《天線技術(shù)》課件第12章

第12章無線電波的傳播12.1電波傳播的基本知識(shí)12.2視距傳播12.3空間波傳播12.4地面波傳播12.5多徑傳播及衰落問題12.1無線電波的傳播發(fā)射天線或自然輻射源所輻射的電磁波，在自由空間通過自然條件下的各種不同媒質(zhì)(如地表、地球大氣層或宇宙空間等)而到達(dá)接收天線的傳播過程，稱為無線電波傳播。電磁波因波源不同、頻率f不同，電磁波的波長(zhǎng)λ是不同的，但在同一媒質(zhì)中波速v是相同的(在真空中都以光速c傳播，約300000km/s)。電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其頻率越低，它們之間的關(guān)系式為（12-1-1）

進(jìn)行觀測(cè)研究和利用的電磁波，其頻率低至千分之幾赫茲，高達(dá)1030赫茲，相應(yīng)的波長(zhǎng)則從1011m短至10-20m以下。為便于區(qū)別，通常將波長(zhǎng)在30km~0.1mm之間的電磁波稱為無線電波，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為電波。電磁波的命名如表12-1所示。表12-1電磁波命名名稱宇宙射線γ射線X射線紫外線可見光紅外線無線電波波長(zhǎng)＜10-16

10-16～10-11

10-11～10-8

10-8～10-7

10-7～10-610-6～10-310-3～1011頻率>10241024～10191019～10161016～10151015～10141014～10111011～109表12-2無線電波波段劃分名稱波長(zhǎng)/λ頻率/f超長(zhǎng)波10km以上30kHz以下長(zhǎng)波1～10km300～30kHz中波100～1000m3000～300kHz短波10～100m30～3MHz超短波1～10m300～30MHz分米波厘米波毫米波10～100cm3000～300MHz1～10cm30～3GHz1～10mm300～30GHz亞毫米波0.1～1mm3000～300GHz微波在傳播過程中，無線電波有可能受到反射、折射、繞射、散射和吸收，電磁波強(qiáng)度將發(fā)生衰減，傳播方向、傳播速度或極化形式將發(fā)生變化，傳輸波形將產(chǎn)生畸變。此外，傳輸中還將引入干擾和噪聲。

電波傳播的情況直接影響無線電系統(tǒng)的工作，隨著傳播情況的改變，系統(tǒng)中的信噪比、通信誤碼率等重要的技術(shù)指標(biāo)也將隨之改變。

不同頻率、不同波長(zhǎng)的電磁波有不同的傳播特性。根據(jù)不同頻段的電波在媒質(zhì)中傳播的物理過程，可將電波傳播方式分為視距傳播、空間波傳播和地面波傳播。 12.2視距傳播所謂視距傳播,又稱直接波傳播,是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。當(dāng)發(fā)射天線以及接收天線架設(shè)得比較高時(shí)，在視線范圍內(nèi)，電磁波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線，還可以經(jīng)地面反射而到達(dá)接收天線。所以接收天線處的場(chǎng)強(qiáng)是直接波和反射波的合成場(chǎng)強(qiáng)，直接波不受地面的影響，地面反射波要經(jīng)過地面的反射，因此要受到反射點(diǎn)地質(zhì)地形的影響。視距波在大氣的底層傳播，傳播的距離受到地球曲率的影響。收、發(fā)天線之間的最大距離被限制在視線范圍內(nèi)，要擴(kuò)大通信距離，就必須增加天線高度。一般來說，視距距離可以達(dá)到50km左右。

1.視線距離

由于地面呈球面形狀，因此凸起的地表面會(huì)阻擋直射線。將地面上高架天線直射線到達(dá)的最大距離d0稱為視線距離，見圖12-1。圖12-1球形地面上的視距

設(shè)地球半徑：R0=6370km，且R0>>h1，R0>>h2，由簡(jiǎn)單幾何關(guān)系可得同理可得則(12-2-2）(12-2-1）式中，h1和h2的單位為m。

視距傳播時(shí)，電波是在地球周圍的大氣層中傳播的，大氣對(duì)電波產(chǎn)生折射和衰減作用。大氣層是非均勻介質(zhì)，其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化。大氣層的介電常數(shù)也是高度的函數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)εr隨高度的增加而減小，并逐漸趨近于1，因此大氣層的折射率也隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄層，每一薄層是均勻的，各薄層的折射率n隨高度的增加而減小，則當(dāng)電波在大氣層中依次通過每個(gè)薄層界面時(shí)，射線都將產(chǎn)生偏折，因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線，如圖12-2所示。圖12-2大氣層對(duì)電波的折射

