無線電波傳播的基礎(chǔ)知識.課件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,按一下以編輯母片標(biāo)題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,*,*,按一下以編輯母片標(biāo)題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,*,*,按一下以編輯母片標(biāo)題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,*,*,無線電波傳播的基礎(chǔ)知識,RD4 朱寧,目錄,1,概述,2,電波傳播頻段的典型應(yīng)用,3,幾種主要的電波傳播方式,4,自由空間電波傳播,5,惠更斯,菲涅耳原理,6,電波傳播的菲涅爾區(qū),7,極限直視距離,8,理想的戶外測試環(huán)境,1,概述,人類正在觀測研究和利用的電磁波，其頻率低至千分之幾赫（地磁脈動），高達(dá),1030Hz,量級（宇宙射線），相應(yīng)的波長從,1011m,短至,10-20m,以下電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳遞,在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去；,電磁波頻率高時(shí)既可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞,。

在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量電磁波為橫波電磁波速度等于光速,c,（每秒,310,的,8,次方米）公式,c=f(,波長,，電磁每秒鐘變動的次數(shù)便是頻率,f),電磁波通過不同介質(zhì)時(shí)，會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等,機(jī)械波與電磁波都能發(fā)生折射,反射,衍射,干涉,因?yàn)樗械牟ǘ季哂胁上笮?.,折射,反射屬于粒子性；衍射,干涉為波動性按序排列的頻率分布稱為頻譜（或波譜），在整個(gè)電磁波譜中，無線電波頻段（,RadioFrequency Band,）的劃分見,P5,表超低頻,典型應(yīng)用為地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，電離層與磁層研究，對潛通信，地震電磁輻射前兆檢測極低頻,典型應(yīng)用為對潛通信，地下通信，極穩(wěn)定的全球通信，地下遙感，電離層與磁層研究甚低頻,典型應(yīng)用為,Omega(,美,),、,（俄）超遠(yuǎn)程及水下相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，全球電報(bào)通信及對潛指揮通信，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，地質(zhì)探測低頻,典型應(yīng)用為,LoranC,（美）及我國長河二號遠(yuǎn)程脈沖相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，遠(yuǎn)程通信廣播。

中頻,用于廣播、通信、導(dǎo)航（機(jī)場著陸系統(tǒng)）,高頻,用于遠(yuǎn)距離通信廣播，超視距天波及地波雷達(dá)，超視距地,-,空通信2,電波傳播頻段的典型應(yīng)用,米波,用于語音廣播，移動（包括衛(wèi)星移動）通信，接力（,50km,跳距）通信，航空導(dǎo)航信標(biāo),分米波,用于電視廣播，飛機(jī)導(dǎo)航、著陸，警戒雷達(dá)，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng)，蜂窩無線電通信厘米波,用于多路語音與電視信道，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感，固定及移動衛(wèi)星信道毫米波,用于短路徑通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感此波段及以上波段的系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展亞毫米波,用于短路徑通信地面波傳播,表面波傳播是指電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ那闆r這時(shí)電波是緊靠著地面?zhèn)鞑サ模孛娴男再|(zhì)，地貌、地物等的情況都會影響電波的傳播當(dāng)電波緊靠著起伏不平的地面?zhèn)鞑r(shí)，由于地球表面是半導(dǎo)體，因此一方面使電波發(fā)生變化和引起電波的吸收另一方面由于地球表面是球型，使沿它傳播的電波發(fā)生繞射3,幾種主要的電波傳播方式,從物理知識中我們已經(jīng)知道，只有當(dāng)波長與障礙物高度可以比較的時(shí)候，才能有繞射功能在,實(shí)際情況中只有長波、中波以及短波的部分波段能繞過地球表面的大部分障礙到達(dá)較遠(yuǎn)的地方,在短波的部分,波段和超短波、微波波段,，由于障礙高度比波長大，因而,電波在地面上不繞射，而是按直線傳播,。

