通信导论第五章电波传播教学材料.ppt

第五章电波传播与无线传输模式主要内容： 一. 电波传播基本概念；二. 电波传播主要方式；三. 电离层反射传播；四. 各波段传播的特点；一. 电波传播基本概念1、电磁波 我们知道，静电荷会在周围空间产生静电场，直流电流会在周围空间产生恒定磁场，电场和磁场的大小和方向可分别用电场强度和磁场强度来表示若在一根导线上加上交流电流，那么周围空间就会产生交变磁场，根据麦克斯威波动方程，一个变动的磁场又产生一交变电场，此电场再产生磁场，从而产生一连串能量移转能量从电场移转到磁场，再由磁场移转到电场，如此不断移转下去，表现为电磁场向远处不断传播，亦即电磁能量的辐射，这就是电磁波，亦称无线电波 电磁波的产生原理 表： 无线电波频段划分波段名称频率范围波长范围频段名称超长波3-30KHZ10103100103m甚低频VLF长波30-300KHZ110310103m低频LF中波300-1500KHZ2001103m中频MF短波中短波1.51036103KHZ50200m中高频IF短波630MHZ1050m高频HF超短波米波30300MHZ110m甚高频VHF分米波3003103MHZ10100cm超高频UHF微波厘米波310330103MHZ110cm特高频SHF毫米波30103300103MHZ110mm极高频EHF *也有将分米波高端称为微波。

2、自由空间的电波传播 无线电波在空间各点的电场和磁场，都是从波源出发并以一定速度向外传播若电波以速度v向前传播，经过t1时间后，到达距波源距离为r的P点，那么P点的电场相位就要比波源相位滞后，通常我们把电磁波相位相同的那些点的轨迹称为波前或波面显然，若波源近似看成一点，且在无限大的自由空间传播时，则r相同各点的相位是相同的，这样的波叫球面波 1.当距波源很远时，由于接收电波的面积与距离相比极小，波面可以看成平面，这种波称之为平面波 2.在自由空间传播时，通过某点单位面积的电磁波能量与传播距离r的平方成反比 球面波平面电磁波TEM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功率流密度又可以表示为无线电波在自由空间传播的能量变化由此, 离天线为r处的电场强度E值为 又假设发射天线是一实际天线, 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 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 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: 3、折射、反射、干涉和绕射 1）反射和折射现象式中v1、v2分别为电磁波在媒质1和媒质2中的传输速度，因为速度v= ，它和媒质的介电常数、导磁系数有关，除铁磁性物质外，一般物质的导磁系数均可近似认为等于自由空间的导磁系数0，即0，这样折射定律又可写成： 3、折射、反射、干涉和绕射2）波的干涉由同一波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达接收点，则接收点的场强是由不同路径来的电波的合成，这种现象称为波的干涉。

图中接收点的场强就是直射波和地面反射波的合成3、折射、反射、干涉和绕射3）绕射现象 电波在传播过程中有绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射由于波的绕射，电波可以绕过高低不平的地面或绕过一定高度的障碍物，到达接收地点，这也就是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的原因电波绕射能力与电波的波长有关，波长越长，绕射能力越强，波长越短，绕射能力越弱另外，当电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到各种有损耗的介质而损耗一部分能量 二、电波传播的主要方式地面波传播直接波传播对流层传播电离层传播（天波）地面卫星传播电波传播示意图1. 地面波传播 地面波传播（Ground Wave Propagation）指电波沿地球表面的绕射传播，也称表面波传播（Surface-Wave Propagation）当天线低架于地面时（天线架设高度小于波长时，称为低架天线），且最大辐射方向是沿地表面，这时电波传播的主要途径就是地面波传播，也叫地表波或地波传播电波沿地表面传播时，电磁波的能量不断被地面所吸收，因此地面上的场强要比自由空间传播时小得多，能量的衰减数值与地面的电参数有关，同时也和电波的频率及极化方向有关地面波传播规律与特点 地面波传播的波前倾斜现象 影响地面波传播损耗的因素影响地面波传播损耗的因素 1大地的导电性能越好，电波的传播损耗越小。