當(dāng)考慮大氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響時(shí)，視距公式應(yīng)修正為(12-2-3）

把通信要求的距離d同視線距離d0比較，有下列三種情況：(1)d<d0時(shí)，稱接收點(diǎn)處于照明區(qū)。(2)d>d0時(shí)，稱接收點(diǎn)處于陰影區(qū)。(3)d≈d0時(shí)，稱接收點(diǎn)處于半陰影區(qū)。如果要保證收發(fā)天線之間的電波不受地球阻擋，就要合理選擇天線高度，使d<d0

，即使接收點(diǎn)位于照明區(qū)。2．光滑平地面上視距波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算公式圖12-3直射波與反射波

圖12-3中，設(shè)h1為發(fā)射天線高度，h2為接收天線高度，d為收、發(fā)天線間距。其中,d在視距內(nèi),地面平坦光滑，地面為平面，空間充滿空氣。此時(shí)地表波的影響可忽略不計(jì),即可不計(jì)地面對(duì)天線的影響。E為接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，在接收點(diǎn)R，直射波與反射波的場(chǎng)強(qiáng)有效值分別為接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為(12-2-5）(12-2-4）式(12-2-4)中:r1為直射波距離；P1為發(fā)射天線輸入功率；G1、G2分別為發(fā)射天線在直射波方向與反射波方向的增益系數(shù)；Δr為反射波與入射波的波程差，即Δr=r2-r1；λ為工作波長(zhǎng)；|R|與φ分別是反射點(diǎn)處的反射系數(shù)的模與相角。

當(dāng)滿足r>>h1，r>>h2時(shí)，Δ=0。Δ為反射線仰角,也等于入射線仰角。當(dāng)?shù)孛骐妼?dǎo)率為有限值時(shí)，若射線仰角很小，則有

R=RH≈RV≈-1或|R|=|RV|=|RH|=1,φ=φH=φV=n其中:RH為水平極化波的反射系數(shù)；RV為垂直極化波的反射系數(shù)。φH、φＶ分別為水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)的相角。若設(shè)G1=G2=Gt，Δr≈(2h1h2)/d，且不管是垂直極化還是水平極化,反射波與入射波的極化方向近似一致,可把矢量相加簡(jiǎn)化成標(biāo)量相加,則可得合成場(chǎng)有效值為

E=E0V

(12-2-6)式中，E0為自由空間場(chǎng)強(qiáng)的有效值,其值為(12-2-7)式(12-2-6)中，V是衰減因子。對(duì)于視距通信電路來說,電波的射線仰角是很小的(通常小于1°),所以衰減因子V為(12-2-8)

由此式可看出接收點(diǎn)合成場(chǎng)具有如下一些基本性質(zhì):(1)當(dāng)工作波長(zhǎng)和收、發(fā)天線間距不變時(shí)，接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)(衰減因子與場(chǎng)強(qiáng)成正比)隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動(dòng)，如圖12-4所示。由圖可見：當(dāng)h2=0時(shí)，直射波與反射波波程相等，反射系數(shù)R≈-1，故合成場(chǎng)強(qiáng)為零；當(dāng)h2增加時(shí)，引起波程差或相位差不斷變化，當(dāng)相位差同相時(shí)合成場(chǎng)強(qiáng)最大，反相時(shí)合成場(chǎng)強(qiáng)最小。(2)當(dāng)工作波長(zhǎng)λ和兩天線高度h1和h2都不變時(shí)，接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨兩天線間距的增大而呈波動(dòng)變化，間距減小，波動(dòng)范圍減小，如圖12-6所示。這是直射波和地面反射波干涉引起的。隨著距離的改變，將引起波程差Δr的變化，即相位的變化。當(dāng)兩種波相位相同時(shí)，二者同相疊加而獲得的場(chǎng)強(qiáng)值最大。反之，相位相反，合成場(chǎng)強(qiáng)值最小。圖12-5接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨天線間距d變化的曲線(3)當(dāng)兩天線高度h1、h2和間距d不變時(shí)，改變工作波長(zhǎng)也會(huì)得到類似的結(jié)果。接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長(zhǎng)λ呈波動(dòng)變化的曲線如圖12-6所示。圖12-6接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長(zhǎng)λ的變化曲線在式(12-2-6）和式(12-2-8）中，當(dāng)時(shí)，，則得到維建斯基反射公式:(12-2-9）式中：λ、h1、h2的單位取m;d的單位取km；P1的單位取kW。式(12-2-9)適用于計(jì)算平地面上傳播距離遠(yuǎn)大于天線架高度時(shí)的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)。