天波傳播,發(fā)射天線向高空輻射的電波在電離層內(nèi)經(jīng)過連續(xù)折射而返回地面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為天波傳播盡管,中波、短波,都可以采用這種傳播方式，但是仍然以短波為主它的優(yōu)點(diǎn)是能以較小的功率進(jìn)行可達(dá)數(shù)千千米的遠(yuǎn)距離傳播天波傳播的規(guī)律與電離層密切相關(guān)，由于電離層具有隨機(jī)變化的特點(diǎn)，因此天波信號的衰落現(xiàn)象也比較嚴(yán)重視距傳播,電波依靠發(fā)射天線與接收天線之間的直視的傳播方式稱為視距傳播（,Line of sight,）它可以分為地,-,地視距傳播和地,-,空視距傳播視距傳播的工作頻段為超短波及微波波段,此種工作方式要求天線具有強(qiáng)方向性并且有足夠高的架設(shè)高度信號在傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波和地面反射波之間的干涉,在,幾千兆赫和更高的頻率上，還必須考慮雨和大氣成分的衰減及散射作用在較高的頻率上，山、建筑物和樹木等對電磁波的散射和繞射作用變得更加顯著,除了上述,3,種基本的傳播方式外，還有散射傳播,散射傳播是利用低空對流層、高空電離層下緣的不均勻的,“,介質(zhì)團(tuán),”,對電波的散射特性來達(dá)到傳播目的的散射傳播的距離可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地,-,地視距傳播的視距對流層散射主要用于,100MHz10GHz,頻段,，傳播距離,r,1000km,。

散射通信的主要優(yōu)點(diǎn)是距離遠(yuǎn)，抗毀性好，保密性強(qiáng)4 自由空間電波傳播,不同的電波傳播方式反映在不同傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響不同，帶來的損耗不同但是即使在自由空間傳播，電波在傳播的過程中的功率密度也不斷衰減為了便于對各種傳播方式進(jìn)行定量的比較，有必要先進(jìn)行電波在自由空間傳播的討論dBm,的概念,:dBm,即分貝毫瓦功率單位,與,P,（瓦特）換算公式：,(10*P)dBm=(10*P)dB-30dB(P:,瓦,),純計(jì)數(shù)單位,首先，,DB,是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位：對于功率，,dB=10*lg(A/B),對于電壓或電流，,dB=20*lg(A/B).dB,的意義其實(shí)再簡單不過了，就是把一個(gè)很大（后面跟一長串,0,的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L串,0,的）的數(shù)比較簡短地表示出來如：,個(gè),),10lgX=150dB,X=0.000000000000001,10lgX=-150 dB,dBm,定義的是,miliwatt,0 dBm=10lg1mw,；,dBw,定義,watt,0 dBw=10lg1 W=10lg1000 mw=30 dBm,dBm,功率轉(zhuǎn)換表,DBm,功 率（,W,）,dBm,功 率（,W,）,dBm,功 率（,W,）,dBm,功 率（,W,）,0,0.001,16,0.04,31,1.28,46,40,1,0.00125,17,0.048,32,1.6,47,51.2,3,0.002,18,0.064,33,2,48,64,4,0.0025,19,0.08,34,2.56,49,80,5,0.003,20,0.1,35,3.2,50,100,6,0.004,21,0.128,36,4,51,128,7,0.005,22,0.16,37,5.12,52,160,8,0.006,23,0.2,38,6.4,53,200,9,0.008,24,0.256,39,8,54,256,10,0.01,25,0.32,40,10,55,320,11,0.012,26,0.4,41,12.8,56,400,12,0.016,27,0.512,42,16,57,512,13,0.02,28,0.64,43,20,58,640,14,0.024,29,0.8,44,25.6,59,800,15,0.032,30,1,45,32,60,1000,dBm=10logmW mW=Lg(dBm/10),自由空間傳播損耗,（,Free Space Propagation Loss,）的定義,當(dāng)發(fā)射天線與接收天線的方向系數(shù)都為,1,時(shí)，發(fā)射天線的輻射功率,P,r,與接收天線的最佳接收功率,P,L,的比值，記為,L,0,，,即,或,如果實(shí)際情況下的接收點(diǎn)的場強(qiáng)為,E,，而自由空間傳播的場強(qiáng)為,E,0,，定義比值,|,E,/,E,0,|,為衰減因子（,Attenuation Factor,），記為,A,，,于是,相應(yīng)的衰減損耗為,A,與工作頻率、傳播距離、媒質(zhì)電參數(shù)、地貌地物、傳播方式等因素有關(guān)。

