天线与电波讲义传播第五章
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通信导论第五章电波传播
短波波段都可以利用天波传播方 250
式，目前，它仍是无线电远程通
信的主要传播方式之一。电离层 0 大致可分为 D、E、F1、F2四层。
F1 E O
0.5
F2
1.0
1.5
N(电子/cm3)106
各电离层高度及平均电子密度
层名
D E F1 F2
离地面高度 He（km）
60～90
90～150
150～200
当天线低架于地面时（天线架设高度小于波长时，称为低
架天线），且最大辐射方向是沿地表面，这时电波传播的 主要途径就是地面波传播，也叫地表波或地波传播。
电波沿地表面传播时，电磁波的能量不断被地面所吸收，
因此地面上的场强要比自由空间传播时小得多，能量的衰
减数值与地面的电参数有关，同时也和电波的频率及极化
方向有关。
2.季节变化：由于不同季节太阳照射不同， 故下一图般表夏示季出电电子离密层度的大日于夜冬和季 季，节但变化F2层。例外，
3. 受太阳活动影响的变化
电离层的日夜和季节变化
N 电子密度
N 电子密度
F2
日出
F2
日落
日出
日落
F1
E
E
D
D
0
4 8 12 16 20 24
0
4
8 12 16 20 24 t(时间)
t(时间)
a 夏季
b 冬季
电离层受太阳活动影响的变化
太阳活动性一般以太阳一年的平均黑子数来代表，黑子数目增加时，
太阳所辐射的能量增强，因而各层电子密度大。黑子的数目每年都在
变化，但是根据长期观察证明，它的变化也是有一定规律的，从图可
以看出太阳黑子的变化周期大约是11年，因此电离层的电子密度也与 这11年变化周期有关。
无线通信网络第5章 天线与传播
LOS Wireless Transmission Impairments
Attenuation and attenuation distortion Free space loss Noise Atmospheric absorption Multipath Refraction Thermal noise
G = antenna gain Ae = effective area f = carrier frequency c = speed of light (»3 ´ 108 m/s) = carrier wavelength
Propagation Modes
Ground-wave propagation Sky-wave propagation Line-of-sight propagation
Line-of-Sight Equations
Optical line of sight
d 3.57 h
Effective, or radio, line of sight
d 3.57 h
d = distance between antenna and horizon (km) h = antenna height (m) K = adjustment factor to account for refraction,
N0 kT W/Hz
N0 = noise power density in watts per 1 Hz of bandwidth
k = Boltzmann's constant = 1.3803 ´ 10-23 J/K T = temperature, in kelvins (absolute temperature)
通信导论第五章电波传播
E 30PiGi
如果接收天线的增益系数为GR, r有效接收面积为Ae, 则在距离发射
天线r处的接收天线所接收的功率为
pRS0Ae4piG r2 i 4 2G R
GR
4Ae 2
将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗:
Lbf
10lg
Lbf
pi
Pi pR
4r2Gi1GR
pR
3 . 4 2 2 5 lf ( g 0 M ) 2 l H r ( g k 0 ) G m Z i ( d ) G B R ( d )B
由于对流层中大气温度（T）、压力（P）和湿度（S）等 变化。使大气介电常数也随着高度而变化。特别是由于大 气的湍流运动，使得对流层内存在着许许多多介电常数ε 作随机变化的不均匀介质团，每一不均匀介质团的尺寸平 均约50米～60米。当无线电波投射到这些不均匀介质团时， 每一不均匀介质团就变成一个二次波源，向周围散射电磁 波，其中一部分能量就被散射到接收地点而被接收天线所 接收，这就形成了对流层散射通信。
电波在传播过程中有绕过障碍物的能力，这种现 象称为绕射。由于波的绕射，电波可以绕过高低不平 的地面或绕过一定高度的障碍物，到达接收地点，这 也就是我们有时在障碍物后面仍能收到无线电信号的 原因。电波绕射能力与电波的波长有关，波长越长， 绕射能力越强，波长越短，绕射能力越弱。另外，当 电波在各种媒质中传播时会在传播过程中遇到各种有 损耗的介质而损耗一部分能量。
二、电波传播的主要方式
➢ 地面波传播 ➢ 直接波传播 ➢ 对流层传播 ➢ 电离层传播（天波） ➢ 地面－卫星传播
电波传播示意图