湿土比干土导电性能好，故电波在湿土上比干土损耗要小，海水导电性能最好，所以海洋上传播损耗最小 2电波频率越低损耗越小，因此，这种传播方式宜用于中波和长波短波和超短波电台在采用这种传播方式时，只能进行近距离通信 3电波的极化与传播损耗有关：由于水平极化波的电场分量与地面平行，因此传播过程中在地面引起较大的感应电流，致使电波产生很大的衰减所以地面波传播通常采用垂直极化波以减小损耗，也即用直立天线辐射电磁波地面波通信特点 1通信情况稳定因为地面波是沿地表面传播的，地波通信不会因时间、季节和气候的变化而有显著的影响 2通信距离与工作频段关系极大军用短波或米波波段用地波传播方式时，受电台功率的限制，通信距离一般在小几十公里范围内而中波地面波广播通信距离可以超过100公里3、长波地面波通信在军事上有特殊意义2. 直接波传播 当收发天线架设较高的情况下，到达接收点的电波由直射波与地面反射波合成，如图所示，叫做直接波传播由于长波与中短波天线一般是接地的，不能把电磁场由很高处集中辐射而超短波波段则可以高架（即天线离地面距离远大于波长），而且地面波衰减很快所以这一传播方式主要用于超短波与微波波段微波中继通信与移动通信系统主要采用这一方式。

直接波传播，接收点场强有起伏现象 直射波所能达到的最远距离 实际上当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响，在标准大气折射情况下，等效地球半径为R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离: R=6375Km等效地球半径的概念对流层、同温层和电离层 大气层可分为对流层、同温层和电离层对流层离地面约1012公里以内，大气是互相对流的；离地面大约1080公里的空间，称为同温层，气体对流现象减小，随高度增加温度略有升高，它对电波传播基本上没有什么影响；在离地面80400公里空间，是电离层电离层中，气体由于受阳光中紫外线及其它宇宙射线的照射，电离成为正离子和自由电子3. 对流层散射 (Troposcatter)传播 由于对流层中大气温度（T）、压力（P）和湿度（S）等变化使大气介电常数也随着高度而变化特别是由于大气的湍流运动，使得对流层内存在着许许多多介电常数作随机变化的不均匀介质团，每一不均匀介质团的尺寸平均约50米60米当无线电波投射到这些不均匀介质团时，每一不均匀介质团就变成一个二次波源，向周围散射电磁波，其中一部分能量就被散射到接收地点而被接收天线所接收，这就形成了对流层散射通信 这种通信方式在军事通信中有很多应用。

散射传播应用频率约在1004000MHz范围、通信距离约在100700公里范围对流层散射数字通信系统概念1）对流层散射信道是典型的变参信道，为了提高通信的可靠性，要对信道进行改造，办法是采用分集接收2）对流层散射信号在接收端强度很弱，所以对流层散射数字通信系统一般都需要大功率发射机，高增益大天线，灵敏度非常好的接收机3）对流层散射数字传输系统的设计，信息传输速度一般小于10 Mbits/s ,误比特率一般在10-4左右，如果用于数据传输，需要采用很好的差错控制技术4）点到点传输距离100到200公里比较合适4. 电离层传播(Ionospheric Propagation) 电离层中，气体由于受阳光中紫外线及其它宇宙射线的照射，电离成为正离子和自由电子当无线电波投射到电离层以后，经电离层“反射”而再返回地面，从而构成甲乙两地的天波传播（Sky Wave Propagation）从长波到短波波段都可以利用天波传播方式，目前，它仍是无线电远程通信的主要传播方式之一电离层大致可分为 D、E、F1、F2四层各电离层高度及平均电子密度 层 名离地面高度He（km）电子密度N（电子数/cm3）特 点D6090103夜间消失E901505103105电子密度白天大，夜间小F11502004105夜间消失，常出现在夏季白天。

