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《电波传播理论》课件 自由空间和空间波传播模式

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无线电波空间传播模型

无线电波空间传播模型

无线电波空间传播模型一、引言无线电波是一种电磁波，它的传播是通过空间介质进行的。

无线电波的传播模型是对无线电波在空间中传播过程的一种描述和模拟。

了解无线电波空间传播模型对于实现高效的无线通信系统设计和优化至关重要。

本文将介绍几种常见的无线电波空间传播模型，包括自由空间传播模型、二维和三维传播模型以及多径传播模型。

二、自由空间传播模型自由空间传播模型是最简单也是最常用的一种传播模型。

它假设无线电波在真空中传播，没有遇到任何障碍物和干扰。

根据自由空间传播模型，无线电波的传播损耗与距离的平方成反比。

具体而言，传播损耗（L）可以通过以下公式计算：L = 20log(d) + 20log(f) + 20log(4π/c)其中，d是发送端和接收端之间的距离，f是无线电波的频率，c是光速。

自由空间传播模型适用于开阔的空间环境，如农村、海洋等，但在城市和山区等环境中，由于有大量建筑物和地形等障碍物的存在，自由空间传播模型并不适用。

三、二维和三维传播模型二维和三维传播模型考虑了障碍物和地形等因素对无线电波传播的影响。

在二维传播模型中，地面被简化为平面，建筑物和其他障碍物被建模为二维形状。

在三维传播模型中，地面和建筑物等障碍物被建模为三维形状。

为了计算二维和三维传播模型中的传播损耗，常用的方法是射线追踪。

射线追踪将无线电波视为一束射线，通过计算射线与障碍物的相交点，从而确定传播路径和传播损耗。

射线追踪可以基于几何光学原理进行，也可以使用电磁波的波动性质进行更精确的计算。

四、多径传播模型多径传播模型是一种复杂的传播模型，考虑了多个传播路径和多个传播信号的叠加效应。

当无线电波传播过程中遇到建筑物、地形等障碍物时，会发生反射、折射和散射等现象，导致信号在接收端出现多个传播路径。

这些多个传播路径的信号叠加在一起，会引起传播信号的衰减和时延扩展。

多径传播模型通常使用统计方法进行建模和仿真。

常见的多径传播模型包括瑞利衰落模型和莱斯衰落模型。

第8章(144)

第8章(144)

第 8 章 电波传播
引入衰减因子W后， 则实际传播电道接收点场强为
| E || Emax | W
60PT GT W r
(8.2-13)
相应最大辐射方向上的能流密度pmax和接收功率PA分别为
pmax

PT GT
4π
W2
(8.2-14)
第 8 章 电波传播
PA



4πr
2 w2 PT GT GA
第 8 章 电波传播
在传播距离、 工作频率、 发射天线和发射功率相同的 情况下， 接收点的实际场强|E|和自由空间场强|Emax|之比定 义为该电道的衰减因子W， 即
def
W
E
Emax
(8.2-11)
第 8 章 电波传播
若用dB表示，则W为 W 20 lg E dB Emax
(8.2-12)
第 8 章 电波传播
图8.1-2 地面波传播
第 8 章 电波传播
2. 天波传播(Ionosphere Radio Wave Propagation) 电波自发射天线向天空辐射， 经过空中电离层的 反射或折射后返回地面的无线电波叫天波。 经由这种 方式到达接收点的通信方式称做天波传播， 如图8.1-3 所示。
的模值
时， 可假设透入地层内
部的电波仍是一均匀平面波， 沿法线方向垂直向下传
播， 其场分量具有下述关系：
E2x
0 c
H2y
(8.3-7)
第 8 章 电波传播
式(8.3-7)中忽略了E2z，不过由下面的分析可知， |E2z| ＜＜|E2x|，故该假设是合理的。 将式(8.3-6)的第一个和第三 个等式代入式(8.3-7)中， 可得

