电波传播基本概念

| E || E0 | A
60PtGt A d
24
实际能流密度S
S | E0 |2 PtGt A2
240 4 d 2
W / m2
接收功率PrLeabharlann PrS·Ae·Gr

PtGtGr

4 d
2
A2
W
信道的传输损耗L：发射天线的输入功率Pt与接收天线的输 出功率Pr（匹配情况时）之比
O2
r3 r2
2 r2 d 2( / 2)1 O1 r1
T
d1
O
d2
R
n

rn

d

n·(
/
P
2)
d d1 d2
—LOS路径（视距路径）
Q
1 r1 d / 2 2 r2 d 2( / 2)
O3
3 2
O2
r3 r2
1 O1 r1
T
2
赫兹实验示意图
1901年12月12日， 马 可 尼 成功进行了跨大西洋通信实验 ，距离2000英里。 俄国物理学家波波夫制成了无线电接收机，成功 实 现 了无 线电报。
4
电波传播研究进程: 1899年Sommerfield研究了麦克斯韦方程组的解。他的
学生Zenneck发现了沿地表传播的电磁波，称为Zenneck 波。 1902年，Kennelly ， Heaviside认为上空存在导电层， Appleton和Barnett在1925年，Briet和Tuve在1926年试 验证实了电离层的存在。1926-1945年左右，开始了电离 层和电离层传播的研究。 我国在1936年开始观测日食对电离层的影响，1945年开 始对电离层进行垂直探测。 1934-1946年，开始微波视距传播研究。 1945-1960年，开始微波远距离传播研究，主要研究大气 波导传播、流星余迹散射传播、对流层散射传播、电离层 散射传播、山峰绕射远距离传播等。
第一菲涅尔半径
F1
d1d 2
d
Fi iF1
F1
d1d 2
d
第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道
请从场强角度 分析“第一菲 涅尔椭球为电 波传播主要通 道”的原因
波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭 球越细长。对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长， 因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播。
电波要受到传输环境的吸收、散射、绕射、反射等影响， 使接收点的场强下降即产生衰减，由于媒质随机分布与 随机运动等特征导致衰落现象，由于媒质对电波作用的 “色散效应”导致信号传输失真，媒质随机分布的统计 结果出现“统计分层”，会导致电波传播方向改变，同 时传播环境还会导致不需要的电磁信号进入接收系统即 产生噪声。
2
240
对比
S

