电波传播 第一章

无线电波
表1-1-1 无线电波频段的划分
超极高频
L:1-2GHz C:4-8GHz Ku:12-18GHz Ka 27-40GHz
S:2-4GHz X:8-12GHz K:18-27GHz
各频段的典型应用如下： (1)极低频： 典型应用为地质结构(包括孕震效应)探测，电离层与磁 层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。 (2)超低频： 典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全球通 信，地下遥感，电离层与磁层研究。 (3) 甚低频： 典型应用为Omega(美)、 α(俄)超远程及水下相位差 导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探 测。 (4) 低频： 典型应用为Loran-C(美)及我国长河二号远程脉冲相位差 导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天 线。 (5) 中频： 用于广播、 通信、 导航(机场着陆系统)。采用多元天线 可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。
⎞2 ⎟ ⎠
≈
d1 (1 +
1⋅ 2
F12 d12
)
+
d
2
(1
+
1⋅ 2
F12 d22
)
第一菲涅尔半径：
Fn =
nd1d2λ
d
Fn max
=
1 2
nd λ
菲涅尔半径随频率的增高而减小 当波长与距离一定时，菲涅尔半径与O点在TR上位置有关
结论：
Z电波传播的主要通道：第一菲涅尔区
¾ 从波源到观察点之间的电波，是通过许多菲涅尔区传 播的。但起主要作用的还是第一菲涅尔区。
dE = A exp(− jk ρ) ⋅ A′ exp(− jkr) ⋅ cosθ ⋅ ds
ρ
r
各菲涅尔带所产生场En正负的判断：
Z 由于路径相差半波长 奇数项拆成两项
电波主要通过第一菲涅尔区传播至观察点。
菲涅尔半径：
1
1
⎛ d1 ⎜1+
⎝
F12 d12
⎞2 ⎟ ⎠
⎛ + d2 ⎜1+
⎝
F12 d22
L0
Rx
Pr0
计算
Z 接收点能流密度s
¾ 距发射天线d
s = Pt
4π d 2
Z 有效接受面积：
Ae
=
λ2 4π
Gr
=
λ2 4π
Z 接受功率：
Pr
=
s⋅
Ae
=
Pt
⎛ ⎜⎝
λ 4π d
⎞2 ⎟⎠
Z 自由空间传播损耗
L0
=
⎛ ⎜⎝
4π d λ
⎞2 ⎟⎠
L0
= 10 lg
Pt Pr
=20lg
4π d λ
Z 接收点场强： E = E0 ⋅ A =
60PtGt ⋅ A d
微波中继通信的段距为d=50km, 波长为 7.5cm，收发天线的增益都为45dB，馈线损 耗为3.6dB，该路径的衰减因子A＝0.7。若 发射天线的输入功率为10W，求其收信电平。
Pr0 = Pt0 + Gt + Gr − Lt − Lr − L0 − LF
第一章 电波传播的基本概念
1. 电磁波谱 2. 基本原理与概念 3. 无线电波的传播方式 4. 无线电波在自由空间的传播 5. 传输媒质对电波传播的影响 6. 无线电系统的信道及传播效应 7. 电波传播的分析方法
1.电磁波谱
3×1012 3.95×1014 7.89×1014 5×1016
7.5×1019
E
=
−
j
λ
∫∫s
E(r
')
exp(− r
jkr)
⋅
cosθ
⋅
ds
以标量场为例，无源空间中标量波满足方程：
∇2φ(r) + k 2φ(r) = 0， k = ω εμ
应用Green函数方法，空间标量波函数解为
Kirchhoff 公
ϕ (r) = ∫∫ ⎡⎣G(r,r ')∇′ϕ (r′) −ϕ (r′)∇G(r,r ')⎤⎦ ⋅dS′
(6) 高频： 用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距 地-空通信。
(7) 米波： 用于语音广播，移动(包括卫星移动)通信，接力(~50 km 跳距)通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高增益系数的天线系统。 (8) 分米波： 用于电视广播，飞机导航、 着陆，警戒雷达，卫星导 航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信