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

电波传播基本知识PPT课件

电波传播基本知识PPT课件

电波传播方式的说明
• 地表面波是建立在地球表面的一种电波传播形式，在频率小于5MHz且 天线高度小于地面半波长时，此传播形式占主导作用。其特点是传播距 离远，易与水下建立通信，不受天气与地面环境的阻挡。
• 对流层电波传播是无线通信中占主导作用的传播形式，频率在30MHz以 上时，视距传播成为主要传播方式，此时需注意对流层折射系数的影响 (一般地，此种传播又称地面传播)，传播特点是视距传播，易受地面环 境的阻挡影响，传播衰减较大。
电波反射的退极化作用
• 电波反射的退极化作用除了有耗地面的反射以外，不规则的反射目标也 是造成电波去极化的原因之一。
• 移动信道中的各种物体目标对电波的反射过程，是目标表面上每一部分 对电波的散射的综合。其中还包含某些表面结构的二次甚至更多次反射。 目标上的每一部分，相对电波发射天线的取向和形态是各异的。所以复 杂形状的目标具有极强的、多样的退极化作用。
• 《无线通信技术》，深圳市华为技术有限公司 • 《现代无线通信系统电波传播》，Hernry L.Bertoni • 《移动通信工程(理论与应用)》， • 《网络规划设计》，深圳市华为技术有限公司
第3页/共86页
课程内容
第一章 无线通信基本概念 第二章 移动通信电波传播的几个概念 第三章 移动通信电波传播特性 第四章 移动通信信道与预测
第8页/共86页
大气媒质的分层情况
第9页/共86页
第一章 无线通信的基本概念
第一节 概述 第二节 无线通信中的大
气媒质
第三节 无线通信中的电 波传播方式
第四节 无线通信的频段 划分与传播方式
第10页/共86页
电波传播方式的分类
• 根据何种介质或何种介质分界面对电波传播产生主要的影响，可将常遇 到的电波传播方式分为： • （1）地表面波传播（电波传播主要受地球表面的影响）。 • （2）对流层电波视距传播（电波传播主要受对流层影响）。 • （3）电离层电波反射传播（电波传播主要受电离层影响)。

电波的传播特性(ppt)

电波的传播特性(ppt)

OM模型 任意地形地物信号中值的预测 场强中值变动分布及预测 覆盖设计
模型：城市视为准平滑地形，给出经验曲线
其他地形地物情况则给出修正值
OM模型可在适用范围内作电波传播预测
– 地形、地物的分类 – 准平滑地形上的电波传播特性 – 不规则地形修正因子 – 其他因素对电波传播的影响
地形的分类
电波传播的衰落特性 场强估算模型
1.衰落的概念
– 由于实际传播环境中复杂的地形地物对传播 信号的阻挡，及反射、绕射和散射引起的无 线信号的多径传播都会对电磁波的传播产生 影响，导致接收信号的随机变化
– 衰落的类型
阴影衰落（阴影效应、气象条件变化） 场强中值的缓慢变化（慢衰落）
多径衰落（多径效应） 瞬时值有快速、大幅度的变化（快衰落）
– 无线电波的波长、频率和传播速度的关系： λ＝Ｖ/ｆ
Ｖ为速度(m/s)；ｆ为频率(Hz)；λ为波长(m) 不同介质中传播速度不同、波长不同
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
电波的传播特性 (ppt)
电波的传播特性
重点
– OM模型及任意地形、地物情况下电波传播衰耗中 值的预测
难点
– 任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值的预测
目的和要求
– 了解衰落对信号传输的影响 – 掌握自由空间传输衰耗、OM模型及电波传播衰耗
中值的计算方法
无线电波的概念 电波的传播方式
– 在分析电波传播特性时总是以自由空间的传播环境 为参考进行
– 自由空间
一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间 当电磁波在自由空间中传播时直线传播，不发生反射、折

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

第9章电波传播模型

−1 ρ≈ dn dh
9.4大气对电波传播的影响
9.4大气对电波传播的影响
• 在标准大气情况下，折射率梯度
• 因此 • 标准大气的曲率半径近似为地球半径的4倍。 • 注意：考虑实际情况，大气的折射率和折射梯度不 是恒定的，随气候变化而变化，因此实际的传播轨 迹即使在同一线路下不同时间也会有所差异。
dn = −0.039 × 10−6 m dh
ρ ≈ 25000km
9.4大气对电波传播的影响
• 在大气中电波是沿着 曲线传播的。这样在 考虑折射的情况下， 会对微波系统的设计 带来不便。为此引入 等效地球半径ae的概 念。
9.4大气对电波传播的影响
• 为了保证等效后的情况和实际是等效的，必须使 等效地面上的直线轨迹上任一点到等效地面上与 实际传播路线到实际地面的距离相等。事实上， 如果两组曲线的曲率差相等，则它们的距离相等， 即 • 故
d为收发天线间的距离。距离越远，接收天线 收到的能量越小，这就是电波在自由空间传播 过程的衰减。可以看出场强和发射天线的辐射 功率和与发射天线的距离有关，和频率无关。
9.1自由空间的传播模型
接收天线输入端功率和损耗的计算
λ2 无方向性天线的有效面积：A = 4π
输入端的功率为：PA = S ⋅ A 以dBm 表示：PA = −126.75 + E0 (dBµ ) + 20 lg λ 考虑到发射天线和接收天的方向性系数： λ PA = S ⋅ A ⋅ D1 ⋅ D2 = P∑ D1 D2 4πd 传输损耗又称为系统损耗：
9.2平面反射传播模型
• 地表面波传播模式 地表面波的特性 1 地表面的半导电性质，使得电波场结构发生变化，
并引起对电波的吸收损耗； 2 由于地球表面呈球形使电波传播以绕射方式进行。 只有当波长与障碍物尺寸相当时，才具有绕射作用。 所有只有长波、中波和短波波长较长的波段端能 够绕射到较远的地方