F22004501052105夜间小，白天大；夏季小，冬季大电离层变化规律 1.日夜变化：由于太阳照射程度的不同，白天电子密度比夜间大，中午又比早晚大；D层在日落以后很快消失，而E层和F层电子密度减少很慢，到日出以后，各层电子密度又开始增长，到正午前后达最大值 2.季节变化：由于不同季节太阳照射不同，故一般夏季电子密度大于冬季，但F2层例外，下图表示出电离层的日夜和季节变化 3. 受太阳活动影响的变化 电离层的日夜和季节变化 电离层受太阳活动影响的变化 太阳黑子数目随年份的的变化 太阳活动性一般以太阳一年的平均黑子数来代表，黑子数目增加时，太阳所辐射的能量增强，因而各层电子密度大黑子的数目每年都在变化，但是根据长期观察证明，它的变化也是有一定规律的，从图可以看出太阳黑子的变化周期大约是11年，因此电离层的电子密度也与这11年变化周期有关三、电离层对电波传播的影响 电离层的等效电参数（1）电离层的相对介电常数总是小于1，而且它随着电离层的电子密度N变化而变化2）电波在电离层的传播速率是大于光速的（3）电离层的主要电参数都与电波频率有关 电离层对电波的反射作用电离层对电波的“反射”作用 当无线电波以入射角0从空气投射到电离层以后，由于电离层的电子密度N，随着距离地面高度的增加而增加。

因此电波在电离层内传播速度也是逐渐增加的，这就使得电波在电离层内传播的轨迹将沿曲线传播 电离层的电子密度分布是不均匀的，但是可以将每一层（例如D、E、F1 或F2层）划分为许多薄层，每一薄层中的电子密度可看成均匀的中间薄层的电子密度N最大，相对介电常数0最小，则电波传播速度v最大；上下各薄层的电子密度较小，相对介质常数则比较大，电波传播速度较小下图画出了某一电离层的下半部分层的情形，以及电波在电离层内连续折射的情况电波在电离层内连续折射示意图 电波以入射角0投射电离层后，由于各薄层电子密度是自下而上依次增大的，相对介电常数依次减小，即 N1 N2 N3Nm 123m因此电波通过每一薄层时都要折射一次当电波从相对介电常数大的媒质进入相对介电常数小的媒质时，电波是向偏离法线的方向偏折的，结果使电波传播方向逐渐向下偏折，电波能从电离层反射下来的条件是： Nn是电波能从电离层反射下来时在反射点（0=90）处的电子密度 对“反射”条件的进一步分析 1.当频率一定的电波投射到电离层时，入射角0愈大，电波愈容易反射2.入射角大，电波传播距离远；入射角小，电波传播距离近；当入射角小到某一数值时，例如图中的射线，电波传播的距离最近，入射角再减小时，电波将穿透电离层而不再返回地面了，如射线所示。

3.当电波以一定入射角0投射到电离层时，频率f愈高，使电波折回地面所需要的Nn值就愈大，也即电波愈深入电离层当电波频率高到某一数值时，满足反射条件所需要的电子密度Nn大于某层电离层的最大电子密度Nmax时，则此电波将穿透该电离层不同入射角时电波轨迹 入射角大，电波传播距离远；入射角小，电波传播距离近；入射角太小，在频率高时就会穿出电离层在地波与天波都到不了的地方叫“盲区”不同频率时的电波轨迹 频率f愈高，使电波折回地面所需要的Nn值就愈大，也即电波愈深入电离层，传得愈远；但频率太高，会穿出电离层入射角为0时穿出电离层的频率叫“临界频率”短波通信时工作频率选择（1）频率选择尽量高，但不能高出最高可用频率取决于电子密度与通信距离有关（2）工作频率昼夜变化，但尽量接近最佳频率（3）更换昼夜频率，尽量选择日出与日落时（4）多个电台同时工。