1. 地面波传播
地面波传播（Ground Wave Propagation）指电波沿地球表 面的绕射传播，也称表面波传播（Surface-Wave Propagation）
天线与电波传播_完整版
§1.1 辅助函数法
在远场区
E jA E jA E jA Er 0
1 j ˆE ˆ A H r r
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
§1.2 电基本振子
近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印 廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射， 称为感应场。 远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
Er E H r H 0 jkr kI 0l e E j sin 4 r kI 0l e jkr H j sin 4 r
§1.2 电基本振子
电基本振子的场辐射
§1.3 磁基本振子
麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。电和磁的 对称性问题，至今尚未解决。 电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由 电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电 流密度的概念。 磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁 荷的组合。然而，正负磁荷却不能分开，自由磁荷 不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入 磁荷密度和磁流密度等概念。
天线发展简史
五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以 导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速 管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。 波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春 笋般出现。
《天线与电波传播》课件
自由空间损耗
电波在自由空间中传播时，能量随距离的平 方成正比地衰减。
穿透损耗
电波在穿透建筑物、墙体等障碍物时，会受 到损耗。
地面吸收损耗
电波在传播过程中，会受到地面的吸收作用 ，导致能量衰减。
散射损耗
由于散射体的散射作用，导致电波传播过程 中的能量衰减。
03
天线设计与应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
Hale Waihona Puke 天线的定义与分类总结词
天线的定义是指能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量 的装置。天线根据不同的分类标准可以分为多种类型。
详细描述
天线是一种能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量的装 置。根据不同的分类标准，天线可以分为多种类型，如按工作性质可以分为发射天线和 接收天线，按方向性可以分为定向天线和全向天线，按频段可以分为超长波天线、长波
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
《天线与电波传播》ppt课
件
• 天线基础知识 • 电波传播基础 • 天线设计与应用 • 电波传播的干扰与防护 • 未来发展与展望
目录
CONTENTS
01
天线基础知识
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
设备干扰
影响设备的正常运行，可能导致设 备故障或性能下降。
04
干扰的防护与抑制
频率管理
通过合理规划和管理无线电频谱，减少不同无线电业务之间的干扰。
天线隔离
通过合理设置天线位置和方向，降低不同无线电设备之间的干扰。
滤波技术
采用滤波器对信号进行筛选和处理，减少干扰信号的影响。
电波在自由空间中传播时，能量随距离的平 方成正比地衰减。
穿透损耗
电波在穿透建筑物、墙体等障碍物时，会受 到损耗。
地面吸收损耗
电波在传播过程中，会受到地面的吸收作用 ，导致能量衰减。
散射损耗
由于散射体的散射作用，导致电波传播过程 中的能量衰减。
03
天线设计与应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
Hale Waihona Puke 天线的定义与分类总结词
天线的定义是指能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量 的装置。天线根据不同的分类标准可以分为多种类型。
详细描述
