第6讲 视距传播(2)

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内容安排
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低空大气层对电波传播的影响 超短波传播
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超短波传播
超短波频率范围为30~300 MHz。电波传播主要是视 距传播方式，相对微波而言，超短波受低空大气层不均匀 性的影响、以及自然现象中云、雾、雨等引起的噪声以及 对电波的吸收也较小。因此可主要考虑地面对超短波的影 响，主要表现在 ①地面凸起使电波直射波的传播距离受限于视线距离 以内，讨论传播特性时，须分视距内、外两种情况 ②地面反射波是从凸起的地表反射，因此须考虑球形 地面对电波的扩散作用 ③超短波的低频端，电波具有一定的绕射能力，可利 用山峰绕射形成山地传播，须考虑绕射损耗 光滑地面上的亮区场 视距传播中的亮区（d≤0.7dv）接收点场强主要是直 射波E1和地面反射波E2的合成场。因d>>h，电波掠射至 EMW Propagation Engineering 20/42 地面，可作如下近似
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第六讲 视距传播（2）
2016, April. 13
内容安排
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低空大气层对电波传播的影响 超短波传播
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Df 1 2d12 d 2 1 KR0dh1 1
2 2d1d 2 1 KR0dh2
d12 h1 h1 2 R0
不同折射情况反射点的变化
2 d2 h2 h2 2 R0
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低空大气层对电波传播的影响
气象条件的变化也将引起传播余隙Hc的改变，此时传 播余隙应修正为
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氧和水的衰减系数
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低空大气层对电波传播的影响
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衰 减 率 / (dB / km)
降雨影响 电波投射到离散 的随机媒质─雨滴上 时，会产生 ①雨滴对电波的散射 和吸收会使微波衰减 ②雨滴对电波的散射 会引起散射干扰 ③电波穿过雨滴后极 化面旋转，引起去极 化现象
第五讲─视距传播（1）
视距传播：概念，波段 菲涅尔区：定义，F1、F0的定义、计算 传播主区：含义 视线距离dv：概念、计算；亮区、阴影区的划 分 地面菲涅尔区：概念，y01、a1、b尺寸计算 球面地扩算效应：Df，天线等效高度h’ 瑞利准则：定义（分界线，δhmax，范围） 地球凸起高度Hb：概念，计算 传播余隙Hc：概念、计算；开、闭电路的分类
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折射的分类
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低空大气层对电波传播的影响
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低空大气层的各种气象状态对电波的折射作用，就可以 通过等效地球半径因子K值进行研究。不同K值对电波传播 路径、视线距离、天线等效高度、传播余隙、反射点位置 等都会引起相应的变化。如视距应修正为
低空大气层对电波传播的影响
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由于dφ很小，cos（φ+dφ）≈cosφ，并将式（29） 代入上式得 n (32) dn sin
dh
考虑到n≈1，并且对大多数情况而言，φ≈90°，因 此，射线的曲率半径为

1 dn dh
等效地球半径
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低空大气层对电波传播的影响
由上图的几何关系，得
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式中，Re为等效地球半径。由此，
Re
Re
1 1 1 1 R Re R 1 R
R dn 1 R dh
不同强度的雨对电波的衰减系数
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低空大气层对电波传播的影响
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散射衰减与小水滴半径的6次方成正比，与波长的4 次方成反比；f<3GHz时衰减很小，一般可忽略不计； 当频率进一步增高时，波在雨中的衰减将随着频率的增 高迅速增大，并且雨的强度越大，电波受到的衰减越大。
77.6 4810e N (n 1) 10 P T T
6
(26)
P为大气压强 （毫巴，即mbar；1mb=100Pa）； T为大气的绝对温度 （K）； e为大气的水汽压强 （mbar）。
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低空大气层对电波传播的影响
低空大气层对电波传播的影响
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在不同折射情况下，将导致反射点在地面上移动，如下 图画出了K=2/3、4/3和∞三种情况下反射点位置变动的示 意图。反射点的改变将使球面扩散因子Df变化，引起反射 波场强的变化；同时也使反射波的射线行程r2改变，使到 达接收点场强的滞后相位（βr2）变化。这些影响都会引 起接收点合成场强的变动。
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d1 d1d 2 H c h1 h2 h1 Hs d 2 KR0
(39)
该式表明当大气出现 负折射时,地球凸起部分 升高，电路传播余隙变 小，如右图所示，有可 能使原来的开电路变成 半开电路或闭电路，视 线传播受阻，传输损耗 增加。
(27)
一般而言，折射指数随高度增加而下降。国际航空委 员会规定：当海面上的气压为1013mbar，气温为288K， dT/dh=-6.5 °C/km，相对湿度为60%，水汽压强为 10mbar，de/dh=-3.5 mbar/km时的大气为“标准大气”， 代入（26）中，得到标准大气的折射指数梯度
因此可主要考虑地面对超短波的影响主要表现在地面凸起使电波直射波的传播距离受限于视线距离以内讨论传播特性时须分视距内外两种情况地面反射波是从凸起的地表反射因此须考虑球形地面对电波的扩散作用超短波的低频端电波具有一定的绕射能力可利用山峰绕射形成山地传播须考虑绕射损耗光滑地面上的亮区场视距传播中的亮区d07dv接收点场强主要是直的合成场
(33)
由此大气折射可分为三类： ①零折射 dn/dh=0，电波射线为直线 ②负折射dn/dh>0，电波射线上翘 ③正折射dn/dh<0，电波射线向下弯曲
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低空大气层对电波传播的影响
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d V 2 KR0

