北京交通大学无线通信第二章

分层电解质结构

d-4定律

总透射系数
T T1T2 e j 1 1 2 e 2 j
一个直射波加一个反射波
h h PRX (d ) PTX GTX GRX TX 2RX d hTX 和hRX 分别是发收天线的高度
2
2 cos e 1 cos t
dபைடு நூலகம்d 2
d
F1 1 7 .3
d1d 2 fd
最小费涅尔区半径 F0=0.577F1 该半径（Fo）就是接收点能得到与自由空间传播相同的信号强度时所需要的最小 菲涅尔椭球区的半径 只要“最小”菲涅尔区不受阻挡，则可以认为是在自由空间传播。但是，如 果收发两天线的连线与障碍物最高点之间的垂直距离（称为传播余隙HC）小于 Fo，则需要考虑障碍物绕射场的影响。
偶极子天线
且：d >> 以及d >> La
直射 反射与透射 绕射 粗糙表面的散射 系统的噪声和干扰 系统的链路预算
抛物面天线
反射与透射

反射与透射

反射与透射

定义

反射：发射机发射的电磁波，照射到比载波波长大的平面物体，反 射出来的电磁波再被无线通信接收机的天线接收。 透射：空气中的电磁波照射到某一物体时，一部分能量的信号经反 射、绕射或散射后在空气中传播，另一部分能量的信号会直接穿透 该物体，在该物体的背面空气中传播。 短波通信 流星余际远距离传输 室内接收
Pb d P1 d nN (d pi d ni )
i 1
N
无线信道传播机制

散射

粗糙表面的散射

直射 反射与透射 绕射 粗糙表面的散射 系统的噪声和干扰 系统的链路预算
定义

散射与反射
散射:发射机发射的电磁波，照射到比载波波长小的物体 上(如：路灯、树叶、交通标志等)，反射出多路不同的 较弱的电磁波，再传播到无线通信接收机的天线处。
1、考虑TE波，确定经墙传输引起的在接收端的场强Ethrough 2、墙可以看作半无限薄屏，确定由墙绕射引起的在接收端的场强Ediff 3、确定两场度大小的比率
1 exp( j / 4) F ( F ) 2 2

多屏
F ( F ) exp( j
0
F
t2 )dt 2
高度
：5 5
km

应用

：1 2
km
平流 对流 层
层
地球
地面
直射
发射功率、接收功率 发射天线、接收天线 自由空间损耗

功率

天线方向性的主要参数
PTX lim
T
发射功率
1 T
T /2
T / 2


t 2 (t )dt

t (t ) 为发射机发射信号,单位为瓦(Watts，简称为W)。
1 cos e 2 cos t

总反射系数
TE波TM波的反射 系数在入射角趋近 90º时变为-1(幅度 为1,相移180º) 复介电常数
(4 0.25 j ) 0

1 2 e j 1 1 2 e 2 j

适用于
其中电气长度
d dbreak 4hTX hRX /
内容

无线信道传播机制

无线通信基础

无线通信基础 学科组

无线通信概论 无线信道传播机制 无线信道的统计描述 宽带和方向性信道的特性 信道模型 无线信道容量 数字调制解调 信道编码 分集 均衡 扩展频谱系统 正交频分复用 多天线系统
直射 反射与透射 绕射 粗糙表面的散射 系统的噪声和干扰 系统的链路预算
则绕射场强
例(题4.4):
3、比率
菲涅尔环带