Z波长与传播通道大小之间的关系
¾ 波长越短，第一菲涅尔区半径越小 ¾ 光学波段－－射线传播
结论应用
¾ 障碍物未进入第一菲涅尔区，
9 观察点就近似能得到自由空间传播时的场强。
¾ 障碍物进入第一菲涅尔区
9 未挡住收、发之间的几何射线， • 接收点的场强已受到影响，不能视为自由空间传播。
9 挡住收、发之间的几何射线，但第一菲涅尔区未被全部遮 挡， • 此时仍能接收到信号。此种现象称为绕射， • 绕射能力与频率的关系。
为E，自由空间传播的场强为E0 A = E
Z 衰减损耗：
E0
LF
=
20 lg
1 A
=
20 lg
E0 E
Z 路径传输损耗(基本传输损耗)：
Z 接收功率：
Lb =10lg(
Pt Pr
)
=
L0
+
LF
dB
Pr0 = Pt0 + Gt + Gr − Lt − Lr − L0 − LF
= Pt0 + Gt + Gr − Lt − Lr − Lb
+
1 R
⎟⎞φ
⎠
(r'
)⎥⎦⎤
e − jkR R
⋅ ds′
积分表示界面 所有次波叠加
球面波因子，表示发自 边界面上r ‘ 点的球面波
这正是Huygens-Fresnel原理的数学表达式。 它表示区域内任意点 r 的场是界面上所有 次波源发出 次波在该点干涉叠加的结果。
菲涅尔区、菲涅尔带、菲涅尔半径
Pt0 = 10 W = 40dBm
Gt = Gr = 45 dB Lt = Lr = 3.6 dB
L0
=
10
lg
⎛ ⎜⎝
4π d λ
⎞2 ⎟⎠
= 138.46
dB
LF
=
20 lg
1 A
=
20 lg
1 0.7
= 3.1
Pr0 = −18.8 dBm=0.132mW
衰落
Z 定义：信号电平随时间的起伏
Pr Pt
=
L0Gt Gr
=
⎛ ⎜⎝
λ 4π d
⎞2 ⎟⎠
Gt
Gr
=
⎛ ⎜⎝
1 2kd
⎞2 ⎟⎠
GtGr
撑握的知识点
Z自由空间传播损耗概念、公式和特点 Z自由空间传播接收功率 Z自由空间传播接收点场强 Z富莱斯（Friis）传输公式
4.传输媒质对电波的影响
电波与媒质的相互作用
Z 媒质特性
• 频率范围：长波，超长波或极长波 • 优点：远距离可靠通信 • 缺点：频带窄，发送困难
大气波导传播
• 由于大气折射率梯度的变化，在一定情况下产生大气 波导现象，而在一定范围内形成类似金属波导的传输 通道
• 频率范围：400MHz以上 • 优点：通信距离远，保密性强 • 缺点：特殊通信方式
各种传方式都要受到传播介质的影响。从而 使无线电波的传播产生许多复杂的现象。
作用：
Z 通信系统设计中，为了对发射机功率和发射天线 增益、接收机灵敏度和接收天线增益提出合理要 求，需计算衰减损耗
Gt
Gr
Lt
Tx Pt0
L0
Lr
Rx
Pr0
公式表达：
L0
=
Pt (Gt Pr (Gr
= 1) = 1)
L0
= 10 lg
Pt Pr
dB
Gt Pt
Lt
Gr Pr
Lr
Tx Pt0
惠更斯-菲涅尔原理
EQ
=
A
exp(− jk ρ) ρ
dE = A exp(− jk ρ) ⋅ A′ exp(− jkr) ⋅ cosθ ⋅ ds
ρ
r
E
=
AA′
exp(−
ρ
jk ρ )
∫∫s
exp(− r
jkr)
⋅
cosθ
⋅
ds
E
=
−
jA
λ
∫∫s
exp[− jk(r
r⋅ρ
+
ρ)] ⋅ cosθ
⋅ ds
式
S
其中 G(r,r') 为无界空间波动方程
∇2G(r, r') + k2G(r, r') = −δ(r − r')
的解，求解得到：
G(r,r') = 1 exp(− jk r − r' ) 4π r − r'
空间标量波函数为：
球面波幅度因子
φ (r ) =
1 4π
∫∫
S
⎢⎣⎡∇'
φ
(r'
)
距传播
¾ 发射天线与接收天线之间的直视的传播方式 ¾ 频率范围：超短波、微波 ¾ 优点：宽带大，可传送大容量数据 ¾ 缺点：传输距离短
散射传播
Z对流层散射 Z电离层散射 Z流星余迹散射
优点： 传播距离远 抗毁性好、保密性强
地-电离层波导传播
• 电波在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内 的传播，波跳理论和波导模理论解释