第7章微波技术与天线.ppt

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1、第7章 电波传播概论7.1 电波传播的基本概念电波传播的基本概念7.2 视距传播视距传播7.3 天波传播天波传播7.4 地面波传播地面波传播7.5 不均匀媒质的散射传播不均匀媒质的散射传播习习 题题 第第7 7章章 电波传播概论电波传播概论第7章 电波传播概论7.1电波传播的基本概念电波传播的基本概念 1.无线电波在自由空间的传播无线电波在自由空间的传播 天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为P瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为(7-1-1)204 rPS2m/W第7章 电波传播概论由此,离天线为r处的电场强度E0值为 rPE600 又假设发射天线是一实

2、际天线,其辐射功率仍为P,设它的输入功率为Pi,若以Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天线r处的最大辐射方向上的场强为rGPEii600(7-1-2)(7-1-3)(7-1-4)功率流密度又可以表示为240|*)Re(2100EHES第7章 电波传播概论 如果接收天线的增益系数为GR,有效接收面积为Ae,则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率为44R22iie0RGrGPASP 将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗:将上式取对数得 Ribflg10PPL)dB()dB()km(lg20)MHZ(lg2045.32RiGGrf(7-1-5)(7-1-6)(7-1-7)Ri

3、2Ribf14GGrPPL第7章 电波传播概论 2.传输媒质对电波传播的影响传输媒质对电波传播的影响 (1)传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下,设接收点的实际场强E、功率PR，而自由空间的场强为E0、功率为PR，则信道的衰减因子A为0()20lg10lgRREPA dBEP(7-1-8)第7章 电波传播概论则传输损耗Lb为10lg10lg10lg()iiRbbfRRRPPPLLAdBPPP 若不

4、考虑天线的影响,即令Gi=GR=1,则实际的传输损耗为 dB)km(lg20)MHz(lg2045.32bArfL 式中,前三项为自由空间损耗Lbf；A为实际媒质的损耗。不同的传播方式、传播媒质,信道的传输损耗不同。(7-1-9)(7-1-10)第7章 电波传播概论 (2)衰落现象 所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。根据引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号的

5、衰落。由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,如图 7-1(a)所示。慢衰落通常是指信号电平的中值（五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的起伏变化。第7章 电波传播概论图 7 1 衰落现象第7章 电波传播概论 干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中,由于收、发两点间存在若干条传播路径,典型的如天波传播、不均匀媒质传播等，在这些传播方式中,传输媒质具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短,信号电平变化很快,故称为快衰落,如图7-1(b)所示。这种衰落在移动通信信道中表现得更为明显。快衰

6、落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内观察时,前者表现明显,后者不易被察觉。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）来加以克服。第7章 电波传播概论 (3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据一定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起波形失真。至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具

7、体信道的传输情况而定。第7章 电波传播概论 设接收点的场是两条路径传来的相位差为=的两个电场的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。对所传输信号中的每个频率成分,相同的值引起不同的相差。例如对f1，若1=1=,则因二矢量反相抵消,此分量的合成场强呈现最小值；而对f2,若2=2=2,则因二矢量同相相加,此分量的合成场强呈现最大值，如图 7 2(b)所示。其余各成分依次类推。显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。所以一般情况下,信号带宽不能超过1/。因此，引入相关带宽的概念，定义相关带宽:1f(7-1-11)第7章 电波传播概论图7-2 多径传输效应第7章 电波传播概论

8、 (4)电波传播方向的变化 当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的:不同媒质的分界处将使电波折射、反射;媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号产生严重的衰落。因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变化也是重要内容之一。第7章 电波传播概论7.2 视距传播视距传播 1.视线距离视线距离 设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图7-3）,由于地球曲率的影响,当两天

