无线电波传播 第二讲 电离层探测 地磁场 介电常数 等离子体共29页

电
线
通
信
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整体概述
概述一
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概述二
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概述三
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无线通信的概念
利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的 通信方式称为无线电通信，简称无线通信。
我们身边有哪些无线通信应用
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无线通信的发展
1837年 莫尔斯电码
1876年 贝尔发明了电话
厘米波 (SSW)
毫米波 (ESW)
１０ ~ １００m １ ~１０
m
１０ ~ １００cm
１~ １０cm 1 ~10mm
3 ~3０M 30 ~300M 300MHz~3G
3 ~3０G 30 ~300G
高频 （HＦ）
甚高频 （ＶHＦ） 特高频 （ＵＨＦ）
超高频 （ＳＨＦ）
极高频 （ＥＨＦ）
广播、通信
电视广播、调频广 播、雷达
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慢衰落
慢衰落（阴影衰落） 由于建筑物、地形起伏等障碍物对传播路径的阻挡，
在障碍物后面会形成“阴影区”，造成接收信号强 度缓慢变化，称为慢衰落。克服方法主要是加大发 射功率，增加接收灵敏度。
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多普勒频移
当接收端与发射端之间存在相对运动时，接收端接收到 的信号频率与发射端的信号频率不相同，这种现象称为 多普勒效应，接收频率与发射效率之差称为多普勒频移。
红外线
X射线
射线
可见光 紫外线
f(Hz)104 105 106 双绞线
107
108
109 1010 卫星
1011 1012 1013 1014 1015 1016 光纤

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§5.4 天波传播
无线电波在电离层中的传播
为简化讨论，做如下假设：
电离层为各向同性媒质； 电子浓度N只是高度h的一元函数； 在各区电子浓度最大值附近，N（h）近似为抛物线 状
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§5.4 天波传播
反射条件
不考虑地磁场影响时，εr是一个标量
εr = 1−
80.8 N 80.8N f2
（1）
通常认为磁导率为μ0 ，故电离层的相对折射率
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§5.4 天波传播
对某一通信电路而 言，可能存在的传 播模式是与通信距 离、工作频率、电 离层状态等因素有 关的。 通常，若通信距离 小于4000km时主 要传播模式为1F 型
图5-11 多跳传播
表5-2 何种距离可能存在的传输模式
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§5.4 天波传播
对于一定的通信距离即使是单一传输模式，一般也 存在着两条传播路径，其射线仰角分别为 ∆1 和 ∆ 2 ， 低仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在 较低的高度上就从电离层反射下来，而高仰角射线 由于入射角小，则需要在较大的电子浓度处才得以 反射回来 以上现象说明，对一定的传播距离而言，可能同时 存在着几种传输模式和几条射线路径，这就是短波 通信中的多径传输效应。接收点场强则是这些射线 的场强之和
r
5
§5.4 天波传播
实际上电离层的电子浓度是随距地面的高度不 σ 同而变化的，因此其等效电参数 ε r ， 随高度变 化，电离层呈现不均匀的性质 由于气体分子的湍流以及电离源的随机变化， 使电子浓度有小尺度的起伏，因此电离层的等 效电参数具有随机过程的性质 电离层是一个色散、各向异性、随机的、时空 变化的半导电媒质。严格地说，它也是一种非 线性媒质
图5-13 天波传播路径的几何关系

2 2
第3章 电离层电波传播 地磁场的影响：
FB ev B0
– 电场方向与地磁场方向一致 则FB=0，地磁场对电子运动不产生任何影响 – 电场方向与地磁场方向垂直 则FB值最大，电子将围绕地磁场的磁力线作圆周运动。
若ω=υ， 则电离层的电导率最大， ω>>υ和 ω<<υ时，电导 率很小，近似为0 。 频率越高，电导率越小。 D层：υ=106-107次/秒 E层：υ=105次/秒 F层：υ=102-103次/秒 800km：υ=1次/秒 D层电导率最大，E层次之，电离层吸收损耗主要由D层引 起，有时称D层、E层为吸收层。
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播
第3章 电离层电波传播
电离层电波传播(Ionospheric Radio Propagation)
– 无线电波在电离层中的传播 • 天波传播(Sky Wave Propagation):经电离层反射后到达接收 点的传播 • 电离层散射传播 • 流星余迹散射传播
3.1 电离层概况 3.2 无线电波在电离层中的传播 3.3 短波天波传播 3.4 中波和长波电离层传播
第3章 电离层电波传播
3.1.3 电离层的等效电参数 – 无规则热运动 – 外电场作用作简谐运动 – 碰撞导致吸收损耗 –电离层的等效电参数
•有耗等离子体的复相对介电常数 r r j 0 •如何求解εr和σ？