第7章 电波传播概论

⑥ 天波通信, 特别是短波通信, 建立迅速 ，机动性好, 设备 简单, 是短波天波传播的优点之一。
第7章电波传播概论
7.4 地面波传播
一 、概念
无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播。
当天线低架于地面 ， 且最大辐射方向沿地面时 ， 主要是 地面波传播。
在长 、 中波和短波的低频段(几K～几MHz)常用这种传播 方式。
④ 电离层所能反射的频率范围是有限的, 一般是短波范围。 由于波段范围较窄, 因此短波电台特别拥挤, 电台间的干扰很 大 ， 尤其是夜间； 由于电离层吸收减小, 电波传播条件有所改 善, 台间干扰更大。
⑤ 由于天波传播是靠高空电离层的反射, 因而受地面的吸 收及障碍物的影响较小, 也就是说这种传播方式的传输损耗较 小, 因此能以较小功率进行远距离通信。
当超短波 、短波投射到这些不均匀体时 ， 就在其中产生感 应电流 ， 成为一个二次辐射源, 将入射的电磁能量再辐射。
这种再辐射是无序的 ， 随机 方向的辐射 ，称为散射。
通过散射 ， 电波就能到达不 均匀介质团能“看见 ”但发射点 却不能“看见 ”的超视距范围。
第7章电波传播概论
三 、散射通信的特点
几千米或十几千米的近距离通信。
海水的电导率比陆地的高 ， 因此在海面上要比陆地上传得 远的多。
2 、传输质量稳定
由于地表面的电性能及地貌 、地物等并不随时间很快地变 化 ， 并且基本上不受气候条件的影响, 因此信号稳定, 这是地面 波传播的突出优点。
第7章电波传播概论
7.5 不均匀媒质的散射传播
一 、定义 电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质
1 、损耗大： 散射波相当微弱 ， 传输损耗很大（包括自由 空间传输损耗 、散射损耗 、大气吸收损耗及来自天线方面的损 耗, 一般超过200dB） ， 因此对流层散射通信要采用大功率发 射机 、 高灵敏度接收机和高增益天线。

电波传播


3.1 电波传播模式及衰落
3.1.7 抗衰落技术
1. 抗频率选择性衰落
抗频率选择性衰落的技术主要是自适应均衡技术。扩频技术 和正交频分复用（OFDM）技术等。
2. 抗瑞利衰落
抗瑞丽衰落主要采用分集技术。 （1）分集的概念 分集是指通过两条或两条以上的途径传输同一信息，只要不 同路径的信号是统计独立的，并且到达接收端后按一定规则适当 合并，就会大大减少衰落的影响，改善系统性能。 （2）分集合并的方式 采用分集技术接受下来的信号，按照一定的规则进行合并； 合并方式不同，分集效果也不同。分集技术采用的合并方式主要 有三种：选择合并；最大比合并；等增益合并。
图3-1 电波传输模式
3.1 电波传播模式及衰落
空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。 地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。 天波是利用电离层的折射、反射和散射作用进行的电波传播 模式。
2. 电波传播机制
电磁波在空间中的传播机制有多种，通常有：直射传播、反 射传播、绕射传播和散射传播。 （1）直射传播。直射传播又称视距离传播，是指视距范围内 无遮挡的传播。 （2）反射传播。当电磁波在传播路径中遇到某个物体表面， 且物体尺寸远大于电磁波自身波长λ 时，就会出现反射现象。 反射的影响主要表现为：物体表面可以把发射天线辐射信号 中的一部分能量反射到接受天线，与直射波信号进行矢量相加。
40 lg
d1、d2分别表示基站与移动台MS1、MS2相对的近距离和远距离。
d1
3.2 移动通信系统中的电波传播
1. 多普勒效应
当以一定速率运动的物体，例如飞机，发出了一个载波频率 f1，地面上的固定接收点收到的载波频率不会是f1，而是产生了一 个频移fd。物体运动的速率v不同，产生频移大小的程度也不同， 通常把这种现象称为多普勒效应。多普勒效应引起的附加频移称 为多普勒频移 v

