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《电波传播理论》课件 天波传播模式

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《电波传播理论》课件 自由空间和空间波传播模式

《电波传播理论》课件 自由空间和空间波传播模式

10km 距 场
频
离
强
率
57dBu
接 收 功 率
E 57 10lg50 74 dB
100MHz
标尺1
标尺2 标尺3
标尺4
本图适用于半波偶极子天线，标尺2表示辐射功率为1W
的场强作为距离（km）的函数，对于Pt（W）的辐射功率，
应在标尺2的数值上增加一个校正值10
2020/11/29
lg
pt（dB）。
2020/11/29
10
自由空间的电波传播模型
距离发射机为d时，自由空间中接收点的场强为
E(dBv/m)
14.77 Gt (dB) 10 lg
P
- 20 lg d
E(dBμ)
74.77
Gt
(dB)
10
lg
P
-
20
lg
dkm
式中，E为场强，单位为dBV/m； PΣ为辐射功率，单位为W； Gt为发射天线的增益。
❖ The atmosphere of our planet does not refract or bend the electromagnetic wave much.
2020/11/29
d 2h
7
各种电波传播模式的主要特点
❖ 空间波：在传播过程中，电波会发生折射、反射、 散射等现象。在微波通信中采用视距传播。天线架 设在地面以上大于几个波长处。
❖ 地表面波：长波，中波一般采用这种传播方式。天 线直接架设在地面。
❖ 天波：只有这种电波传播方式才能将电波传送到数 千公里以外。短波通信采用的就是这种传播方式。
2020/11/29
8
第2节 电波在自由空间中的传播

天波传播

天波传播

n
1

80.8Nn f2
式中Nn是反射点的电子密度。
(10―2―4)
sin0
n
1

80.8Nn f2
该式表明了电波能从电离层返回地面时，电波
频率f、入射角θ0和反射点的电子密度Nn之间必须 满足的关系。由该式可得出如下结论：
（1）电离层反射电波的能力与电波频率有关。 在入射角θ0一定时，电波频率越低，越易反射。
fmax
80.8 N max
cos2 0

fc sec0
(10―2―6)
对于一般的斜入射频率f 及在同一N处反射的
垂直入射频率 f 之间，
电离层的正割定律： f f sec0 (10―2―7)
如图所示。电离层的正割定律表明：
当反射点电子密度一定时（fv一定时），通信 距离越大（即θ0越大），允许工作频率越高。
Nn
0
fv
f
临界频率fc的讨论：
fc 80.8Nmax
①所有 f fc 的电波，都能从电离层反射回来。
② 若 f fc
若入射角θ>
0 arcsin
1

80.8N f2
n
或者频率 f <
fmax
80.8 N max
cos2 0

fc sec0
则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。
临界频率：
当电波垂直向上发射即θ0=0°时，能从电离层 反射回来的最高频率，用fc表示。
将θ0＝0°，Nn=Nmax，代入下式，
sin0
n
1

80.8Nn f2
可得临界频率为 fc 80.8Nmax (10―2―5)

移动通信的基本技术之电波传播(优秀文档PPT)

移动通信的基本技术之电波传播(优秀文档PPT)

无线电波
➢ 一般我们把音频信号叫做调制信号。将发射机中的振荡电 路产生频率很高的电磁振荡，称为载波。音频信号加到 “载波”的过程叫做调制，经过调制后的高频振荡信号叫 已调信号。已调信号是装载有信息的无线电波，通过天线 辐射出去，这种传播信息的方式称为无线电通信。无线电 通信就是不用导线的通信。
➢ 电磁波是无线通信的载体。
天波、外球层传播 光纤
中继通信、无线电通信 雷达通信 光通信
无线电波的极化
➢ 概念：无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规 律而变化
➢ 电波的极化方向：无线电波的电场方向 ➢ 极化波必须用对应的极化特性的天线接收，否则在接收过
程中会产生极化损失 ➢ 极化的类型
• 线极化 – 水平极化、垂直极化 – +45°倾斜极化、- 45°倾斜极化
✓ 无线电波是一种能量的传输形式 • 电场和磁场在空间交替变换，向前行进 • 传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又 都垂直于传播方向。
无线电波
无线电波的传播速度
➢ 传播速度和传播媒质有关
✓ 真空中的传播速度等于光速(Ｃ＝3×108m／s )
✓ 空气中的传播速度略小于光速（通常认为它等于光速 ） ➢ 无线电波的波长、频率和传播速度的关系：
无线电波
➢ 无线电波的频率从几十KHz到几万MHz。为了便于应用， 习惯上将无线电频率范围划分为若干区域，叫做频段或波 段。
➢ 不同频段的无线电波，其传播方式、主要用途和特点也不 相同。按波长划分的波段名称、相应波长范围和它们的主 要用途。
无线电频段划分
波段名称 波长范围
频率范围
频段名称
长波Leabharlann 103～104M 30 ～300kHz LF低频

