现代无线通信原理：第二章无线电波传播原理1(2018)

传播损耗与接收功率关系
◼ 在无线通信系统中，接收电平的动态范围很大，常 用dBW或dBm为单位表示接收电平。
➢Pr(dBm)=10lgPr(mW); Pr(dBW)=10lgPr(W)
➢0 dBW=30 dBm
dB表示了了諔 关系
例：2W 换算dBW、dBm为多少？
10lg2W=3dBW=33dBm
◼ 不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传 播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。 f 反射：主要考虑地面反射 f 地面散射：表现为乱反射，对主波束的影响小，不 需考虑。 f 绕射：在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过 障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，将在 下节讨论。
地面反射对电波传播的影响
◼ 无线信道模型形式 f物理模型 考虑到传播环境的严格物理特性。应用电磁传播理论 分析电波传播特性来建立预测模型。物理模型可提供 传播特性的最可靠估计，但必须仔细计算。 f统计模型 采用实验的方法，测量各种无线环境下的传播特性， 然后基于各类环境测得的统计量应用电磁传播理论分 析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型。易 于描述和使用，但不提供相同的精度。
f 自由空间的电波传播 f 地面反射对电波的影响 f对流层对电波的影响
◼ 3 移动通信系统中的电波传播
自由空间的电波传播
◼ 电波与自由空间的概念
f微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz ， 是全部电磁波频谱的一个有限频段。
f根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波 沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称
d12
+
F2 1
+
d
2 2
+
F2 1
2
2
d1
1 d2
=
d1 +
F2 1
2d1
+ d2
+
F2 1
2d2
=
d
+
2
◼可近似得到第is一费涅耳区半径 F1：
F1 =
d1d2 d
（5）
费涅耳区半径
图4
Fini
费涅耳区半径
D ◼同理求出第二费涅耳区半径为 ：
F2 =
2 d1d2 = d
2F1
◼第n费涅耳区半径为：
Fn =
n d1d2 = d
n F1
◼第一费涅耳区半径公式中，若 为米（m），d1, d2和d 的 单位为公里（Km） ,则
F1(m) = 31.6
(m)d1(km)d2 (km) d (km)
（6）
辰辰辰 31.6
费涅耳区半径
◼ 由公式（6）可见，当动点P在路径中所处的位置不同 时，费涅耳区半径也就不同。P在路径中点时，以第 一费涅耳区半径为例，公式中d1＝d2，此时的第一费 涅耳区半径有最大值，用F1m表示。
f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。短波通信采用的正是这种电波传播模式。
电磁波传播机制概述
建筑物反射波 绕射波 直达波 地面反射波
视距传播
直射
电磁波传播机制概述
阻挡体比传输波 长大的多的物体
反射
绕射
阻挡体为尖利边缘
Mobile Communication Theory
散射
[Pr (100)] = [Pt ] − Lp = −58.5dBw = −28.5dBm
或[Pr (100)] = 10 lg
PtGtGr 2 (4 d)2
= −58.5dBw
d = 10km :[Pr (10km)] = −58.5 − 40 = −98.5dBw = −68.5dBm
例题2
已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz， 两站相距45km，Gt＝Gr＝39dB，Lft＝Lfr＝2 dB， Lbt＝Lbr＝1 dB。求：在自由空间传播条件下接 收机的输入电平和输入功率。 解: 由已知条件站距d＝45km，工作频率 f=3800MHz，由下式可求得： Ls（dB）=32.4+20lg45+20lg3800≈137(dB)
吉林大学通信工程学院
无线电波传播原理
◼ 电磁波传播机制概述 ◼ 微波通信系统中的电波传播 ◼ 移动通信系统中的电波传播
电磁波传播机制概述
◼ 研究无线传播的目的 f为估计一个闭合通信链路所需要的功率提供预测模型 f提供可靠通信 f在补偿无线传输所引起的损伤方面为接收机提供设计思 路
电磁波传播机制概述
图1
费涅尔区的概念
◼ 结合点源发出的球面波图，当用T点发出的且过P点的第N个 球面波前面与n个费涅耳旋转椭球面交割，就可在交割界面 上得到一系列的圆和圆环，见图。