Pt Gt
4 d 2
可以得到接收点的场强为
| E0 |
60PtGt d
| E0 | 120
| H0 | 注意E0和H0的定义
四、传输媒质对电波传播的影响
电波传播的实际环境总是涉及各种各样的媒质，在一般 情况下，电波传播的过程就是电磁波与媒质相互作用的 物理过程。
自由空间接收场强 设点源发射天线辐射功率为Pt，则距离发射天线ｄ处的接收 天线处的能流密度S为
S Pt
4 d 2
考虑到发射天线的增益Gt使接收点的能流密度增大的效果 后，实际上接收点的能流密度为
S PtGt
4 d 2
另外，平均能流密度又可表示为
S 1 Re[E H *] | E0 |2
O1、O2、……、On在旋转过程中形成相应的圆周，Oi-1与Oi之 间的圆环称为第i菲涅尔带。第一菲涅尔带是一个以OO1为半径 的圆面。令Fi=OOi，Fi为第i带的外半径，称为第i菲涅尔半径
Q
设 Fi d1, d2，则
i d12 Fi2 d1 Fi2 / (2d1)
O3
3 2
根据衰落成因不同可以分为：吸收型衰落和干涉型衰落
吸收型衰落: 由于媒质的电参数变化，使信号衰减发生了变 化，周期一般较长，为慢衰落。
干涉型衰落: 由于信号传输的多径效应造成信号干涉加强或 者减弱，在移动通信中更为强烈，一般变化强烈，称为快 衰落。
吸收型衰落
干涉型衰落
表征衰落特性的常用数字特征：
电波传播基本概念
一． 电波传播历史与发展
无线电波传播研究的主要内容是电磁波与传播媒质的相互作 用及其在有关电子系统工程和环境探测中的应用。它是一门 实验性科学。
典型的实验: 德国Hertz于1885-1889年间， 进行了一系列UHF波段的电波传 播试验，产生了电磁波（称为 Hertz波）。Hertz测定了Hertz 的波长和传播速度，证明了反射、 折射特性和光一样，证明了光是电 磁波
A
1＜2
即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况 下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点 仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的 障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道 的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越 大，因此频率越低，绕射能力越强。
衰落深度＝20lg(Ei/E0) 式中 Ei—接收电平值；E0—场强中值。
E1的衰落深度大于E2
衰落速度是描述场强变化的快慢，即衰落频繁程度的物理量。 定义：单位时间内场强包络与场强中值相交次数的一半。
E0
0
t
可见,衰落速率明显不同
衰落持续时间:场强低于某一给定电平值的持续时间。通 常是接收机门限。 如果接收到的信号电平低于接收机门限电平，就可能造 成话音中断或产生信令误码。
121.98 20lg r(km) 20lg (cm)
注意各物理量的单位
L0 32.45 20lg f (MHz) 20lg r(km)
121.98 20lg r(km) 20lg (cm)
自由空间基本传输损耗L0仅与频率f和距离r有关。当f 和r
扩大一倍时，L0均增加6dB，由此我们可知GSM1800基 站传播损耗在自由空间就比GSM900基站大6个dB。
发射天线的输入功率pt不接收天线的输出功率pr匹配情冴时之比2241trtrpdlpagg??????????如用分贝表示则有4120lg20lgtrdldbgdbgdbdba????????????26如果丌考虑设备的影响只考虑信道传输媒质中功率的传输情冴则称为路径传输损耗戒称为基本传输损耗4120lg20lgtrdldbgdbgdbdba????????????41120lg20lg20lgbfdldbldbdbdbaa????????????由于衰减因子a随丌同的传播方式丌同的传播情冴而丌同因此计算衰减因子a时应结合丌同传播方式迕行
由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸 出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了 第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、 发两点之间不能视为自由空间传播。而当凸出物未进入第 一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为 该收、发两点之间被视为自由空间传播。
P
7
波源T发出的球面波，在Q点的场强为
Q
dS
r
T
EQ

A exp(

jk )
R S
根据惠-菲原理，EQ 为R点接收场强的二次辐射源。它在R点建 立的场强与dS面元所在处的场强EQ和dS在QR方向上的投影面
积成正比。因此，面元dS在R处产生的场强dE为
dE AA' exp( jk) exp( jkr) cos dS
* 场强中值
——衰落的平均值
* 衰落深度
——衰落的严重程度
* 衰落速度
——衰落的快慢
* 衰落持续时间 ——衰落的持久
场强中值:具有50％概率的场强值。
定义2：场强曲线中，若在一个相当长的时间 内观测，场 强值高于E0和低于E0的时间各占一半，则规定场强中值为 E0
衰落深度是描述衰落严重程度的物理量。 若以分贝表示，则
5
1945年Clarke提出卫星广播的科学幻想，1957年，世界 上第一颗卫星（苏联）发射升空。
1965年，COMSAT系列通信卫星的第一颗EARLY BIRD通 信卫星升空，开始了卫星通信时代。
电波传播学科发展模式和特点：
电波传播研究中，试验研究占主要地位，同时要和工程结 合紧密。
电波传播研究应扩大研究领域，即交叉渗透。 历史上电波传播主要为通信服务，现在电波传播研究应结
无线电波在自由空间的传播称为自由空间电波传播。 自由空间传播损耗
自由空间传播损耗是指：当发射天线和接收天线的方向系
数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收
功率PL的比值，记为L0，即
L0

Pr PL
或
L0
10 lg
Pr PL
dB
D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为
Sav

Pr
衰减；衰落；传输失真；传输方向改变；噪声
传输损耗（衰减）
衰减因子A：接收点的实际场强E与自由空间场强E0之比。
A E
或
A(dB) 10lg( E )
E0
E0
衰减因子A是与工作频率、传播距离、媒质参数、地貌地
物状况、传输方式等因素有关的量，因此衰减因子对电
波传播的研究是一个很重要的参数。
实际接收点的场强E为：

r
dE AA' exp( jk) exp( jkr) cos dS

r
R点实际场强是S面上所有二次辐射源在R点产生辐射场强的 叠加结果，因此R点总场强E为
E

AA '
exp(

jk )