天线是一种能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量的装 置。根据不同的分类标准，天线可以分为多种类型，如按工作性质可以分为发射天线和 接收天线，按方向性可以分为定向天线和全向天线，按频段可以分为超长波天线、长波
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《天线与电波传播》ppt课
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• 天线基础知识 • 电波传播基础 • 天线设计与应用 • 电波传播的干扰与防护 • 未来发展与展望
目录
CONTENTS
01
天线基础知识
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
设备干扰
影响设备的正常运行，可能导致设 备故障或性能下降。
04
干扰的防护与抑制
频率管理
通过合理规划和管理无线电频谱，减少不同无线电业务之间的干扰。
天线隔离
通过合理设置天线位置和方向，降低不同无线电设备之间的干扰。
滤波技术
采用滤波器对信号进行筛选和处理，减少干扰信号的影响。
第五章移动通信的电波传播
2013-8-4 23
大尺度路径损耗
自由空间传播
地面反射(双线)
刃形绕射 运用路径损耗模型进行实际链
路预算设计
2013-8-4 24
自由空间传播-1
用于预测收发信机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强
PL(dB) 32.45 20log d 20log f
d : km
f : MHz
2013-8-4 21
大尺度衰落模型
大尺度衰落模型:
T-R 之间大距离
主要传播机制:反射 信号强度衰减随传播距离 而成阴影分布 对数正态阴影模型 围绕一均值缓慢变化
2013-8-4
22
小尺度衰落模型
小尺度衰落模型
T-R之间小距离 人口密集城市地区
主要传播机制:散射
多径,不同时延到达接收机,信 号强度衰落 信号幅度的衰减呈 Rayleigh, Ricean分布 围绕均值快速波动
2013-8-4
15
抗衰落措施----分集
时间分集 符号交织、检错、纠错编码、Rake接收机 技术 空间分集 采用主、分集天线接收。主、分集天线的 接收信号不具有同时衰减的特性。基站接收机 对一定时间范围内不同时延信号的均衡能力也 是一种空间分集的形式。 频率分集 GSM采用跳频 CDMA采用扩频技术 极化分集
空间分集主要采用主、分集天线接收的办法来解决。基站接收机对主、分 集通道接收到的信号分别通过最大似然序列估值均衡器(MLSE)均衡后进行 分集合并。这种主、分集接收的效果由主、分集天线接收的不相关性来保证， 所谓的不相关性，是指主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有 同时衰减的特性，采用空间分集时主、分集天线之间的间距大于10倍的无 线信号波长，也可采用极化分集的办法保证主、分集天线接收信号的不相关 性。而对于移动台(移动台)而言，因为只有一根天线，因而不具有这种空间 分集功能。基站接收机对一定时间范围(时间窗)内不同时延信号的均衡能力 也是一种空间分集的形式。CDMA通信在软切换时，移动台与多个基站同时 联系，从中选取最好的信号送给交换机，这同样是一种空间分集的形式。
大尺度路径损耗
自由空间传播
地面反射(双线)
刃形绕射 运用路径损耗模型进行实际链
路预算设计
2013-8-4 24
自由空间传播-1
用于预测收发信机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强
PL(dB) 32.45 20log d 20log f
d : km
f : MHz
2013-8-4 21
大尺度衰落模型
大尺度衰落模型:
T-R 之间大距离
主要传播机制:反射 信号强度衰减随传播距离 而成阴影分布 对数正态阴影模型 围绕一均值缓慢变化
2013-8-4
22
小尺度衰落模型
小尺度衰落模型
T-R之间小距离 人口密集城市地区
主要传播机制:散射
多径,不同时延到达接收机,信 号强度衰落 信号幅度的衰减呈 Rayleigh, Ricean分布 围绕均值快速波动
2013-8-4
15
抗衰落措施----分集
时间分集 符号交织、检错、纠错编码、Rake接收机 技术 空间分集 采用主、分集天线接收。主、分集天线的 接收信号不具有同时衰减的特性。基站接收机 对一定时间范围内不同时延信号的均衡能力也 是一种空间分集的形式。 频率分集 GSM采用跳频 CDMA采用扩频技术 极化分集
空间分集主要采用主、分集天线接收的办法来解决。基站接收机对主、分 集通道接收到的信号分别通过最大似然序列估值均衡器(MLSE)均衡后进行 分集合并。这种主、分集接收的效果由主、分集天线接收的不相关性来保证， 所谓的不相关性，是指主集天线接收到的信号与分集天线的接收信号不具有 同时衰减的特性，采用空间分集时主、分集天线之间的间距大于10倍的无 线信号波长，也可采用极化分集的办法保证主、分集天线接收信号的不相关 性。而对于移动台(移动台)而言，因为只有一根天线，因而不具有这种空间 分集功能。基站接收机对一定时间范围(时间窗)内不同时延信号的均衡能力 也是一种空间分集的形式。CDMA通信在软切换时，移动台与多个基站同时 联系，从中选取最好的信号送给交换机，这同样是一种空间分集的形式。