◼ 设TR之间距离为d。当常数PT＋PR为：d＋λ/2时，P点的轨迹 一一
摊 为第一费涅耳椭球面；
P
A
__ 图中别用 A 标出。
B
◼ d＋2λ/2时，P点的轨迹
自由空间的电波传播
◼ 考虑一个全向辐射源，它在所有方向的发射功率均 为PT(W),每单位面积的功率或功率通量密度为
= PT R 4 d2
即信源每单位时间辐射能量一定分布在包围信源 的球面上
自由空间的电波传播
◼ 各向均匀辐射的天线有效面积 Ar
◼ 接收功率
Ar =
2Gr 4
发的增益
co Pr =
R Ar
产生于粗糙表面、小物体或其 它不规则物体
电磁波传播机制概述
➢ 直射波。对应于在发射机和接收机之间有一条清楚的传输路 径。微波通信通常依靠发射机与接收机之间的视距路径进行 通信。
➢ 反射波。当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。 反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。由于地形地物的 复杂性，通常电波的反射路径可能不止一条。
=
PT Gt 4 d2
Ar
= PT Gt
2Gr
4 d2 4
式中，Pt为发射功率，以球面波辐射, λ为工作波长，Gt， Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和 接收天线间的距离。
自由空间的电波传播
◼ 自由空间的传播损耗
贳 Ls
=
Pt Pr
◼ 当Gt=Gr=1时， Ls = 4 d 2
◼ 把上式转换为分贝形式
➢ 绕射波。当接收机和发射机之间的无线路径被地形地物阻挡 时，在地形地物的背面会形成绕射，即有部分电波绕至阻挡 物的背面，此时接收场强衰减非常迅速，但绕射场依然存在 并常常具有足够的强度。绕射波的强度受传播环境影响很大， 且频率越高，绕射信号越弱。
内容
◼ 电磁波传播机制概述 ◼ 微波通信系统中的电波传播
P”
说明 在P’点处的次级波前中，
d+2 /2
次级波前 P’
d+ /2
只有夹角为θ（即 TP ' R）
90
T
R
的次级波前能到达接收点R
P
d
每个点均有其对应的θ角，
θ将在0º到180º之间变化 θ越大，到达接收点辐射能量越大
扩展波前
图 对惠更斯－菲涅尔原理说明
惠更斯—费涅耳原理
◼在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于站间距离的时候， 我们可以把发信天线近似看成一个点源，如图所示。 ◼当把波前面分成许许多多面积元时，这些面积元都成为一 个新的点源。尽管发信和收信点r 之间有障碍物，由于它不 可能阻挡住所有的面积元，故R点仍有一定的场强值。
∵Pr（dBm）＝10logPr
−35
∴Pr（mW）＝ 10 10 ＝ 10-3.5mW＝0.32μW
◼ 电磁波传播机制概述
◼ 微波通信系统中的电波传播
f自由空间的电波传播 f地面反射对电波传播的影响 f对流层对电波的影响
移动通信系统中的电波传播
内容
地面反射对电波传播的影响
◼ 费涅耳区---惠更斯－费涅耳区原理
T
R
为第二费涅耳椭球面，
图中用B 标出。
图2
费涅尔区的概念
图3
费涅耳区半径
◼ d＋nλ/2时，P点的轨迹为第n费涅耳椭球面。n越大， 费涅耳椭球面越大。
◼ 把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费
涅耳区半径，用F表示。第一费涅耳区半径用F1表
示（F1在工程上是用得最多的参数之一）。
◼根据费涅耳区定义由图可见：
f 惠更斯—费涅耳原理 f 费涅耳区的概念 f 费涅耳区半径 f 图解法求图第一费涅耳区半径
◼ 收信点场强与各费涅耳区参量的关系 ◼ 地面反射对收信电平的影响 ◼ 平坦地形对电波的反射
f 平坦地形对电波的反射 f 用费涅耳区的概念分析地面反射影响 f 路径上刃形障碍物的阻挡损耗 f 微波线路的分类
地面反射对电波传播的影响
o 为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁
波简称为电波。
自由空间的电波传播
◼ 自由空间传播损耗
f自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态 的理想空间。
f在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收 和散射等现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。
f电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而 衰耗。因为电波由天线辐射后，便向周围空间传播， 到达接收地点的能量仅是一小部分，距离越远，这 一部分能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样， 均匀地向四面八方扩散出去。
