移动信道的传播特性

AR
2 4
GR
式中， λ2/4π为各向同性天线的有效面积。
• 由式(3 - 6)至式(3 - 8)可得
PR
PT
GT
GR
4d
2
(3 - 9)
当收、 发天线增益为0dB， 即当GR=GT=1时， 接收 天线上获得的功率为
PR
PT
4d
2
(3 - 10)
• 由上式可见， 自由空间传播损耗Lfs可定义为
x R
d2 h2
(a)
T d1
d2
R
x
h2
h1
P
(b)
• 图 3 - 3 障碍物与余隙 • (a) 负余隙； (b) 正余隙
•
由图 3 - 4 可见， 当x/x1＞0.5 时， 附加损耗约为0dB，
即障碍物对直射波传播基本上没有影响。 为此， 在选择天线高度时，
根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1; 当x＜0， 即直 射线低于障碍物顶点时， 损耗急剧增加； 当x=0时， 即TR直射线从障 碍物顶点擦过时， 附加损耗约为 6dB。
d a b c (d1 d2 )2 (ht hr )2 (d1 d2 )2 (ht hr )2
d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
(3 - 27)
式中， d=d1+d2。
•
通常(ht+hr)<<d, 故上式中每个根号均可用二项式定理展开，
并且只取展开式中的前两项。 例如：
第3章 移动信道的传播特性
• 3.1 无线电波传播特性 • 3.2 移动信道的特征 • 3.3 陆地移动信道的传输损耗 • 3.4 移动信道的传播模型 • 思考题与习题
• • 信道 • • • • • 信道
•
有线信道 无线信道
恒参信道
架空明线 电缆 光纤 中、长地表面波
短波电离层反射 超短波、微波直线传播 及散射传播
•
3.2.1 传播路径与信号衰落
•
在VHF、 UHF移动信道中， 电波传播方式除了上述的直射波和
地面反射波之外， 还需要考虑传播路径中各种障碍物所引起的散射波。 图
3 - 6 是移动信道传播路径的示意图。
d2
hb
d
hm
d1
• 图 3 - 6 移动信道的传播路径
•
图中， hb为基站天线高度, hm为移动台天线高度。 直射波的传播距
大容量微波中继通信： 3600-4200MHz； 大容量微波中继通信： 5850-8500MHz； 数字通信；卫星通信； 国际海事卫星通信： 1500-1600MHz；
再入大气层时的通信； 波导通信
3.1 无线电波传播特性
•
3.1.1 电波传播方式
•
发射机天线发出的无线电波， 可依不同的路径到达接收机，
•
例 3 - 1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙
x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。
•
解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为
［Lfs］ = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB
定义为反射波场强与入射波场强的比值， R可表示为
• (3 - 22)
R
=
|R|e-jψ
•
式中， |R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比， ψ代表
反射波相对于入射波的相移。
•
对于水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列
公式计算：
Rh
Rh e j
sin sin
(c (c
cos2 )1/ 2 cos2 )1/ 2
况下， 电波可视作在自由空间传播。
•
虽然电波在自由空间里传播不受阻挡， 不产生反射、 折
射、 绕射、 散射和吸收， 但是， 当电波经过一段路径传播之后， 能
量仍会受到衰减， 这是由辐射能量的扩散而引起的。 由电磁场理论可
知， 若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦， 则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为
H0
30PT GT
120d
(A/ m)
S PTGT
4d
(W / m2 )
(3 - 4) (3 - 5) (3 - 6)
•
接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接
收天线的有效面积， 即
•
PR = SAR
(3 - 7)
•
式中， AR为接收天线的有效面积， 它与接收天线增益GR满足下
列关系：
3(b)所示。 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 3 - 4 所
示。
•
图中， 纵坐标为绕射引起的附加损耗， 即相对于自由空间传播损
耗的分贝数。 横坐标为x/x1, 其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，
它由下列关系式可求得：