H j 0 E J e r E j 0
2
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播 电离层的规则变化 • 日夜变化:正午稍后时分达到最大值，到拂晓时各层的电子 密度达到最小，黎明和黄昏时分，电子浓度变化最快。夜 间D层消失，E层变低、密度减小，F层合并且浓度降低。 • 季节变化：一般夏季的电子密度大于冬季，但F2层例外。 • 随太阳黑子11年周期的变化：黑子数目增加，各层电子密 度增加，F2层受太阳活动影响最大。

02
电离层传播模型需要考虑电离层 的结构、成分、电子密度等参数 ，以及电离层对电波的吸收和反 射等作用。
地面对无线电波的吸收
地面对无线电波的吸收是指电波在传 播过程中，由于地面物质的吸收作用 而导致的能量损耗。
VS
地面对无线电波的吸收与地面的物质 成分、湿度、温度等因素有关，不同 的地面类型对电波的吸收程度不同。
对流层传播模型
对流层传播模型适用于电波在对流层中的传播，由于对流层的气象条件复杂多变，电波传播受到大气 折射、散射、吸收等因素影响。
对流层传播模型需要考虑大气温度、湿度、气压等参数，以及气象条件对电波传播的影响。
电离层传播模型
01
电离层传播模型适用于电波在电 离层中的传播，电离层对电波的 折射、反射、散射等作用会影响 电波的传播路径和强度。
、雷达等领域。
无线电波的产生与传播
产生
无线电波可以通过电子运动、振荡器 、天线等设备产生。
传播
无线电波在传播过程中会受到多种因 素的影响，如大气、地形、建筑物等 ，其传播方式和距离也会因此而有所 不同。
02 无线电波传播方式
直射传播
直射传播是指无线电波直接从发射天线沿直线到达接收设备 ，不经过其他介质或物体的反射、折射或散射。直射传播的 路径损耗较小，信号质量较好，但受地形、建筑物等遮挡物 的影响较大。
自由空间传播模型
自由空间传播模型适用于电波在自由 空间中的传播，其假设电波在均匀介 质中沿直线传播，不受地球曲率、大 气折射等因素影响。
自由空间传播模型的公式为：$d = frac{c}{2pi f sqrt{epsilon}}$，其中 $d$为电波传播距离，$c$为光速，$f$ 为电波频率，$epsilon$为介电常数。

• 电波传播具有可逆性，即电波从A点传播到B点所经历的损耗和衰 减同电波从B点传播到A点所经历的是一样的。
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1.2 频段划分
通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点300GHz（Giga Hertz）。通常划分成八个区域，参看下表：
波段 号数
符号(中译名)
频率范围频率范 (下限除外包括上限)
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1.5 快衰落与慢衰落
总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多径，从建筑物表面或其 他物体反射、散射而产生的短期衰落；第二种是直接可见路径产生的主要 信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利 分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。
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• 平均差值 = 9.5dB, 变化范围为 = -6 ～22 dB (损耗包括了 ERP和电缆损耗的不同)
120 100
80 60 40 20
图0 中部分变化较大的值是由于天线波瓣图的差异造成的 • 室内穿透损耗1800M比900M平均要大3～5dB，但对部分
建筑物可能是负的
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1.7 900/1800频段传播特性比较
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～
这说明平均损耗差值在810db之间且依赖于具体电波传播环境和基站天线高度179001800频段传播特性比较?以下测试是在市区环境中同一站址分别在1800mhz和900mhz频段的下行链路中进行的?平均差值95db变化范围为622db损耗包括了erp和电缆损耗的不同图中部分变化较大的值是由于天线波瓣图的差异造成的?室内穿透损耗1800m比900m平均要大35db但对部分建筑物可能是负的02040608010012015131197531135791113151719212325samples179001800频段传播特性比较11010090807060504030201001020304050607080901000509131721252933374145495357616569737781cellrangekmcoveragethresholddbmlocationprobablitycoveragethresholdgsm1800coveragethresholdgsm900locationprobablitygsm1800locationprobablitygsm900?路径损耗用5db纠正?bs天线高度30m?ms天线高度15m?标准方差8db?路径损耗斜率338?gsm1800ms灵敏度功率100dbm30dbm?gsm900ms灵敏度功功率率102dbm33dbm平均差值877db?由于1800m频段的覆盖比900m频段要差810db因此可以通过共站址的方法实现有效的室外覆盖