反射影响主要表现 f地面可以把天线发出的一部分信号能量反射 到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更 大些），与主波信号产生干涉，并与主波信 号（直射波）在收信点进行矢量相加，其结 果是，收信电平与自由空间传播条件下的收 信电平相比，也许增加，也许减小。
费涅耳区---惠更斯－费涅耳区原理
◼ 惠更斯提出了电磁波的波动性学说，费涅耳在这个基 础上又提出了“费涅耳区”的概念，进一步解释了电 波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。
◼ 在工程设计时，已将站距、微波频率和F1m三者关系制 成曲线，如图5所示，若想求任意一点的F1时，参见用 图解法求图第一费涅耳区半径。
图解法求图第一费涅耳区半径-1
例：
已知：d1 = 10km, d2 = 40km, f = 4GHz
解：
in
F1 =
d1d2 d
= 3 108 10 40 103 4 109 50
电磁波传播机制概述
◼ 无线通信中主要的电波传播模式 有空间波、地表面波和天波三种
f空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。 在电波的传播过程中，会出现反射、折射和散射等现 象。长途微波通信和移动通信中均采用这种视距通信 方式。
f地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。长波、 中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。
第二章无线电波传播原理吉林大学通信工程学院无线电波传播原理移动通信系统中的电波传播电磁波传播机制概述研究无线传播的目的为估计一个闭合通信链路所需要的功率提供预测模型提供可靠通信在补偿无线传输所引起的损伤方面为接收机提供设计思无线信道模型形式物理模型考虑到传播环境的严格物理特性
第二章 无线电波传播原理
LǛ
传播损耗与接收功率关系
◼ 自由空间传播条件下收信电平
pr (dBm) = pt (dBm)（+3(）Gt + Gr ) − Ls
◼ 微波通信中若考虑系统损耗和电路损耗，自由空间传播条件下收 信电平
pr (dBm) = pt (dBm) + (Gt + Gr ) − [L（ft +4）Lfr ] − [Lbt + Lbr ] − Ls
LS (dB) = 32.45 + 20log f + 20log d
LS (dB) = 92.45 + 20log f + 20log d
(1) d : km f : MHz (2) d : km f : GHz
（1）、（2）式表明d倍程或f倍频变化,损耗有6dB变化。
自由空间的电波损耗
自由空间损耗
◼ 惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想： 光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹 性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点， 并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。
惠更斯－菲涅尔原理
原理 电波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级 波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。
例题1
M Ht
el km
若发射机发射功率20W, f=900MHz,Gt=1, Gr=1,求自由空间10n0imte
处接收功率为多少dBm?10km处接收功率为多少dBm?
解:
[Pt ] = 10 lg 20w = 13dBw = 43dBm
的传播损耗
Lp = 32.45 + 20 lg 0.1+ 20 lg 900 = 71.5dB
将Pt=1W换算成电平值： P =10lg1000mW＝30 dBm
∴Pr（dBm）＝Pt(dBm)+(Gt+Gr)－(Lft＋Lfr) －(Lbt＋Lbr)－Ls
＝30+(39+39)-(2+2)-(1+1)-137=－35 (dBm)
例题2
若求收信机的输入电平时，只要将电平值取 “反”对数即可。
其中Pr（dBm） 、PT（dBm）为接收、发射功率，Lfr （dB） Lft （dB） 分别为收发两端馈线系统损耗， Lbt （dB） Lbr （dB）分别为为收发两 端分路系统损耗， Gt（dB） 、 Gr（dB）分别为发射、接收天线增益。
◼ 上式是基本链路预算方程，说明了考虑无线链路传输特性时接收 功率与发射功率之间的关系。闭合链路要求上式右边为接收机提 供足够的功率，以便可靠检测发射机所发射的信息，即右边必须 大于接收机灵敏度。