菲涅尔环带

费涅尔椭球面
PT PR d
费涅尔区半径——从费涅尔球面上一点到TR的垂直距离
2 d 12 F12 d 2 F12 d
P
2 1

2

2
T d1
d12 F12 d1
d2 R
F F2 2 ，d 2 F12 d 2 1 2d1 2d 2
反射系数: 透射系数:
TM
TTM
反射与透射
TE
TTE
反射与透射

2 cos e 1 cos t 2 cos e 1 cos t
2 1 cos e
1 cos e 2 cos t 1 cos e 2 cos t
2 1 cos t

dbreak

d
d dbreak


传播断点不是 n=2或n=4的明 显分界,是平均值 n=3~5,有时更大
直射 反射与透射 绕射 粗糙表面的散射 系统的噪声和干扰 系统的链路预算
定义

绕射:无线通信发射机发射的电 磁波，照射到物体的不规则突出 表面的边缘(如：房顶的边缘、 窗户的四角等)，再传播到无线 通信接收机的天线处。 广播
无线通信的空间
海拔 高度 ：8 0 0km 逸散 层
电磁波的传输方式

直射

主要有五种传输方式:

定义

海拔
高度
：8 5
km
电离
层

海拔 海拔 海拔
高度
：6 0
km 中间 层
高度

直射 反射 透射 绕射 散射
电磁波的直射传播(direct wave propagation)，是 指无线通信接收机天线能直接看到无线通信发射机的 天线(LOS：Light Of Sight)，无线通信发射机发射的 电磁波直接传播到无线通信接收机。 卫星通信 微波通信 移动通信

接收功率
PR lim
T
方向性图 波瓣宽度 天线增益 全向有效辐射功率
E ( , )
1 T
T /2
T / 2

r 2 (t )dt
r (t )为接收机接收信号,单位为瓦(Watts，简称为W)。

工程常用dBm来表示功率的大小
PR ( dBm ) 10 log( 1w 30 dBm
福利斯(Friis)定律
PRX (d ) GRX 4 ARX PTX GTX 4 d 2 ARX
[Stutzman and thiele1997]
2
全向天线增加功率
EIRP PTX GTX
GTX 为发射天线的天线增益。 PTX 为发射机的发射功率，
2
PRX (d ) PTX GTX GRX 4 d 4 d
波瓣宽度越窄，表明方向图 越尖锐，辐射的能量越集中， 作用距离越远，能力越强。
天线方向性的主要参数

天线方向性的主要参数

自由空间损耗

增益定义
输入功率相同
全向有效辐射功率(EIRP: Effective Isotropic Radiated Power)
无线通信接收机收到的信号，不仅与发射机天线的输入功率有关， 而且与发射机天线增益有关。
2


r ,2 dlayer cos t
反射与透射

无线信道传播机制

d dbreak
传播
绕射

接收功率与距离
2 PTX GTX GRX 4 d PRX (d ) 2 hTX hRX 2 PTX GTX GRX d
d

d
2
Fnm n F1m
菲涅尔环带

菲涅尔环带

相对余隙与阻挡损耗的关系
费涅尔区--电波传播能量集中程度 第一费涅尔区--能量最集中的区域，不能有阻挡
余隙的概念

余隙——障碍物顶部到T、R连线的垂直距离hc’（通常用hc替代） （对于具体的工作频率）相对余隙——hc/F1
F1 3 1 .6

布林顿(Bullington)方法
Deygout方法

见例题4.4
经验模型

由ITU-R提出(除自由空间衰落之外的损耗)
Ltotal Li 20 log C N
i 1
N

易普斯丁-彼得森(Epstein-Petersen)方法
Li 每个单独的屏的绕射损耗
其中
CN
Pa Pb
N
??
N Pa d P1 d di d P1 d nj j 1 i 1

发射天线：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想全向辐射 天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。 接收天线：理想全向辐射天线发射的无线信号，在空间同一点处， 实际天线与理想全向辐射天线所接收到的信号功率之比。 一般来说，同一付天线，作为发射天线或接收天线时，其天线增 益是相同的。

偶极子天线
2
G
Aeff Aiso
天线有效接收面积
偶极子天线有2.15dB增益 抛物线天线
自由空间损耗因子
2 Aiso 4
Aeff 0.55 A
全向天线接收面积
A展开的物理面积
自由空间损耗