E 30PiGi
如果接收天线的增益系数为GR, r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
pRS0Ae4piG r2 i 4 2G R
GR
4Ae 2
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:
Lbf
10lg
Lbf
pi
Pi pR
4r2Gi1GR
pR
3 . 4 2 2 5 lf ( g 0 M ) 2 l H r ( g k 0 ) G m Z i ( d ) G B R ( d )B
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ε 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。
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）

10.3.2 短波天线传播工作频率的选 择
• 频率太高，虽然电离层的吸收小，但电波容易穿出电离层； • 频率太低，虽然能被电离层反射，但电波将受到电离层的强烈吸收。 • （1）不能高于最高可用频率(fMUF)
• fMUF与电离层的电子密度及电波入射角有关。N越大， fMUF越高 • 电波频率为最高可用频率时，可能电波穿出电离层。
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视距距离的意义
• 实际的视距传播应满足亮区条件。否则绕射损失会加大电波传播的总损耗。
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2.天线的等效高度
H1,H2不等时，如何确定d1和d2则比较复杂，通常需要查表 第67页/共76页
3.球面地的扩散因子
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11.2 对流层大气对 视距传播的影响
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• 2）不能低于最低可用频率(fLUF) 保证所需的信噪比的频率为fLUF，由电离层的吸收、噪声决定。 晚上fLUF低，白天高 最佳工作频率fowF
• 3）日频、夜频
fOWF 85% fMUF
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10.3.3 短波天波传播的几个主要问题
1. 衰落现象严重
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E层能反射几 兆赫兹的电波。
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F层空气极其 稀薄，电子密 度最大，碰撞 概率低。
10.1.2 电离层变化规律
电离层是一种随机的，色散的，各向异性的半导电 媒质。它的参数如电子密度、分布高度、电离层厚度等 都是随机量。
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1.电离层的规则变化
• 位置变化
D层突然吸收现象（时 间较短,平均几分钟）
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太阳风，速度约几百上千 km/s，到达地球需要30小 时左右。带电粒子流的空 间分布范围较窄。 电子密度下降的影响是本 来F2层反射的电磁波，被 穿透，造成信号中断。

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
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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
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大气媒质的分层情况
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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
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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)。

频率 相
等时,电路中激起的感应电流最强,这种现象叫作电磁谐振,也称为电谐振。
(3)调谐:使接收电路中产生 电谐振
的过程叫作调谐。能够调谐的接
收电路叫调谐电路。
四、无线电波与移动互联网
(1)信息技术的核心内容:获取、表达、 存储 和 传递 。
(2)蜂窝系统:每一个固定的 基站 的工作范围经过合理的调配后呈正六
C.增大自感线圈的匝数
D.提高供电电压
解析 要增大无线电波向空间发射电磁波的能力,必须提高其振荡频率,即
减小L或减小C,要减小L,可通过减小线圈匝数、向外抽铁芯的方法;要减小
C,可采用增大板间距离、减小极板正对面积、减小介电常数的方法,故B
正确。
探究点二
无线电波的接收
导学探究
如图所示,我们调节旋钮改变的是什么?调节的目的又是什么?
振幅也就随着声音信号的变化而变化,这就是调制。它不但影响了正半周,
也影响了负半周,故选B。
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4.(电磁波发射)(多选)在电磁波的发射过程中,用一平行板电容器C和一个
线圈L组成LC振荡电路,要增大发射电磁波的波长,下列调节正确的是( BD )
A.增大电容器两极板间的距离
B.增大线圈的匝数,在线圈中加铁芯
电磁波。
(2)调制:把传递的信号加到载波上的过程。
①调幅:振幅随信号的强弱而变。
②调频:频率随信号的强弱而变。
二、无线电波的传播
(1)地波:沿地球表面空间传播的无线电波叫作地波。 长波
和中短波可用作地波。
电离层
(2)天波:依靠
中波
、________
的反射来传播的无线电波叫作天波。
短波
最适合以天波的形式传播,可传播到几千千米外的地方。