x1
d1d2
d1 d2
(3 - 21)
T d1
h1
P
1 ht
hr
2
1
1 ht
hr
2
d
2 d
由此可得到
d 2hthr
d
(3 - 28)
• 由路径差Δd引起的附加相移Δφ为
2 d
式中， 2π/λ称为传播相移常数。 这时接收场强E可表示为
(3 - 29)
E E0(1 Re j ) E0(1 R e j() ) (3 - 30)
3.2 移动信道的特征
是指天线周围为无限大真空时的电波传播， 它是理想传播条件。 电波
在自由空间传播时， 其能量既不会被障碍物所吸收， 也不会产生反射
ห้องสมุดไป่ตู้
或散射。 实际情况下， 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，
其相对介电常数εr和相对导磁率μr都等于1， 传播路径上没有障碍物
阻挡， 到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计， 在这种情
L fs
PT PR
4d
2
以dB计， 得
(3 - 11)
Lfs
(dB)
10lg
4d
2
(dB)
20lg
4d
(dB)
或
(3 - 12)
［Lfs］(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz)
(3 - 13)
式中， d的单位为km， 频率单位以MHz计。
• 3.1.3 大气中的电波传播
变参信道
名称 甚低频 低频 中频 高频 甚高频
符号 频率
波段
VLF 3-30KHz
超长波
LF
30-300KHz 长波
MF 0.3-3MHz
中波
HF VHF
3-30MHz 30-300MHz
短波 米波
超高频 UHF 0.3-3GHz
分米波
特高频 SHF 3-30GHz
厘米波
极高频 EHF 30-300GHz 毫米波
由电磁场理论可知若各向同性天线亦称全向天线或无方向性天线的辐射功率移动信道的传播特性磁场强度有效值h12030移动信道的传播特性若用发射天线增益为g的方向性天线取代各向同性天线则上述公式应改写为12030移动信道的传播特性接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积为接收天线的有效面积它与接收天线增益g移动信道的传播特性由上式可见自由空间传播损耗lfs可定义为11以db计324420lkm20l的单位为km频率单位以mhz大气折射在不考虑传导电流和介质磁化的情况下介质折射率n与相对介电系数移动信道的传播特性众所周知大气的相对介电系数与温度湿度和气压有关
A
d1
C
ht
d2
B
h r
Re
o • 图 3 – 2 视线传播极限距离
• 可见， 视线传播的极限距离d为
d d1 d2 2Re ( ht hr ) (3 - 19)
在标准大气折射情况下， Re=8500km, 故
d 4.12 ht hr
式中， ht、 hr的单位是m, d的单位是km。
波长
传播特性
1KKm-100Km 空间波为主
10Km-1Km
地波为主
1Km-100m
地波与天波
100m-10m 10m-1m
天波与地波 空间波
1m-0.1m
空间波
10cm-1cm
空间波
10mm-1mm
空间波
主要用途
海岸潜艇通信；远距离通信； 超远距离导航
越洋通信；中距离通信； 地下岩层通信；远距离导航
离为d, 地面反射波的传播距离为d1， 散射波的传播距离为d2。 移动台
接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。 为分析简便， 假设反射
系数R=-1(镜面反射)， 则合成场强E为
E
E0
(1
1e
j
2
d1
j 2
2e
d 2
)
(3 - 31)
•
式中， E0是直射波场强， λ是工作波长， α1和α2分别是地面反
尺寸比电波波长大得多， 就会产生镜面反射。 由于大地和大气是不同
的介质， 所以入射波会在界面上产生反射，如图 3 - 5 所示。
T
c
a ht
R
b
o
hr
d1
d2
• 图 3 - 5 反射波与直射波
•
通常， 在考虑地面对电波的反射时， 按平面波处理， 即电波在反
射点的反射角等于入射角。 不同界面的反射特性用反射系数R表征， 它
－4 －2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 － 2.5－ 2.0－ 1.5－ 1.0－ 0.50 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
x / x1
• 图3 – 4 绕射损耗与余隙关系
•
3.1.5 反射波
•
当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时， 如果界面
Rv
c c
sin sin
( c ( c
cos2 cos2
)1/ 2 )1/ 2
(3 - 23) (3 - 24)
•
式中， εc是反射媒质的等效复介电常数， 它与反射媒质
的相对介电常数εr、 电导率δ和工作波长λ有关， 即
c r j60
(3 - 25)