總之，在微波視距通信設(shè)計(jì)中，為使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在設(shè)計(jì)和選擇通信信道路徑時(shí)，要盡可能地利用起伏不平的地形或地物，使反射波場(chǎng)強(qiáng)削弱或改變反射波的傳播方向，使其不能到達(dá)接收點(diǎn)，以保證接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的穩(wěn)定。3．低空大氣層對(duì)視距波的影響視距波除了受地面的影響以外，還受到低空大氣層即對(duì)流層的影響。無論是地對(duì)地還是地對(duì)空的傳播方式，電波傳播時(shí)，其射線至少有一部分是在對(duì)流層中傳播的，因而它必然受到對(duì)流層這種傳輸媒質(zhì)的影響。從地面起至上空約10～18km以內(nèi)的大氣層叫做對(duì)流層。對(duì)流層的空氣成分大致與地面附近的相同。在對(duì)流層內(nèi)，氣壓、溫度和濕度等都隨高度而變化，空氣的密度隨著高度的增加而降低。在通常情況下，隨高度的增加，氣溫和濕度也隨之下降。對(duì)流層的參數(shù)隨季節(jié)、晝夜和氣象條件的變化而變化。

需要注意的是，氣象條件可能有種種異常的變化。如在某一高度范圍內(nèi)，隨著高度的增加，氣溫反而上升，這種現(xiàn)象稱為溫度逆升。大氣對(duì)電波的衰減主要來自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)電波的諧振吸收。熱吸收與小水滴的濃度有關(guān)，諧振吸收與工作波長(zhǎng)有關(guān)。另一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射，散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比，與波長(zhǎng)的四次方成反比。當(dāng)工作波長(zhǎng)短于5cm時(shí)，就應(yīng)該考慮大氣層對(duì)電波的衰減，尤其當(dāng)工作波長(zhǎng)短于3cm時(shí)，大氣層對(duì)電波的衰減將趨于嚴(yán)重。就云、霧、雨、雪對(duì)微波傳播的影響來說，降雨引起的衰減最為嚴(yán)重，對(duì)10GHz以上頻率的電波，由降雨引起的衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)中都要考慮由降雨引起的衰減。1．電離層傳播1）電離層對(duì)電波的折射與反射電離層是地球高空大氣層的一部分，從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層的電子不是均勻分布的(其電子濃度N隨高度與位置的不同而變化)，因此電離層是非均勻媒質(zhì)，電波在其中傳播必然有反射、折射與散射等現(xiàn)象發(fā)生。因此，按電子濃度隨高度的變化，在電波通過的有限區(qū)域中，仿照電波在視距傳播中的處理方法，可將電離層分成許多薄層，每一薄層的電子濃度是均勻的，但彼此是不等的。設(shè)每層厚度為Δh，各層折射率分別為n1，n2，……。12.3空間波傳播電離層下面為對(duì)流層，其折射率為n0，且n0=1。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)可求得自由電子濃度為N的各向同性均勻媒質(zhì)的折射率為式中，f為電波的頻率。因?yàn)楦鞅∑婋x層的電子濃度隨著高度的增加而變大，即N0<N1<N2<…<Ni,所以各層的折射率關(guān)系為n0>n1>n2>…>ni。圖12-7繪出了電波在分層結(jié)構(gòu)的電離層中連續(xù)折射的情況。(12-3-1）在圖12-7中，各薄層間的界面上連續(xù)應(yīng)用折射定律可得如下關(guān)系：(12-3-2)也就是說，當(dāng)電波以入射角θ0進(jìn)入電離層時(shí)，由于電離層的折射率小于空氣的折射率，因此折射角θ1大于入射角θ0，射線要向下偏折；當(dāng)電波進(jìn)入電離層后，由于電子濃度隨高度的增加而逐漸變大，各薄層的折射率依次變小，因此電波將連續(xù)地向下偏折，直到到達(dá)某一薄層處的入射角θn=90°時(shí)，電波開始回返，則稱此點(diǎn)為反射點(diǎn)。圖12-7電離層對(duì)電波的連續(xù)折射情況