电波传播理论-地面反射
第5章地面反射地面及地面覆盖物构成了无线电波在自然环境中传播的最主要边界条件。
地面及地面覆盖物的影响，概括起来，主要是对无线电波的反射、绕射和散射，以及对电波的衰减和吸收。
对于超短波以上频率而言，主要关心无线电波在地面以上空间中的传播，通常并不关注地波传播问题，所以地面的影响主要表现在对无线电波的反射、绕射和散射等方面。
当无线电波在光滑地面（如水面、开阔的平地等）上传播时，会出现镜反射现象，即地反射射线与直接射线在接收点相互干涉，合成场强可表现出强烈的衰落。
当无线电波在粗糙地面上传播时，地面会产生散射（漫反射）波，它与直接射线之间不会形成干涉现象，只是功率相加，合成信号不会出现大幅度的衰落，只是表现为信号的闪烁与起伏。
至于地面光滑与粗糙的判别标准，也有规矩可循，它就是雷利判据，本章将有讨论。
地面及其覆盖物对无线电波的阻挡将引起无线电波的绕射现象，绕射可造成电波的额外衰减。
不过，绕射问题这章不讨论，将在下一章作详细研究。
5.1 镜反射和漫反射从严格的波动观点看来，地面反射是个边值问题。
来自初始辐射源的电磁波在地面上激起传导电流和位移电流，致使地面成为二次辐射源，地面的每个元面都是二次波源。
接收点的场强是初始辐射源在接收点建立的场强和与所有二次辐射源在接收点建立的场强，两者合成的总效果。
从反射传播的效果上说，地面可以分成两种类型。
一种是所谓的光滑地面，另一类是粗糙地面。
对于光滑地面而言，各个元反射面的取向是相同的，可以采用镜反射的几何光学方法处理地面对无线电波传播的影响，即所谓的镜像法。
镜像法是说，如图5.1（a）所示，T为初始辐射源，地面（平面）对接收点R场强的贡献完全等效于初始源T的镜像T’的贡献，只是注意，真实源T与虚拟波源T’之间有一个相位差π。
镜反射波是相干波，它与直接射线之间的干涉叠加，可以使接收信号出现很深的衰落，可对无线电通信的质量和可靠性造成破坏性的影响。
对于粗糙地面而言，如图5.1（b）所示，组成粗糙地面的诸多元面，其取向和高度等都可以是随机的，也就是说，其二次辐射波的幅度和相位都是随机的。
天线与电波传播_完整版
1839年法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）发现、 1873年麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879)完成的电磁 理论，在1886年由海因里希·鲁道夫·赫兹建立了第一个无 线电系统，首次在实验室证实。
Hertz ，KIT的教授 无线电之父
赫兹实验的无线电系统
在远场区
§1.1 辅助函数法
Er E
0
jA
E
jA
E
jA
H 1rˆEjrˆA
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
波长时，该导线被称为电基本振子。 当： l/1 , 可近似地认为导线上每一点的电 流都是等幅同相的。
电基本振子天线结构
，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电 阻无关。
12
天线与电波传播
第一章 电磁场方程及其解
Maxwell方程
Maxwell方程
§1.1 辅助函数法
E
B 法拉第定律
H
t J
D
安培定律
D
t
电高斯定律
B
0 磁高斯定律
A 0
B H A
H
1
A
A －磁矢量位函数
4
sห้องสมุดไป่ตู้
Js
x
,
y
,
z
e
jkR
R
ds
－面电流
A
4
c
Ie
x
,
y ,
z
e jkR R
dl
－线电流
远场辐射，忽略高阶项 1 n 2,3,4,
Hertz ，KIT的教授 无线电之父
赫兹实验的无线电系统
在远场区
§1.1 辅助函数法
Er E
0
jA
E
jA
E
jA
H 1rˆEjrˆA
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
波长时，该导线被称为电基本振子。 当： l/1 , 可近似地认为导线上每一点的电 流都是等幅同相的。
电基本振子天线结构
，是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构自身的任何电 阻无关。
12
天线与电波传播
第一章 电磁场方程及其解
Maxwell方程
Maxwell方程
§1.1 辅助函数法
E
B 法拉第定律
H
t J
D
安培定律
D
t
电高斯定律
B
0 磁高斯定律
A 0
B H A
H
1
A
A －磁矢量位函数
4
sห้องสมุดไป่ตู้
Js
x
,
y
,
z
e
jkR
R
ds
－面电流
A
4
c
Ie
x
,
y ,
z
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dl
－线电流
远场辐射，忽略高阶项 1 n 2,3,4,