电波传播基础PPT课件

电波传播基础PPT课件
关。相应的坡印廷矢量和接收功率分别表示为：
S
PtGt
4 d 2
A2
W m2
Pr
4 d
2
A2GtGr Pt
W
第13页/共33页
(9) (10)
传输媒质对电波传播的影响
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
L
Pt Pr
4 d
第18页/共33页
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。
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
Pr
SAe
Pt Gt
4 d 2
2 4
Gr
4 d
2
PtGtGr
(W)
(3)
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）。
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
E0
60PtGt d
V m
(1)
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：
第8页/共33页

天线与电波传播课件(第六章)电波传播概论

天线与电波传播课件(第六章)电波传播概论

编著： [美] John D.Kraus
出版社：电子工业出版社
8/12/2013
Ronald J. Marhefka
2002年8月 第一版
2
Dept.PEE Hefei Normal University
天线与电波传播
第1章 天线基础知识
第2章 窄带天线
第3章 宽带天线 第4章 口径天线 第5章 天线新技术 第6章 电波传播概论
不被电离层反射
8/12/2013
15
Dept.PEE Hefei Normal University
主要传播方式
注：微波中继通信
视距通信中天线一般 为抛物面天线
8/12/2013
16
Dept.PEE Hefei Normal University
主要传播方式
4、散射通信：利用对流层、电离层、流星余迹等不均匀体 对电磁波的散射来实现“超视距传播”，用于超短波（米波） 和微波的远距离通信。
8/12/2013
11
Dept.PEE Hefei Normal University
研究内容
(4) 开拓新频段：低到几十赫兹，高到几百吉赫兹，开发 毫米波段应用研究。 (5) 开发电波应用领域：军用（通信雷达，制导等）民用 （遥感、测控、导航等等）等其他领域。 (6) 研究电磁兼容、抗干扰等相关课题的研究。
8/12/2013
12
Dept.PEE Hefei Normal University
主要传播方式
1、地波传播：信号延地面传播、信号稳定、吸收小，适 用于甚长波、长波、中波(一般<2MHz)，主要用于广播、 授时等。
通常适宜采用垂直极化天线发射信号！
8/12/2013

天波传播课件

天波传播课件

Ｆ2层的电子密度最大，能反射电波的频 率范围最宽，成为远距离短波通信最有效
的电波反射层。F2层的电子密度白天大夜 间小，冬季大夏季却小，F2层的变化很不 规律，其特性与太阳活动性紧密相关。
天线与电波传播
北京邮电大学
11
10.1.3 电离层的变化规律
电离层的日变化
正常变化
电离层的季节变化
随太阳黑子11年周期变化 电离层骚扰
正常变化
• 电离层的季节变化 由地球公转引起。当北半球为夏季时，太阳 射线比较垂直投射到北半球上，射线受热 的影响在增长，紫外线的电离作用增长。 在夏季的北纬地方，D、E、F1层的电子密度 都比冬季的大。F2层的电子密度在冬季所达 到的数值反比夏季的大，并且在一年的春 分和秋分时节两次达到最大值，其层高度 夏季高冬季低。
宇宙射线也能使气体电离，不过就大气层 的电离而言，最主要的电离来源是太阳光 中的紫外线。太阳喷射微粒时，虽然对大 气层也有极大的影响作用，但并不经常。
天线与电波传播
北京邮电大学
6
气体受到太阳光的紫外线照射而电离，同 时由于气体的热运动使正、负离子中和， 气体的压强越大或温度越高，中和的机会 越大。这样，在大气高层气体稀薄处，就 可能有较高的电子密度。通常用动态平衡 状态下的电子密度Ｎ（电子数／ｍ3）来描 述电离程度。
优点：
➢传输损耗小，可以利用较小的功率进行 远距离通信
➢设备简单，造价低，且可迅速建立与远 方的通信
➢抗自然灾害和人为破坏的能力强
天线与电波传播
北京邮电大学
3
10.1 电离层
电离层：从60km起一直延伸到约一千多 千米的高度，由电子、正、负离子和中 性分子、原子等组成的等离子体。
由于太阳中紫外线和Ｘ射线的辐射、其 它星体的紫外辐射及宇宙射线中高速粒 子的碰撞等作用，使得大气层中气体分 子电离，这些电离现象十分显著的区域 就称为电离层。