9、线A、B间的距离rrv时,两天线互相“看得见”,当rrv时,两天线互相“看不见”,距离rv为收、发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离,简称视距。图 7-3 中,AB与地球表面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式:)(221vhhar(7-2-1)第7章 电波传播概论图7-3 视线距离第7章 电波传播概论将地球半径a=6.370106m代入上式,即有32110)(57.3hhrv 式中，h1和h2的单位为米。视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电波产生折射与衰减。由于大气层是非均匀媒质,其压力、温度与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数。(7-2-2)m第7章

10、 电波传播概论 在标准大气压下,大气层的介电常数r随高度增加而减小，并逐渐趋近于1,因此大气层的折射率n=随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,各薄层的折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图 7-4 所示。当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公式应修正为rm10)(12.4)(232121evhhhhar 在光学上,rrv的区域称为照明区,rrv的区域称为阴影区。第7章 电波传播概论 于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学的观点划分区域。通常把r0.8r

11、v的区域称为照明区,将r1.2rv的区域称为阴影区,而把0.8rvr1.2rv的区域称为半照明半阴影区。第7章 电波传播概论图 7 4 大气层对电波的折射第7章 电波传播概论 2.大气对电波的衰减大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比。当工作波长短于5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,尤其当工作波长短于3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重。就云、雾、雨、雪

12、对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最为严重,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。第7章 电波传播概论 3.场分析场分析 在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。设h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收、发天线间距,E为接收点场强,E1为直射波,E2为反射波。根据上面的分析,接收点的场强为 E=E1+E2(7-2-4)第7章 电波传播概论图 7 5 直射波与反射波第7章

13、电波传播概论 式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e j,f()为天线方向函数。如果两天线间距离dh1,h2,则有(7-2-5)rfREErfEErkkrj02j01e)(e)(FrfEaEkrj0e)(（7-2-6）其中第7章 电波传播概论)(je1rrkRF式中，而dhhdhhdhhrr2121222122)(2)(将其代入式（7 2 7）得)/(j212e1dhhkRF当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有 RHRV-1(7-2-7)(7-2-8)(7-2-9)(7-2-10)第7章 电波传播概论式中,RH为水平极化波的反射系数;RV垂直极化波的反射系数。对于视距通信电路来说,

14、电波的射线仰角是很小的（通常小于1）,所以有dhhFdhhk21/2j2sin2e121（7-2-11）第7章 电波传播概论 由上式可得到下列结论:当工作波长和收、发天线间距不变时,接收点场强随天线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间波动，如图 7-6 所示。当工作波长和两天线高度h1和h2都不变时,接收点场强随两天线间距的增大而呈波动变化,间距减小，波动范围减小，如图 7-7所示。当两天线高度h1和h2和间距d不变时,接收点场强随工作波长呈波动变化，如图 7-8 所示。第7章 电波传播概论 图 7 6 接收点场强随天线高度的变化曲第7章 电波传播概论图 7 7 接收点场强随间距d的变化曲

15、线第7章 电波传播概论图 7 8 接收点场强随工作波长的变化曲线第7章 电波传播概论7.3 天波传播天波传播 1.电离层概况电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为D,E,F1,F2四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 7-9所示。电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照密切相关白天大,晚间小,而且晚间D层消失;电离层电子密度又随四季不同而发生变化。第7章 电波传播概论图 7-9 电离层电子密度的高度分布 第7章 电波传播概论 2.无线电波在电

16、离层中的传播无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为2er8.801fN其折射率为18.8012efNn式中,f为电波的频率。(7-3-1)(7-3-2)第7章 电波传播概论 当电波入射到空气电离层界面时,由于电离层折射率小于空气折射率,折射角大于入射角,射线要向下偏折。当电波进入电离层后,由于电子密度随高度的增加而逐渐减小,因此各薄片层的折射率依次变小,电波将连续下折,直至到达某一高度处电波开始折回地面。可见,电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。如图 7-10,在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1=ni sini式中,n0为空气折射率,n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。(7-3-3)第7章 电波传播概论图 7 10 电离层对电波的连续折射第7章 电波传播概论208.801sinfNnii0sec8.80iNf 上式揭示了天波传播时,电波频率f(Hz)与入射角0和