考慮了上述路徑帶來的衰減以后，為了表明傳輸路徑的功率傳輸情況，常常引入,路徑傳輸損耗,（,Propagation Path Loss,記為,L,b,，即,發(fā)射天線的輸入功率為,P,in,，增益系數(shù)為,G,r,，接收天線的增益系數(shù)為,G,L,實(shí)際的傳輸電道,，定義發(fā)射天線輸入功率與接收天線輸出功率之比為該電道的傳輸損耗,L,（,Propagation Loss,），即,在路徑傳輸損耗,L,b,為客觀存在的前提下，降低傳輸損,耗,L,的重要措施就是,提高收、發(fā)天線的增益系數(shù),雖然自由空間是一種理想介質(zhì)，是不會吸收能量的，但是隨著傳播距離的增大導(dǎo)致發(fā)射天線的輻射功率分布在更大的球面上，因此自由空間傳播損耗是一種擴(kuò)散式的能量自然損耗當(dāng)電波頻率提高,1,倍或傳播距離增加,1,倍時(shí)，自由空間傳播損耗分別增加,6dB,公式舉例,光在傳播過程中遇到障礙物，光波會繞過障礙物繼續(xù)傳播如果波長與障礙物相當(dāng)，衍射現(xiàn)象最明顯惠更斯原理,-,介質(zhì)中波動傳播到的各點(diǎn)，都可看成是發(fā)射子波的新波源，在以后的任何時(shí)刻，這些子波的包跡就是新的波陣面惠更斯原理只能定性解釋波的衍射現(xiàn)象，不能給出波的強(qiáng)度，不能解釋衍射現(xiàn)象中明暗相間條紋的形成。

菲涅耳在惠更斯原理基礎(chǔ)上加以補(bǔ)充,，給出了關(guān)于位相和振幅的定量描述，提出,子波相干疊加,的概念從同一波面上各點(diǎn)發(fā)出的子波，在傳播到空間某一點(diǎn)時(shí)，各個(gè)子波之間也可以互相迭加而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象這個(gè)經(jīng)菲涅爾發(fā)展的惠更斯原理稱為,惠更斯,菲涅耳原理,5,惠更斯,菲涅耳原理,6 電波傳播的菲涅爾區(qū),理想的自由空間應(yīng)是無邊際的，但是這樣的空間是不存在的而對,某一特定方向而言，卻存在著能否視為自由空間傳播的概念，更有其實(shí)際的意義,對此，需要介紹電波傳播的,菲涅爾區(qū),概念空間,A,處有一球面波源，為了討論它的輻射場的大小，根據(jù)惠更斯,-,菲涅爾原理，可以做一個(gè),與之同心、半徑為,R,的球面,，該球面上所有的,同相惠更斯源,對于遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn),P,來說，可以視為二次波源如果,P,點(diǎn)與,A,點(diǎn)相距,d,=,R,+,r,0,，為了計(jì)算方便起見，我們將球面,S,分成許多環(huán)形帶,N,n,(,n,=1,2,3,:),，并使,相鄰兩帶的邊緣到觀察點(diǎn)的距離相差半個(gè)波長,（物理學(xué)上稱這種環(huán)帶為,菲涅爾帶（,Fesnel Zone,），即,菲涅爾半波帶,(a),剖面圖,(b),仰視的菲涅爾環(huán)形帶,盡管在自由空間從波源,A,輻射到觀察點(diǎn),P,的電波，從波動光學(xué)的觀點(diǎn)看,可以認(rèn)為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的，但起最重要作用的是,第一菲涅爾區(qū),。

作為粗略近似，,只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地形地物遮擋，就能得到自由空間傳播時(shí)的場強(qiáng),所以在實(shí)際的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對第一菲涅爾區(qū)的尺寸非常關(guān)注,第一菲涅爾區(qū)半徑,實(shí)際上，劃分菲涅爾半波帶的球面是任意選取的，因此當(dāng)球面半徑,R,變化時(shí)，盡管各菲涅爾區(qū)的尺寸也在變化，但是它們的幾何定義不變而它們的幾何定義恰恰就是以,A,、,P,兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓定義如圖所示，如果考慮到以傳播路徑為軸線的旋轉(zhuǎn)對稱性，不同位置的同一菲涅爾半波帶的外圍輪廓線應(yīng)是一個(gè)以收、發(fā)兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球我們稱第一菲涅爾橢球?yàn)殡姴▊鞑サ闹饕ǖ婪颇鶢枡E球,波長越短，第一菲涅爾區(qū)半徑越小,，對應(yīng)的第一菲涅爾橢球越細(xì)長對于波長非常短的光學(xué)波段，橢球體更加細(xì)長，因而產(chǎn)生了光學(xué)中研究過的純粹的射線傳播由于電波傳播的主要通道并不是一條直線，因此即使某凸出物并沒有擋住收、發(fā)兩點(diǎn)間的幾何射線，但是已進(jìn)入了第一菲涅爾橢球，此時(shí)接收點(diǎn)的場強(qiáng)已經(jīng)受到影響，該收、發(fā)兩點(diǎn)之間不能視為自由空間傳播而,當(dāng)凸出物未進(jìn)入第一菲涅爾橢球，即電波傳播的主要通道，此時(shí)才可以認(rèn)為該收、發(fā)兩點(diǎn)之。