對(duì)于線性媒質(zhì)空間，應(yīng)用折射定理可以證明下行回返路徑將與上行路徑對(duì)稱。設(shè)θ0為電波進(jìn)入電離層時(shí)的入射角，且n0=1。電波在第n層處到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，θn=90°，然后即開始折回地面，則由式(12-3-1)和式(12-3-2）可得下列關(guān)系:(12-3-3）或(12-3-4）2）最高可用頻率電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。當(dāng)入射角θ0一定時(shí),電離層能把電波反射回來的最高可用頻率為(12-3-5)式中,Nmax為電離層的最大電子濃度。頻率f越高，反射條件要求的Nn越大，所以要在較高處才能回返；Nn越大，電波反射后所到達(dá)的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)電波工作頻率高于fmax時(shí)，致使反射條件所要求的Nn值大于電離層的最大電子濃度Nmax值，由于電離層不存在比Nmax更大的電子濃度，因此電波不能被電離層“反射”回來，電波將穿透電離層進(jìn)入宇宙空間而不再返回地面，如圖12-8中的f5所示。這正是超短波和微波不能在電離層傳播的原因。圖12-8θ0一定而頻率不同時(shí)電波的軌跡3）電波反射狀況與入射角θ0的關(guān)系當(dāng)電波頻率一定時(shí)，由式(12-3-3）可知，電離層能把頻率為f的電波反射回來的最小入射角θ0min為(12-3-6）

入射角θ0越小，反射條件要求的Nn越大，則需在較高處才能反射。如果入射角過小，反射條件要求的Nn大于電離層的最大電子濃度Nmax，則電波將穿透電離層而不再返回，如圖12-9中的曲線4所示。圖12-9頻率一定時(shí)通信距離與入射角的關(guān)系4）最佳工作頻率fopt

電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)將耗散電波的能量，使電波發(fā)生衰減，但電離層對(duì)電波的吸收主要是在n1層和n2層。因此，為了減少電離層對(duì)電波的吸收，電波傳播應(yīng)盡可能采用較高的工作頻率。然而當(dāng)工作頻率過高時(shí)，電波需要到達(dá)電子濃度很大的地方才能被“反射”回來，這就大大增加了電波在電離層中的傳播距離，隨之也增大了電離層對(duì)電波的衰減。為此，通常取最佳工作頻率fopt為fopt=0.85fmax

還需要注意的是，電離層的n1層對(duì)電波的吸收是很嚴(yán)重的。因此當(dāng)夜晚n1層消失時(shí)，天波信號(hào)將增強(qiáng)，這正是晚上能接收到更多短波電臺(tái)的原因。(12-3-7)

總之，電離層通信具有以下特點(diǎn)：

(1)頻率的選擇很重要，頻率太高，電波將穿透電離層射向太空；頻率太低，電離層吸收太大，以至不能保證必要的信噪比。因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個(gè)頻率的確定，不僅與年、月、日、時(shí)有關(guān)，還與通信距離有關(guān)。同樣的電離層狀況，通信距離近的，最高可用頻率低，通信距離遠(yuǎn)的，最高可用頻率高。顯然，為了通信可靠，必須在不同時(shí)刻使用不同的頻率。但為了避免換頻的次數(shù)太多，通常一日之內(nèi)使用兩個(gè)（日頻和夜頻）或三個(gè)頻率。(2)電離層傳播的隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重，多徑時(shí)延較大，信道帶寬較窄。因此，它對(duì)傳輸信號(hào)的帶寬有很大限制。特別是對(duì)于數(shù)字通信來說，為了保證通信質(zhì)量，在接收時(shí)必須采用相應(yīng)的抗多徑措施。

(3)電離層傳播不太穩(wěn)定，衰減嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮衰減的影響，使電路設(shè)計(jì)留有足夠的電平余量。

