第二讲电波传播基础.ppt

2012, May. 8,第二讲 电波传播基础,,传输媒质对电波传播的影响,电波传播方式分类,内容安排,干扰与噪声,自由空间电波传播,天线或自然辐射源所辐射的无线电波，在媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）中的传播过程就称为无线电波传播 根据不同频段的电波在媒质中传播的物理过程，可将电波传播方式分为地波传播、对流层电波传播、电离层传播、地—电离层波导传播以及外大气层及星际空间电波传播地波传播 无线电波沿着地球表面的传播就称为地波传播主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对潜通信等业务传播特点是：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄电波传播方式分类,对流层电波传播 无线电波在低空大气层—对流层中的传播就称为对流层电波传播按传播机制可分为： ①视距传播当收发天线架设高度较高（远大于波长），电波直接从发射天线传播至接收点（有时有反射波到达），亦称直射波传播主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务其主要传播特点是：传播距离限于视线距离以内，一般为10~50 km；频率愈高受地形影响愈大；微波衰落现象严重；10 GHz以上电波、大气吸收及雨衰减严重。

电波传播方式分类,②散射传播利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播，常用频段200 MHz~5GHz由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备单跳跨距可达300~800 km，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区电离层电波传播 无线电波经电离层反射或散射后达到接收点的一种传播方式依传播机制又可分为： ①电离层反射传播，通常称为天波传播主要用于中、短波远距离广播、通信、船岸间航海移动通信，飞机地面间航空移动通信等业务主要特点是：传播损耗,电波传播方式分类,小，可以较小功率进行远距离传播；衰落现象严重；短波传播受电离层扰动影响大 ②电离层散射传播，利用电离层中电子浓度不均匀性（通常发生在地面高度90~110 km处），对电波的散射作用完成远距离通信得常用的频段为35~70 MHz其主要传播特点是：传输损耗大；允许传输频带窄，一般为3~5 kHz；衰落现象明显但单跳跨距可达1000~2000 km特别是当电离层受到骚扰时，仍可保持通信 ③流行电离余迹反（散）射传播，利用发生在80~120 km处流行电离余迹对电波的反（散）射作用，可实现2000 km以内的远距离传播。

常用频段为30~70 MHz由于流星余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它建立瞬间通信，在军事上应用较多电波传播方式分类,地—电离层波导传播 电波在以地球表面及电离层下缘为界的地壳形空间内传播主要用于低频、甚低频远距离通信及标准频率和时间信号的传播其主要传播特点是：传输损耗小，受电离层扰动影响小，传播相位稳定，有良好地可预测性，但大气噪声电平高，工作频带窄外大气层及行星际空间电波传播 电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象，在地—空或空—空之间传播目前主要应用于卫星通信、宇宙通信及无线电探测、测控等业务中其传播的主要特点是：因距离远，自由空间传输损耗大，在地—空电路中要受到对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速粒子的影响，例如10 GHz以上的电波大气吸收和降雨衰减严重电波传播方式分类,如上介绍的五种电波传播方式，实际工作中往往取其一种作为主要的电波传播途径，在某些条件下可能几种传播途径并存，例如中波广播业务，某些地区既可收到经电离层反射的天波信号，同时又可收到沿地表传播的地波信号通常是根据不同频段电波传播的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。

在利用电波传递信息、完成无线电通信、广播电视、导航、遥控遥测、雷达等业务中，掌握电波传播的特点及其规律，以及进行必要的传输特性的估算（传输损耗、干扰信号及噪声电平、衰落、时延、交叉极化特性等），是研究各种无线电信道特性和正确论证、设计组织使用各种无线电系统的重要依据电波传播方式分类,,传输媒质对电波传播的影响,电波传播方式分类,内容安排,干扰与噪声,自由空间电波传播,自由空间 自由空间是一种理想情况，通常指充满均匀、无耗媒质的无限大空间，并具有各向同性、电导率σ=0、相对介电常数εr=1及相对磁导率μr=1为各种传播方式提供了一个进行比较的标准，同时也为了简化电波传输损耗的计算 设一天线置于自由空间，在其最大辐射方向上、距离为d的接收点处产生的场强为 pt为发射天线输入功率（W），Gt为发射天线增益，d为距离（m），E0为自由空间场强振幅值为便于实用，或写成：,自由空间电波传播,(1),当接收天线与来波极化匹配并与负载阻抗匹配时，其接收功率为 式中S为坡印廷矢量（W/m2）, Ae为接收天线的有效面积（m2），Pt为发射天线的输入功率（W），Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益，λ为自由空间电波的波长（m）。

实际中若要设计一条通信链路，要对发射机功率、天线增益、接收机灵敏度等提出合理指标要求，一般要进行信道计算，而其中对信道传输损耗的考量是其中重要内容自由空间电波传播,(2),(3),传输损耗—度量电波在传输过程中信号电平的衰减程度对于自由空间，电波的衰减可用“自由空间传输损耗”Lbf来度量， Lbf定义为在自由空间内两个理想点源天线（G=1）之间的传输损耗，即自由空间内，增益Gt=1的发射天线的输入功率Pt与Gr=1的接收天线的输出功率Pr之比，即上式代入(3)中，得若以分贝(dB)表示,自由空间电波传播,(4),(5),(6),或可写为 由（7）知，当电波频率提高一倍或传播距离增加一倍时，自由空间传输损耗将增加6 dB自由空间的传输损耗反映了球面波的扩散损耗，是随着传播距离的增大，能量的自然扩散而引起的损耗自由空间电波传播,(7),,传输媒质对电波传播的影响,电波传播方式分类,内容安排,干扰与噪声,自由空间电波传播,传输损耗 电波在实际中是在有耗媒质中传播的，因此接收点的场强总是小于自由空间传播时的场强设实际情况下接收点场强E（振幅值）的表达式为 式中A=|E|/|E0|称衰减因子，它与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物情况、传播方式等因素有关。

