海面卻相反，于是溫度逆增層和濕層同時存在，形成大氣波導(dǎo)。來自水面濕冷空氣吹向干熱陸地。此時貼近陸地空氣中顯然會出現(xiàn)濕層和溫度逆增層，因為在較高高度上空氣是干熱。第51頁干冷空氣吹向熱濕表面。此時表面蒸發(fā)將水汽帶入干冷空氣中，形成梯度很大濕層，假如濕度隨高度遞降得足以抵償溫度隨高度下降影響，也會產(chǎn)生大氣波導(dǎo)。(2)下沉過程:下沉是在高壓條件下空氣下降。因為下降時絕熱壓縮使空氣加熱,形成穩(wěn)定逆溫層。同時因為下降空氣干燥、形成穩(wěn)定層,阻止下層濕空氣上升,故同時形成大水汽壓梯度。當(dāng)溫度梯度以及水汽壓梯度滿足要求時,則形成下沉波導(dǎo)。下沉波導(dǎo)普通為懸空波導(dǎo),厚度普通為幾百米。第52頁(3)輻射過程:白天被曬熱地面對大氣加熱,夜間地面輻射降溫并使低層大氣降溫,因而形成逆溫層。當(dāng)溫度梯度滿足要求時,會形成輻射波導(dǎo)。輻射波導(dǎo)為表面波導(dǎo),在夜間陸地上出現(xiàn),在高緯度地域出現(xiàn)機會多于中緯度地域與低緯度地域。(4)蒸發(fā)過程:海面與潮濕地面水汽蒸發(fā)可使各種逆溫層下面水汽增加,因而逆溫層中水汽壓梯度增大,有利于形成波導(dǎo)。在海面上蒸發(fā)很快,且水汽分子隨高度增加而很快擴散。當(dāng)水汽梯度滿足要求時,則形成蒸發(fā)波導(dǎo)。蒸發(fā)波導(dǎo)是海面上表面波導(dǎo),波導(dǎo)厚度很薄普通在40m以內(nèi)。第53頁將全國波導(dǎo)出現(xiàn)基本情況概括為四大波導(dǎo)頻繁區(qū)和四大無波導(dǎo)區(qū)。波導(dǎo)頻繁區(qū)是波導(dǎo)年出現(xiàn)概率高于5%地域,主要有:(1)以香港為代表南部沿海地域。(2)以臺灣省為代表東南沿海地域(這里波導(dǎo)出現(xiàn)最頻繁,靠近30%)。(3)以上海為代表東部沿海地域。(4)以哈密為代表西北地域。我國陸上低空大氣波導(dǎo)環(huán)境特征第54頁無波導(dǎo)區(qū)是波導(dǎo)年出現(xiàn)概率低于1%地域，主要有:(1)青藏高原、四川盆地和云貴高原。(2)天山以北地域。(3)黃土高原及內(nèi)蒙古高原(4)東北平原。另外，以鄭州為代表黃河中下游地域和以武漢為代表長江中下游地域波導(dǎo)也有較多出現(xiàn)；處于長江黃河之間大別山區(qū)及長江以南南嶺山區(qū)是無波導(dǎo)區(qū)。第55頁56在討論平地面空間波計算時，常作以下假設(shè)：(1)電波傳輸距離在視線范圍內(nèi)，且地面可看成平面。(2)收、發(fā)天線架設(shè)較高，即hr>>λ，hs>>λ，此時表面波影響能夠忽略不計；同時天線高度遠小于通信距離，即hr、hs<<d。(3)兩天線本身尺寸遠比它們離地高度小，此時天線能夠看成點源來考慮。(4)直射波和地面反射波在空間以直線傳輸，且假定空間沒有吸收損耗，則接收天線處場強能夠簡單地看成直接波與反射波場強矢量和。平地面上空間波場強計算第56頁57在上述假設(shè)下，有：(1)因為天線高度遠小于通信距離，此時反射線仰角很小，則反射波反射系數(shù)都等于-1，即反射過程中吸收損耗能夠忽略，而只有π相移。(2)此是直射波和反射行程差也很小，行程差引發(fā)場強振幅差異能夠忽略。(3)不過旅程差引發(fā)相位差異很大，不能夠忽略。即直射波與反射波含有相同場強振幅和不一樣相位差。第57頁58接收點R場強應(yīng)為直接波（DirectWave）與地面反射波（GroundReflectedWave）疊加。在傳輸路徑遠大于天線架高情況下，兩路波在R處場強視為相同極化。在實際問題中，假如沿r1路徑在R處產(chǎn)生場強振幅為E1，沿r2路徑在R處產(chǎn)生場強振幅為E2，在忽略方向系數(shù)差異，忽略強度上差異后，R處總場強為第58頁59考慮到反射系數(shù)約等于-1，可得合成場振幅模值為其中為旅程差造成相位差。第59頁60討論：1）電場強度E與旅程差φ關(guān)系φ=0時，E/E1=0,E=0φ=60時，E/E1=1,E=E1φ由60增大到180，E/E1由1增大到2，E由E1增大至2E1φ由180增大到300，E/E1由2減小到1，E由2E1減小至E1φ增大到360，E/E1=0,E=0電場強度比值E/E1隨φ增加成振蕩形式改變。第60頁612）電場強度E與d關(guān)系φ=0時，d→∞,在離發(fā)射天線很遠地方，輻射場強E=0φ=60時，,E=E1Φ>60,即

時，E能夠在0和2E1之間作振蕩改變。在選擇距離時，應(yīng)選在最大峰值點。然而實際上，因為天氣條件改變，使電波旅程改變，常使Δr有起伏改變，從而引發(fā)衰落。E時大時小，信號不穩(wěn)定。所以這種由反射波引發(fā)偶然加強并不能帶來良好效果，應(yīng)盡力設(shè)法減弱反射波作用。如增加天線方向性系數(shù)、減小反射波、適當(dāng)選擇地形等。第61頁62氣體分子吸收或輻射：在電磁波作用下,氣體分子從一個能級狀態(tài)躍遷至另一個能級狀態(tài)時氣體分子便吸收或輻射能量。萊比(Liebe)把頻率1THz以上譜線貢獻歸結(jié)為一個連續(xù)邊翼貢獻。提出大氣三要素(溫度、壓力和濕度)表示大氣吸收譜線參數(shù)經(jīng)驗公式。分子光譜從氣體分子吸收頻譜來看,存在著三種能級躍遷類型:第一個是氣體分子電子能級從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。電子能級躍遷吸收或輻射頻率為2.4×1015～2.4×1016Hz,屬于可見光和紫外光。氣體分子吸收和輻射理論第62頁第二種是氣體分子振動能級從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。吸收或輻射頻率為2.4×1014~2.4×1015Hz,屬于紅外光。第三種是分子轉(zhuǎn)動能級從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)，純轉(zhuǎn)動能級躍遷能量差很小吸收或輻射頻率為2.4×1010～2.4×1012Hz,恰好屬于毫米波討論范圍。研究表明,在頻率1THz以下有30條水汽分子譜線和48條氧氣分子吸收譜線。第63頁經(jīng)高空電離層反射后抵達接收點傳輸方式長、中、短波都可利用天波進行通信傳輸損耗小，因而能夠利用較小功率進行遠距離通信因為電離層是一個隨機、色散、各向異性媒質(zhì)，電波在其中傳輸時會產(chǎn)生各種效應(yīng)，比如多徑傳輸、多普勒頻移等都會對傳輸信號尤其是短波信號有較大影響天波傳輸?shù)?4頁Nn——反射點電子密度。電波能從電離返回地面時，電波頻率f、入射角θ0和反射點電子密度N