第10章 天波传播1


2 00 0
太阳黑子数随年份的变化
中新网北京2001年7月17日消息：
据中国电波传播研究所报告，14日发生的太 阳风暴，16日零时开始和地球相遇，造成了严重 的电离层暴，这次电离层暴持续20多个小时。 这次严重的电离层暴是由太阳强烈的耀斑爆 发引起的。这次耀斑爆发产生的 X射线 8分钟后 就到达地球，在地球日照面造成强烈的突然电离 层骚扰。
第10章 天波传播
天波传播：电波经电离层反射到达接收点的传播 方式。 适合波段：长波、中波、短波
优点：传输损耗小，可实现远距离通信。
信号不稳定 随 机 性 媒质 色散特性 各向异性 衰落较严重 电离层暴 通信 中断
太阳对地球的影响
一、太阳的结构
核心层 内部结构 辐射层 对流层 光球层 ——黑子 外部结构 色球层 ——耀斑，日珥 日冕层 ——太阳风
eE v j m m
(10―1―3)
因为电子运动形成的运流电流密度为
J e Nev
H j 0 E J e Ne2 E j 0 E j m m
(10―1―4)
所以电离层中的麦克斯韦第一方程为
Ne 2 Ne 2 j 0{[1 ] }E 2 2 2 2 m 0 ( ) j m 0 ( ) j 0 r E
二、电离层的变化规律 日夜变化 规则变化 季节变化 随太阳不规则变化 电离层突然骚扰 电离层暴
3 00
太阳黑子数
2 00
1 00
0 1 90 0
1 91 0
1 92 0
1 93 0
1 94 0
1 95 0 年份
1 96 0
1 97 0
1 98 0
1 99 0
配。

电波传播理论徐立勤PPT课件


（17.30）
——接收机的门限电平
（17.31）
第6页/共13页
17-6
《电波传播理论》
第17章 地面固定和移动通信衰落预测模型
17.2 移动通信衰落预测模型
♥ 在移动通信中，除了固定通信中大气层结和地面反射多径传播引起的接收信号 随时间的变化外，由于移动用户的运动引起的收、发站点之间电波传播边界条 件和射线路径的快速变化也是产生衰落的重要原因。
♥
地点和 时间被超过的场强
——空间域内的衰落深度【表17.1或式（17.37）】 ——时间域内的衰落深度【表17.1或式（17.37）】 ——场强随地点变化的均方根偏差【式（17.33-4）】 ——场强随时间变化的均方根偏差 【式（17.35-6）】
（17.32）
第7页/共13页
17-7
《电波传播理论》
第8页/共13页
17-8
《电波传播理论》
第17章 地面固定和移动通信衰落预测模型
♥ 电离层中电波传播的主要特点：
在超短波以上频率，电离层引起的吸收损耗基本上可以忽略；
法拉第旋转效应虽然很可观，但是，在地空通信中，通常使用椭圆和圆极化波， 这可以避免极化面旋转带来的破坏性影响；
电离层折射效应不至于引起信号幅度的显著变化，可是会对无线电定位的精度 有些影响。
♥ 为了保证在衰落期间能够正常地通信，必须加大发射功率、压低接收机噪声、 提高天线增益，升高天线架设高度,甚至还得采取分集措施等等。
♥ 电波传播引起的信号衰落现象对无线电通信的质量、对工程实施与设备研制的 技术难度以及投资成本等方面都带来极大影响。
第1页/共13页
17-1
《电波传播理论》
第17章 地面固定和移动通信衰落预测模型

电波传播理论基础 ppt课件


S
t
τ(wm we )dτ
σE 2dτ
τ
P流入 Pm Pe PT
外界经闭合曲面S流入V内的全部电磁功率等于V 内导体的焦耳热与V内的电磁场能量的时间变化 率之和——电磁场中的能量守恒定律。
玻印亭矢量