对于地面反射， 当工作频率高于150MHz(λ＜2m)时， θ＜1°， 由式(3 - 23)和式(3 - 24)可得
由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为
x1
d1d2
d1 d2
2 5 103 10 103 15 103
81.7m
•
由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB, 因此电
波传播的损耗L为
•
［L］ = ［Lfs］+16.5 = 116.0dB
•
绕 射 损 耗 / dB
(3 - 26)
Rv=Rh = -1
即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度， 而相差为180°。
•
在图 3 - 5 中， 由发射点T发出的电波分别经过直射线
(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R， 由于两者的路径不同， 从而
会产生附加相移。 由图 3 - 5 可知， 反射波与直射波的路径差为
(3 - 20)
•
3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗
•
在实际情况下， 电波的直射路径上存在各种障碍物， 由障
碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。
•
设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图 3 - 3 所示。
图中， x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离， 称为菲涅尔余隙。 规定
阻挡时余隙为负， 如图 3 - 3(a)所示； 无阻挡时余隙为正， 如图 3 -
船用通信；业余无线电通信； 移动通信；中距离导航
远距离短波通信；国际定点通信
电离层散射（30-60MHz）； 流星余迹通信； 人造电离层通信（30-144MHz）； 对空间飞行体通信；移动通信
小容量微波中继通信： 352-420MHz； 对流层散射通信： 700-10000MHz； 中容量微波通信： 1700-2400MHz；
c
n
(3 - 15)
•
大气折射对电波传播的影响， 在工程上通常用“地球等效
半径”来表征， 即认为电波依然按直线方向行进， 只是地球的实际半
径R0(6.37×106m)变成了等效半径Re, Re与R0之间的关系为
k
Re R0
1
1 R0
dn dh
式中， k称作地球等效半径系数。
(3 - 16)
•
2. 视线传播极限距离
因此在VHF和UHF频段地表面波的传播可以忽略不计。 除此之外， 在移
动信道中， 电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象， 它对直射
波会引起干涉， 即产生多径衰落现象。 下面先讨论直射波和反射波的
传播特性。
发射天线 ③
① ②
接收天线
• 图 3 - 1 典型的传播通路
•
3.1.2 直射波
•
直射波传播可按自由空间传播来考虑。 所谓自由空间传播，
•
1. 大气折射
•
在不考虑传导电流和介质磁化的情况下， 介质折射率n与
相对介电系数εr的关系为
n r
(3 - 14)
•
众所周知， 大气的相对介电系数与温度、 湿度和气压有
关。 大气高度不同， εr也不同， 即dn/dh是不同的。 根据折射定律， 电波传播速度v与大气折射率n成反比， 即
式中， c为光速。
E0
30 PT d
(V / m)
(3 - 1)
• 磁场强度有效值H0为
H0
30 PT
120d
单位面积上的电波功率密度S为
(A/ m)
S
PT
4d 2
(W / m2 )
(3 - 2) (3 - 3)
•
若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，
则上述公式应改写为
E0
30PT GT d
(V / m)
当频率f＞30 MHz时， 典型的传播通路如图 3 - 1 所示。 沿路径①从发射
天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方
式；沿路径②的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波； 路径③的
电波沿地球表面传播， 称为地表面波。
•
由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大， 传播距离迅速减小，
•
视线传播的极限距离可由图 3 - 2 计算， 天线的高度分
别为ht和hr， 两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。 由于地球等效 半径Re远远大于天线高度， 不难证明， 自发射天线顶点A到切点C的距 离d1为
d1 2Reht
同理， 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为
d2 Rehr
(3 - 17) (3 - 18)