相应的坡印廷矢量和接收功率分别表示为：,传输媒质对电波传播的影响,(8),(9),(10),对于某一传输电路，发射天线输入功率与接收天线输入功率（满足匹配条件）之比，定义为该电路的传输损耗L，即 若用分贝表示，则为 由于A<1，因此A（dB）是一负值，它反映了对电波能量的吸收，因而使电路的传输损耗增加舍去设备因素的影响（令Gt=Gr=0 dB）,,传输媒质对电波传播的影响,(11),(12),(13),（13）表示信道（即传输媒质）中功率的传输情况，称为“路径传输损耗”或称为“基本传输损耗”由于衰减因子A随不同的传播方式、不同的传播情况而异，因此A的计算将结合各种传播方式来定义衰落 衰落，一般是指信号电平随时间而随机起伏的现象信号电平有几秒或几分钟内快速的变化（快衰落），也有几十分钟或几小时至几天、几个月内出现缓慢的变化（慢衰落） 根据引起衰落的原因，可分为吸收型衰落和干涉型衰落传输媒质对电波传播的影响,吸收型衰落 吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化，使得信号衰减发生相应的改变而引起的如电离层的电子浓度有明显的日变化、月变化、年变化等，因而使电离层的等效参数εr、σ等相应改变，经电离层反射的信号电平亦相应起伏变化。

由于媒质的变化是随机的、缓慢的，因此由这种机理形成信号电平的变化也是缓慢的，故吸收型衰落是慢衰落干涉型衰落 干涉型衰落是由随机的多径传输引起的接收点场强是不同传输路径的场的叠加，只要各路径的相对时延稍有变化，合成信号电平就会有明显的快速起伏，表现出快衰落的特性，故干涉型衰落又称为多径衰落传输媒质对电波传播的影响,事实上，信号的快衰落与慢衰落兼而有之，快衰落往往叠加在慢衰落之上，只不过在较短时间内观测时，后者不易被察觉，而前者则表现明显信号电平的衰落情况如图1所示 由于信号衰落是随机的，人们只能掌握信号随时间变化的统计规律通常是用信号电平中值、衰落幅度（或衰落深度）、衰落率、衰落持续时间等参数来说明信号的衰落统计特性传输媒质对电波传播的影响,(a) 慢衰落,(b) 快衰落,图1 信号衰落,传输失真 无线电波通过媒质时除产生传输损耗外，还会产生失真对模拟信号而言，振幅失真和相位失真将使信号畸变，信号逼真度下降；对数值信号而言，则将提升误码率一般而言，产生失真的原因一是媒质的色散效应，二是随机多径传输效应色散效应 色散效应是由于不同频率的无线电波，在媒质中传播速度有差别而引起的信号失真。

载有信息的无线电信号总是占据一定频带，当电波通过媒质传播到达接收点时，由于各频率分量的传播速度不同，因而不能保持原来信号中的相位关系，引起波形失真具有色散效应的媒质就是色散媒质如电离层对30 MHz以下的电波就有色散效应传输媒质对电波传播的影响,多径传输 当电波以两个或两个以上不同长度的路径传播到达接收地点时，则接收天线捡拾的信号是由几个不同路径传来的电场之和因路径长度有差别，它们到接收地点的时间延迟（简称时延）不同若以τ表示最大传输时延与最小传输时延之差，若τ值太大就会引起较明显的信号失真图2(a)示出了接收点场强是由两条路径传来的、振幅不等的、相位差φ=ωτ的两个电场叠加传输媒质对电波传播的影响,(a),(b),图2 多径传输效应,对传输信号中的各个频率分量而言，相同的τ值却引起了不同的相位差如对频率为f1的分量，若φ1=ω1τ=π时，两条路径传来的f1分量合成场呈最小值；而对f2分量， φ2=ω2τ=2π时，则此分量的合成场呈最大值如图2（b）所示， f1和f3是两个相邻的、合成场强为最小值的频率，它们之间的相位差等于2π，即φ3-φ1=(ω3-ω1)τ=2π，则Δω=ω3-ω1=2π/τ，或 式中Δf为多径传输媒质的相关带宽，它与多径时延的τ值成反比。

若所传输的信号带宽很宽，与1/τ可比拟时，则所传输的信号波形将产生明显的畸变，也就是说，信道的多径传输效应对传输信号的带宽提出了一定的限制传输媒质对电波传播的影响,(14),实际上，多径传输路径不止两条若传输媒质电参数是随机变化的，则τ值也是随机量，因此合成场强模值随频率的变化时随机的，即传输媒质对不同频率成份有着不同的、随机的响应，这种现象就称为频率选择性衰落它对快速通信的误码率、雷达目标识别的精确度等都有重要影响电波的折射、反射与绕射现象 当电波在无限大均匀、线性媒质内传播时，射线是沿直线传播的然而实际中，电波所经历的空间场所是非常复杂的例如球形地面和障碍物将使电波产生绕射；地貌、地物等将对电波产生折射、反射或散射作用，对流层中的湍流团、雨滴等水凝物对电波特别是微波产生散射；既使电波在对流层中传播，也由于温度、,传输媒质对电波传播的影响,湿度随高度而异，致使波射线产生连续的小角度折射，结果使射线轨迹弯曲总之，上述现象都会使电波传播方向发生变化，这对于利用电波传播完成通信、雷达、遥控、遥测等系统的工作带来一定的麻烦或影响测量精度，因此，在系统设计或实际工作中必须予以考虑。