h1 h2

km
(38)
此式表明，在正折射K>1时，射线轨迹向地面弯曲，视距 增大；在负折射时0<K<1，射线向上弯曲，视距缩短，就 有可能使原来处于亮区的接收天线，当遇到恶劣气象发生 负折射时，可能处于阴影区范围，绕射损耗增加，接收信 号强度减弱。
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低空大气层对电波传播的影响
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等效地球半径 电波在大气内传播轨迹是弯曲的，但习惯上仍把电波 射线当做沿直线传播，因此引入等效地球半径因子来修正。 等效地球半径Re：保持电波射线轨迹与地球表面之间的相 对曲率不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球 半径。
标准大气折射：dn/dh=-3.9×10-8 1/m，射线的曲率半 径ρ=2.5×107 m；临界折射： dn/dh=-15.7×10-8 1/m， 电波射线与地球同步弯曲；超折射： dn/dh<-15.7×10-8 1/m，电波在一定高度的大气层内连续折射。
折射类型
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传播余隙的变化
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低空大气层对电波传播的影响
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大气衰减 大气是一种成分不均匀的半导电媒质。大气对电波的衰 减有两方面： ① 云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子、 氧分子对电波的谐振吸收； ②云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方向传 播的电波衰减。
低空大气层对电波传播的影响
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在前述的分析中，尽管讨论了平面地到球面地的修正， 但都假定电波沿直线传播，这一情况只有在均匀大气中才 可能存在。实际的对流层大气压力、温度及湿度都随地区 及离开地面的高度而变化，是非均匀的，会使电波产生折 射、散射及吸收等物理现象。 大气对电波的折射作用 大气的折射率 实验证实大气折射率n近似满足下面的关系式：
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低空大气层对电波传播的影响
水分子（电偶极距）的谐 振吸收发生在1.35cm与1.6mm 的波长上，(22 GHz、183 GHz)。氧分子（磁偶极子）的 谐振吸收发生在5mm与2.5mm 的波长上，（60 GHz、118 GHz）。在选择工作频率时， 要注意避开这些谐振吸收频率， 工作于吸收最小的频率附近 （大气窗口，100 GHz以下有 三个大气窗口：19 GHz，35 GHz， 90 GHz）。大气吸收 引起的微波衰减主要是氧和水 汽吸收所致，当f<10 GHz 时可不考虑大气吸收的影响。
一般情况，温带地区紧贴地面处的大气折射指数 Na=310~320N单位。
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折射指数数据年平均值
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100 50 20 10 5 2 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 1 2 5 10 20 频 率f / GHz 100 200 1000 5 mm / h 1.25 mm / h 0.25 mm / h 150 mm / h 100 mm / h 50 mm / h 25 mm / h
dN 0.039 ( N / m) 39 dh
N / km
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低空大气层对电波传播的影响
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当电波由折射率为n的一层传播到n+dn的一层时，电 波发生了折射，沿曲线AC传播。假设电波在点A的入射角 为φ，折射角为φ+dφ，则按照折射定律：
大气折射及类型 由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层 中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹弯曲，这种现 象称为大气折射。影响无线电波传播的主要因素是折射指 数N的垂直分布，N随h的梯度分布为
dN 1 dp p 9620e dT 4810 de 77.6 2 2 3 dh T dh T T dh T dh
n sin n dn sin d
(28)
将上式的右边展开并略去二 阶无穷小量整理后得
dn d cos sin n
(29)
由图示的几何关系，射线的曲率半径ρ为 在ΔABC中
AC d
(30)
dh AC cos d
(31)
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(34)
(35)
将(33)代入上式，则低仰角情况下的等效地球半径为
(36)
定义等效地球半径因子K为等效地球半径与实际地球半 径R之比。 Re 1
K R dn 1 R dh
(37)
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低空大气层对电波传播的影响
标准大气dn/dh=-3.9×10-8 1/m，R=6370 km，K=4/3。 下表给出了折射指数梯度与 等效地球半径因子之间的关系。