自由空间损耗

无线信道传播机制

福利斯(Friis)定律

例：题4.3

适用于天线远场
PR ( w ) 1000 ) 1mw
天线方向性的主要参数

天线方向性的主要参数

天线方向性的主要参数

方向性图
方向性因子
天线增益

全方向性天线
垂直方向图 水平方向图
E ( , ) f ( , ) Emax

波瓣宽度

在主瓣最大辐射方向上，天线 辐射信号功率密度降低一半 (3dB)的任两点的夹角中，最 大的夹角定义为波瓣宽度(HP: Half Power eamwidth)。
斯涅尔(Snell)定律

横向电性(TE)波和横向磁性(TM)波
入射角 e 反射角 r 透射角 t 复介电常数

应用

j
e
2 f c
电导率
复介电常数 介电常数
r e
入射角=反射角
1 sin t sin e 2
透射波的角度
反射与透射
R R hc F1 hc F1 T T
F1 : m , : m , d , d 1 , d 2 : km
d1
F1 : m , f : G H z , d , d 1 , d 2 : km
d2 d F1
F1
d1d 2
d
多屏绕射

多屏绕射




第一菲涅尔区完全没有被遮挡 这时收发两点之间的距离d满足d＜0.7d0，即处于亮区当中。传播的 衰减中值除了自由空间传播衰减外，主要考虑地面反射波的干涉衰减 Ai。 第一菲涅尔区被部分遮挡 这时收发两点之间的距离d满足0.7d0＜d＜1.4d0，即处于半阴影区 内。这时直接传播的第一菲涅尔区被部分遮挡，可以很容易地想到地 面的反射波的第一菲涅尔区被遮挡的情况肯定更严重，这时传播的衰 减中值除了自由空间传播衰减外，主要考虑视距电路中的绕射衰减Ａd。 第一菲涅尔区被完全遮挡 这种情况是因为天线架设高度不够高，或通信距离较远，接收点落到 了阴影区里。这时传播主要以绕射为主，具体计算很复杂，地形对其 的影响还要根据具体的实际情况进行分析。 Huygen定律使用菲涅尔区来描述绕射的信号衰减，当建筑物遮挡在第 一菲涅尔区内时，第一菲涅尔区场强接近全部场强的1/2.
F12 d d 2d1d 2 2
透射场强远大于绕射场强
费涅尔区
PT PR d n

2
d12 F12 d 22 F12 d
F1
d1 d 2
d
Fn
n d 1 d 2 n F1 d


当垂线交于TR中点时，费涅尔区半径最大
F1m
d1 d 2

解：

参数
菲涅尔参数：
F d
2dTX d RX
(dTX d RX )
例(题4.4):
1、砖墙无损 到墙砖的反射系数 ， 对TE波，从空气
例(题4.4):
总透射系数
例(题4.4):
2、绕射场强 菲涅尔参数
当 从墙砖到空气的反射系数 透射场强
总透射系数 这里绕射角
相应的透射系数
菲涅尔积分 E0是没有砖墙时该点的接收场强。

应用

绕射

单屏绕射

例(题4.4):

单屏
惠更斯(Huygen)原理
hs hTX h hRX ) arctan( s ) 绕射角： d arctan( dTX d RX
接收电场： Etotal exp( jk0 x) 菲涅尔积分：
发送端位于离一垛58米高的砖墙( r 4 )的20米远处，而 接收端位于墙的另一侧，离墙60米远。墙厚10厘米，并且 认为无损，令两着的天线均为1.4米且中心频率为900MHz。
收发天线至少要间隔一个瑞利距离 瑞利距离：d R 2 L2 a
要求设计一工作于1GHz,相距90m,有直径15m的抛物 天线系统，Friis定律能够用来计算接收功率吗？ 解： 2 2
2 15 瑞利距离：d R 1500m 0.3 2 La
不可以 用会发生什么问题？

La天线的最大尺寸