无线电波传播基础理论-PPT文档资料27页

Coverage Threshold dBm
Location P robablity %
-70 -74 -78 -82 -86 -90 -94 -98 -102 -106 -110
1.8 传播模型
• 总体而言GSM1800MHz频段的覆盖比GSM900M频段要差一些：
– Okumura – Hata公式中GSM1800M频段的路径损耗比GSM900M频段大
9.79dB
– 功率预算中GSM1800M频段MS发射功率比GSM900M频段小3dB(各自 分别为30dBm和33dBm）
– 50m长 7/8” 电缆损耗差值为0.97dB – GSM1800与GSM900相比较，所有以上各项给出了 13.77 dB差值 • 但实际的场强测量和1800M频段的模型校正发现平均差值并没有这么大 – 通常 Okumura – Hata模型1800M频段的修正因子比900M频段小3～6dB。
1.1 研究电波传播特性的必要性
• 无线电波传播特性的研究和了解是移动通信网络规划和建设的基础,从 频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统 间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传 播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。
• 无线电波传播与工作频率有关，如450MHz、900MHz和1800MHz的电 波传播特性差别很大；
1805-1850MHz(BS)
CDMA
825-835MHz (MS) 870-880MHz (BS)
由上表可以看出移动通信频段位于UHF频段范围内，是以空 间波的方式进行传输的。
1.3 dB概念的介绍
• Calculations in dB (deci-Bel) • logarithm ic, relative scale
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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.
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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
自由空间：
❖ 定义：所谓自由空间是指相对介电常数和相对 磁导率均恒为1的均匀介质所在空间
第三章、自由空间和空间波 传播模式
移动通信无线电波主要是在地球周围
的大气空间里传播，或者沿地球表面传播。 根据大地和大气对电波传播的影响，自然 界中的电波传播模式分为3类：空间波、 地表面波和天波。
2020/11/29
1
第1节、电波传播的基本模式
2020/11/29
2
Propagation modes
❖ Transmission below 3 MHz ❖ Can be used to long
distances communicate
2020/11/29
5
Sky Wave Propagation
❖ SW makes use of the reflecting properties of the earth’s atmosphere at altitudes from 100 to 250 miles for frequencies in the band, 3-30 MHz
h0与波长、极化方式、地面电特性参数有关。
在固定无线通信中，天线架设高度与波长相比均 很高，因此：
f<30MHz——表面波 30MHz <f<300MHz——空间波和表面波 f >300MHz——空间波
15
(dBw)
f (MHz) E(dBu) d (km)
距
场
频
离
强
率
接 收
-95dBW
功
率
标尺1
标尺2 标尺3
标尺4
标尺2和标尺4又表示了半波偶极天线的接收功率和场强 之间的关系。当频率f=100MHz, E=50dBμ时，可查得
Pr 95dBW
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16
第3节 空间波传播模式
❖ 电磁波直接从发射天线传播到接收天线，或经过地面反射而 到达接收天线。一般接收天线处的场强是直接波和反射波的 合成场强。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2020/11/29
3
沿地球 表面进 行传播 的电波 传播模 式称为 地表面
波。
2020/11/29
电波利用电离层的折射、反 射和散射作用进行传播的方
式称为天波。 在大气对流层中进行的 电波传播方式称为空间 波。
4
Ground Wave Propagation
❖ The electromagnetic waveform essentially follows the contour of the earth
❖ 介电常数和磁导率为 0, 0 ❖ 特点：无源，各向同性，电导率为零（σ＝0）
2020/11/29
9
电波在自由空间中的传播特点
❖ 在自由空间中，电波的传播是直线传播，没 有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子 分裂等现象。电波传播速度等于真空中的光 速c＝3×108m/s。
❖ 实际介质与障碍物对电波传播的影响可忽略 的空间，可近似为自由空间。
2020/11/29
11
接收机输入端的最大接收功率
Pr
S
A
E2
120
2 gr 4
Pr
E 2
2
gr 120
W
Pr
P
4d
2
gt
gr
E
30g
t
P
d
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12
自由空间的传输损耗
传输损耗：又称为系统损耗，定义为辐射功率与 接收功率之比。
Ls
P Pr
4d
2
1 gt gr
显然，Lbs与收、发天线的特性无关，而仅与传输路径有关
由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下， 电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的 是球面波扩散损耗。
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14
在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等 例：
(dBw)
f (MHz) E(dBu) d (km)
2020/11/29
6
Line-of-Sight Wave Propagation
❖ Used by frequencies above 30 MHz
❖ These waves travel in a straight line and pass through any portion of the atmosphere easily
如果d的单位用km，f的单位用MHz，Ls的单位为dB，可得：
Ls 32.45 20log f 20log d 10log gt gr 或 Ls 32.45 20log f 20log d Gt Gr
2020/11/29
13
自由空间的路径损耗
自由空间的路径损耗： Lbs 32.45 20 log f 20 log d
❖ 特点：
直射波不受地面影响 反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响 传播的距离受到地球曲率的影响 收，发天线之间的最大距离被限制在视矩范围内，要扩大通信距离，
就必须增加天线高度
2020/11/29
17
最小有效天线高度h0
表面波起支配作用时的天线高度称为天线 最小有效高度。