S E H *
S 平均

Re

1 2

E

H
*

有向前传播的分量，反射波为零。
参数：E、H 随时间变化的周期： T 2π /
dq
电位移矢量D D εE
介电常数：将物质置于电场中，物质将被极化， 用介电常数ε描述。
磁导率常数：将物质置于磁场B中，物质将被磁 化，用磁导率常数μ描述。
磁场强度H
B μH
磁感应强度B d F d qv B(T)
电荷Q、电荷密度ρ、电流I与电流密度J
PPT课件
6
电磁场本构关系
通过闭合曲面S的磁通量横为零。
磁场是无源场（散度源）（注：根据亥姆霍兹定 理，磁场一定存在旋度源）
PPT课件
18
高斯（1777～1855），德国数学家 、物理学家。在数论、代数学、非 欧几何、复变函数和微分几何等方 面都做出了开创性的贡献。他还把 数学应用于天文学、大地测量学和 磁学的研究，发明了最小二乘法原 理。高斯被誉为“数学王子”。高 斯一生共发表155篇论文，他对待学 问十分严谨，只是把他自己认为是 十分成熟的作品发表出来。其著作 还有《地磁概念》和《论与距离平 方成反比的引力和斥力的普遍定律 》等。
麦克斯韦修正的安培环路定律：磁场强度沿闭合 回路l的环流量等于通过l所包围面积的传导电流 与位移电流。

第4讲 天波传播(2)