(4)電離層所能反射的頻率范圍是有限的，一般是短波范圍。由于波段范圍較窄，因此短波電臺(tái)特別擁擠，電臺(tái)間的干擾很大。尤其在夜間，由于電離層吸收減小，電波傳播條件有所改善，臺(tái)間干擾更大。(5)由于電離層傳播是靠高空電離層的反射進(jìn)行的，因而受地面的吸收及障礙物的影響較小，也就是說這種傳播方式傳輸損耗較小，因此能以較小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

(6)電離層通信，特別是短波通信，建立迅速，機(jī)動(dòng)性好，設(shè)備簡(jiǎn)單，是短波、天波傳播的優(yōu)點(diǎn)之一。2．外層空間傳播電磁波由地面發(fā)出（或返回），經(jīng)低空大氣層和電離層而到達(dá)外層空間的傳播方式稱為外層空間傳播，如衛(wèi)星傳播，宇宙探測(cè)等均屬于這種遠(yuǎn)距離傳播。由于電磁波傳播的距離很遠(yuǎn)，且主要是在大氣以外的宇宙空間內(nèi)進(jìn)行的，而宇宙空間近似于真空狀態(tài)，因而電波在其中傳播時(shí)，它的傳輸特性比較穩(wěn)定。我們可以把電波穿過電離層而到達(dá)外層空間的傳播，基本上當(dāng)作自由空間中的傳播來研究。至于電波在大氣層中傳播所受到的影響，可以在考慮這一簡(jiǎn)單情況的基礎(chǔ)上加以修正。

地面波又稱表面波。地面波傳播是指電磁波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r。當(dāng)天線低架于地面，天線架設(shè)長(zhǎng)度比波長(zhǎng)小得多且最大輻射方向沿地面時(shí)，電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ模孛娴男再|(zhì)、地貌、地物等情況都會(huì)影響電波的傳播。在長(zhǎng)、中波波段和短波的低頻段（103～106Hz）均可用這種傳播方式。12.4地面波傳播

地面波沿地球表面附近的空間傳播，地面上有高低不平的山坡和房屋等障礙物，根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長(zhǎng)大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時(shí)，波才能明顯地繞到障礙物的后面。地面上的障礙物一般不太大，長(zhǎng)波可以很好地繞過它們，中波和中短波也能較好地繞過；短波和微波由于波長(zhǎng)過短，繞過障礙物的本領(lǐng)就很差了。由于障礙物的高度比波長(zhǎng)大，因而短波和微波在地面上不能繞射，而是沿直線傳播。為了使表面波的傳播效率更高，表面波適宜用垂直極化波。這是因?yàn)樗椒至吭诘孛嫔蠒?huì)引起較大的傳導(dǎo)電流，從而增加功率損失。也就是說，地面對(duì)水平極化波吸收大，因此表面波多采用垂直極化波，故需要采用垂直于地面的直立天線。

設(shè)有一直立天線架設(shè)于地面之上，它輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r(shí)，若大地是理想導(dǎo)體，則接收天線接收到的仍是垂直極化波（如圖12-10所示）。實(shí)際上，大地是非理想的導(dǎo)電媒質(zhì)，垂直極化波的電場(chǎng)沿地面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)在地面感應(yīng)出與其一起移動(dòng)的正電荷，進(jìn)而形成電流，從而產(chǎn)生歐姆損耗，造成大地對(duì)電波的吸收；并沿地表面形成較小的電場(chǎng)水平分量，致使波前傾斜，并變?yōu)闄E圓極化波，如圖12-11所示。顯然，波前的傾斜程度反映了大地對(duì)電波的吸收程度。圖12-10理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖12-11非理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu)

從以上內(nèi)容可以得到如下結(jié)論：

(1)垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí)，由于大地對(duì)電波能量的吸收作用，產(chǎn)生了沿傳播方向的電場(chǎng)縱向分量Ez1，因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況。當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高時(shí)，Ez1越大，說明傳播損耗越大。因此，地面波傳播主要用于長(zhǎng)、中波傳播，短波和米波小型電臺(tái)采用這種傳播方式工作時(shí)，只能進(jìn)行幾千米或十幾千米的近距離通信。海水的電導(dǎo)率比陸地的高，因此電波在海面上要比在陸地上傳得遠(yuǎn)得多。(2)地面波的波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實(shí)用意義。由于Ex1>>Ez1，故在地面上采用直立天線接收較為適宜。但在某些場(chǎng)合，由于受到條件的限制，可以采用低架水平天線接收。(3)