S
exp( r
jkr)
cos
dS
A' j

——惠更斯—菲涅尔原理的数学表达式
E

L
Pt Pr


4 d
2·A2G1tGr
如用分贝表示，则有
L

20
lg

4 d


20 lg
1 A
(dB)

Gt
(dB)

Gr
(dB)
dB
25
L

20
lg

4 d


20 lg
1 A
(dB)

Gt
(dB)
Gr
(dB)
dB
如果不考虑设备的影响，只考虑信道（传输媒质）中功率 的传输情况，则称为“路径传输损耗”或称为“基本传输 损耗”
菲涅尔余隙
设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x表 示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x
称为菲涅尔余隙。其中(a)为负余隙，(b)为正余隙。
障碍物引起的绕射损耗与 菲涅尔余隙之间的关系：
x1—第一菲涅尔半径 结论：
当x/x1>0.5时，则障碍物对 直射波的传播基本上没有影 响。
合更多学科，如雷达、遥感、导航、广播、微电子等。
6
二、基本原理与概念
惠更斯—菲涅尔原理
惠更斯—提出了子波概念
菲涅尔—提出子波是相干波
惠更斯—菲涅尔原理是处理反射、折绕射等问题的工具。
T—球面波波源 R—接收点 S—某时刻波前 dS—Q点处小面元

Q
dS
r
T
R
r—Q、T距离
r—Q、R距离
S
q—TQ、TR夹角
O2
r3 r2
1 O1 r1
ri
d
2 2
Fi2
d2
Fi2
/ (2d2 )
T
d1
O
d2
R
1
将其(a代 b入)2

1
a2

1 2
1
a 2b

(
1
)a

3 2
b2
8

P
i ri d i·( / 2)
得
Fi
i d1d 2
d
距离越长，波长越短，菲涅尔半径就越小，并且 菲涅尔半径在收发中点处（d1=d2）取最大值。
4 r2
D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为
Ae

2 4
所以该接收天线的接收功率为
PL

Sav Ae


4 r
2

Pr
PL

Sav
Ae


4 r
2

Pr
于是自由空间传播损耗为
L0
10 lg
Pr PL

20 lg
4 r
dB
或
L0 32.45 20lg f (MHz) 20lg r(km)
d1
O
d2
R
n rn d n·( / 2)
P
满足上面第i个方程的所有Oi点在TOiR平面上是个以T和R为焦 点的椭圆，将该椭圆以TR为轴旋转得到一个旋转椭球面，上式
中每个方程都对应一个旋转椭球面。这些椭球面所包围的空间
区域称为第i菲涅尔区。相邻菲涅尔区之间的相位差为180度（
l/2的波程差）。
当x=0时，TR直射线从障碍 物顶点擦过时，绕射损耗约 6dB；
当x<0时，TR直射线低于障 碍物顶点，损耗急剧增加。
三、自由空间电波传播
自由空间严格来说应指真空，但实际上不可能获得这种条 件。通常指充满均匀、无耗媒质的无限大空间。换言之， 该空间具有各向同性、电导率为0、相对介电常数和相对磁 导率恒为1的特点。因此，自由空间是种理想情况。

A
j


S
exp

jk
r
r



cos

dS
——惠更斯—菲涅尔原理的严格数学表达式
菲涅尔区、带、半径
收发点TR连线上一点O，过O作垂直于TR的平面S，S与通
过TR的垂直平面交PQ，Q在PQ上，取O1、O2……On点，使 它们满足
r d / 2 1 1
O3
3 2
L

20
lg

4 d


20
lg
1 A
(dB)

Lbf
(dB)

20
lg
1 A
(dB)
dB
由于衰减因子A随不同的传播方式、不同的传播情况而不 同，因此，计算衰减因子A时应结合不同传播方式进行。
26
衰落现象 信号电平随时间的起伏变化现象
注意：损耗（衰落）与衰减不同但有联系，衰减可以造成衰 落现象，但是衰落不一定都是衰减造成的。