r j 60 sin Δ - r j60 cos2 Δ (24) RH Δ EMW Propagation r j60 sin Δ + r j60 cos2 Engineering 8/26
短波天波传播
式中Δ为射线仰角，（εr-j60λσ）为大地的复相对 介电系数。对于电离层吸收损耗La其损耗规律为 ①对短波传播而言，非偏移吸收是La的主要组成部分， 是电波穿透D区和E区时引起的损耗。因D区电子浓度在正 午时分很大，与中性分子碰撞的次数总和也越大，使电波 衰减最大；另一方面，D区在晚间消失，使夜间传播条件 改善，但干扰信号也随之增强，导致夜间通信情况并未得 到显著改善。 ②当ω2>ν2时，衰减常数近似与频率的平方成反比， 即频率越低，电离层的吸收损耗也越大，故从减小损耗的 角度考虑，短波通信应选择频率较高的工作频率。 ③地磁场的存在影响着电子运动状况，应尽量避免接 近磁旋频率（约1.4 MHz），因在此频率处电子的振荡速 度大增，电波衰减严重。 EMW Propagation Engineering 9/26
Lp 18.0 dB 22 T 04 Lp 16.6 dB 04 T 10 Lp 15.4 dB 10 T 16 Lp 16.6 dB 16 T 22
(22)
因电离层本质上是一随机、色散和各向异性的半导电 媒质，因此由它引起的衰减必然是个随机量。通常，计算 La和Lp值是按其平均值进行的。此外，不同传输模式的传 输损耗应分别计算，从而可确定出对接收点场强贡献最大 的传输主模式。 EMW Propagation Engineering 10/26
表2 天波传播模式
EMW Propagation Engineering 4/26
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２０
５０
１６０～１ １７０以上 ８０
２ ～ ４１ ８～２０１
０１１
０１１
大约１８０ ２００～３ ５０
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４
１０～１０３
１０
２０～２５ 约５０
１００～２ ００
4
电离层的变化：
（１）电离层的规则变化：电离层的周期性重复变化 一天中昼夜的周期性重复 季节性的周期变化 以约１１年为周期的太阳活动性的变化
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
R12
1 12
n5 k n5
Rk
1 2
Rn6 Rn6
2020/11/29
5
（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不
可预测的不规则变化
Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。对 于电波传播来讲，有利有弊。
电离层骚扰
太阳黑子耀斑爆发辐射出的极强的紫外线和x射线使电 离层的D层电离程度加剧，增加对电波的吸收损耗，可使通 信中断。但持续时间只有几分钟。
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C
Vg Vp n 电波在色散媒质中传播时，相速与群速不相等。 b. 信号在非色散媒质中传播时不会变形； 信号在色散媒质中传播时将变形。 c. 在非色散媒质中，信号的传播速度等于相速； 在色散媒质中，信号的传播速度不等于相速。
2020/11/2信9 号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度 16
电离层暴乱
太阳黑子耀斑爆发喷出的大量带电粒子使电离层的电 子分布发生剧烈变动，持续时间长，危害最大。
2020/11/29
6
２．电离层的电特性
由于电离层中粒子之间的平均距离远小于波长， 所以，电离层可看成一种媒质，具有等效电特 性参数r和。
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：
J
JD
Ne2 m 2
Ne2
m 0
有频率的量纲，所以令
02
Ne2
m 0
(2f0 )2
f0 80.8N
f0 称为等离子体频率
r
1 02 2
1
f02 f2
2020/11/29
12
3. 地磁场对电离层的影响
❖ 地磁场产生原因：地球的自传在地核中所形成 的涡旋电流
❖ 地磁场的特点：1) 磁场南北轴线与地球南北轴线 间有一夹角，并在不断变化中；
2) 磁场强度也在不断变化。 ❖ 电离层中的自由电子在地磁场的作用下，将作螺旋运
动
电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作
fH
fH
e
2m
B
2.84108 B
2020/11/29
13
当某一频率 f 的电波进入电离层后，由于地磁场的作 用会分解成两个波，分别称为寻常波和非寻常波。
寻常波的频率： 0 H f0 f f fH
3) 电波在电离层中传播的速度
假设信号的频谱宽度为2△ω， ω0为载频，则信号可表示为：
E z,t A 0 e jtkzd 0
如果 2 0 ，则可以将传播常数 k 展开为台拉级数：
k
k
0
dk
d
0
0
取前两项，得
2020/11/29
17
t
k
z
t
k
0
dk
d
0
0
z
t
k
0
z
0
第五章、天波传播模式
天波传播模式就是一定频率范 围内的无线电波利用电离层的反射 和折射作用进行远距离传输的方式。 天波传播对于短波通信而言具有非 常重要的意义。
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1
第1节、电离层介绍
D layer (55-90 km)
E layer (90-150 km)
F layer (150-400 km)
非寻常波的频率： 0 H f0 f f fH 若考虑地磁Βιβλιοθήκη 的影响，电离层为各向异 性的媒质。
2020/11/29
14
第2节 电波在电离层中的传播
2020/11/29
15
1. 电波在电离层中的传播速度 1) 电波传播的相速和群速
相速：电波等相位面传播的速度 群速：能量传播的速度
2) 电波在色散媒质和非色散媒质中传播的不同
dk
d
0
z
t
0t
0t
k
0
z
0
dk
d
0
z
0t
0
t
k
0
z
0
dk
d
0
z
0t
k
0
z
0
dk
d
0
z
t
2020/11/29
18
m
dV
mV
V
dt eE
jm m
在正弦稳态场中，eE jVm mV
2020/11/29
9
H
j 0E
Ne
e
jm
m
E
j 0 1
Ne2
jm 0
1
j
E
j 0 1
Ne2
jm 0
j 2 2
E
j
0
1
m
0
Ne2
2 2
Ne2 jm0 2 2
E
j 0 r'E
J D J
E
0
t
C
j 0E
H j0E eVN
JC eVN
2020/11/29
7
1）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所
作e的E功 全m d部V转化在为正电弦子稳的态动场能中，，则eE
jVm
V
dt eE
jm
H
j
0
E
Ne
e
jm
E
j
0
1
Ne2
2m
0
E
式中，
r
1
Ne2
2m 0
E层
F1层
F2层
夏季白天高度 （ｋｍ）
冬季白天高度 （ｋｍ）
白天最大电子密 度（个／ｍ３）
最大电子密度所 在的高度 （ｋｍ）
碰撞次数 （个／ｓ）
半厚度 （ｋｍ）
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８０～９０ ９０～１６０
６０～９０ ９０～１６０
大约 ２．５１０９ 大约８０
大约 ２１０１１ 大约１１０
１７０～２ ２２５～４
j 0 r E
代入e和m的值，得 r
1 80.8
N f2
0
电离层具有理想电介质的特性
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8
2）考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所作的功 部分转化为电子的动能，部分转化为电离层的热能
设电子与其它粒子单位时间内的碰撞数为，并认为电 子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则
eE
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10
其中， ' r j60
r
1
m 0
Ne2
2 2
m
Ne2 2 2
s / m
r ,与频率有关，所以电离层是一种色散媒质；
同时由于N在电离层中不是一个常数，所以电 离层又是一种非均匀媒质。
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11
对于一般的无线电波，有 2 2
r
1
Ne2
m 0 2
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1. 电离层的结构和特点
电离层： 指80~700km高度范围内自由 电
子密度较高区域。 电离层的分层结构及其特点：
根据大气中自由电子密度的分布情况，电离层由 下至上分为D、E、F三层。在夏季的白天，F层又分 为F1和F2层。
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各电离层分层的特点
D层