电波传播1

导波一般解流图
27
地波传播的理论分析
v 采用分离变量法同样可以得到 E z = E(x, y)e −γ z v H z = H(x, y)e −γ z v v v 2 2 2 纵向方程变为： ∂ Ez ∂ Ez ∂ Ez + + + k 2 Ez = 0 ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 v 2 纵向分量沿y方向不变 ∂ Ez =0 2 ∂y v 2 ∂ Ez 2 k′ = k 2 + γ 2 ′ ) Ez = 0 + (k 2 ∂x
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TM（垂直极化）Hz=0
X>0 v E1z = Ae ± jk1x e −γ z v jγ E1x = m Ae ± jk1x e −γ z k1 v ωε 0 ± jk1x −γ z H1y = ± Ae e k1 v H1z = 0 X<0 v E 2z = Ce ± jk 2 x e −γ z v jγ E 2x = m Ce ± jk 2 x e −γ z k2 v ωε c ± jk 2 x −γ z H 2y = ± Ce e k2 v H 2z = 0
2
v E1z = Ae ± jk1x e −γ z v H1z = Be ± jk1x e −γ z
(5-19)
大地中的场
令：k 2 2 = k 2 + γ 2 = ω 2 µ2ε 2 + γ 2 ≈ ω 2 µ0ε c + γ 2
ε c = (ε r − j 60λ0σ )
v 2 ∂ E 2z + k 2 2 E2 z = 0 ∂x 2 v E 2z = Ce ± jk 2 x e −γ z v H 2z = Fe ± jk 2 x e −γ z
E E0
A = 20 log
衰落：吸收性衰落、干涉性衰落 失真：随机多径效应、色散效应
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§5.3 地面波传播
地面波传播
讨论地面波传播时，一般是将对流层视为均匀媒质， 电离层的影响不予考虑，而主要考虑地球表面对电波 传播的影响。
土壤的电参数：
由于大地是半导电媒质，因此必须考虑电导率σ 对电波 传播的影响。设电磁场随时间作简谐振荡（ e jwt ），在 无源线性各向同性、半导电媒质内，麦氏第一、二方 程的复数形式为
由此可以定义方向系数D，它是实际的能流密 度 S 与 S a之比，即
D= S Sa
(5-2)
可见，方向系数是相同的发射功率条件下，在 某一方向上，有方向性天线与无方向性天线功 率密度之比
12
§5.2 电波传播基本概念
自由空间中发射的球面波是TEM波。如果用EA 表示有方向性天线在某点辐射电场的振幅，则
3
§5.1 电波传播概述
无线电波概念
频率从几十Hz到3000GHz（波长从几十兆m到0.1mm）
无线电波传播：发射天线或者自然辐射源所辐射 的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接收天 线的过程 电波传播研究对象：电磁波在各种媒质中的传播 规律
4
§5.1 电波传播概述
表5-1 无线电波频段划分
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 极低频 超低频 特低频 甚低频（VLF） 低频（LF） 中频（MF） 高频（HF） 甚高频（VHF） 超高频（UHF） 特高频（SHF） 极高频（EHF） 超极高频 频段名称 3-30Hz 30-300Hz 300-3000Hz 3-30KHz 30-300KHz 300-3000KHz 3-30MHz 30-300MHz 300-3000MHz 3-30千MHz 30-300千MHz 300-3000千MHz 频率范围 极长波 超长波 特长波 甚长波 长波 中波 短波 米波 分米波 厘米波 毫米波 亚毫米波
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§5.3 地面波传播
r r r ∇ × H = jwε E + σ E r r ∇ × E = − jwµ H
（5-12）
将第一方程改写为
r σ r ∇ × H = jw(ε − j ) E w
（5-13）
括号中可视为等效介电常数，用
εe = ε − j σ
w
ε e表示，即
（5-14）
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§5.3 地面波传播
E A2 EA2 S= = 2 Z 0 240π
(5-3)
从式(5-1),(5-2),(5-3)可计算出
60 Pt Dt EA = r
(5-4)
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§5.2 电波传播基本概念
在许多地方，特别是超短波微波的传播中，常常不用 场强来描述传播情况，而用功率的传播损耗来表示。 设Ar是接收天线的有效面积，Sr是接收点处每单位面积 通过的辐射功率。于是，天线的接收功率为
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波段名称
§5.1 电波传播概述
电波传播研究内容
对无线电波传播媒质特性的研究 研究媒质的电特性对电波传播的影响 不断完善对现有几种传播方式的传播机制、传输特性 的研究，提高接收点场强计算的准确度与精度 加强对于新开拓频段的电波传播问题的研究 不断扩大无线电波在其他科学领域的应用
6
§5.1 电波传播概述
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地面波传播的菲涅尔区
图5-1 地面波传播“菲涅尔”区示意图
如上图所示：电波在空气（x>0）和地面（X<0）交界 面上传播，以发射天线中心T和接收天线中心R为焦点 的椭球称为电波传播过程中的“菲涅尔区”。当收发距 离较远时，椭球非常狭长，此时可认为场沿y轴几乎不 变。 第一菲涅尔区： λ (5-17) r1 + r2 − TR = 2
第五章 电波传播
1
§5.1 电波传播概述
1.微波技术 2.天线 3.电波传播 共同的基础是电磁场理论，三者研究的对 象和目的有所不同
2
§5.1 电波传播概述
微波技术主要研究引导电磁波在微波传输系统中如 何进行有效的传输，希望电磁波按一定要求沿传输 系统无辐射地传输 天线是将微波导行波变成向空间定向辐射的电磁波， 或将空间的电磁波变为微波设备中的导行波 电波传播研究电波在空间的传播方式和特点
(5-20)
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地面波传播的边界条件
图5-1 地面波传播“菲涅尔”区示意图
1、连续性边界条件：在x=0的分界面上要求电场强 度和磁场强度的切向分量连续，电位移矢量、磁感 应强度的法向分量连续 2、有限边界条件，在 x ⇒ ±∞ 场趋向于0
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TE（水平极化）Ez=0
X>0 v ωµ0 ± jk1x −γ z E1y = m Be e k1 v jγ H1x = m Be ± jk1x e −γ z k1
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地波传播的理论分析
其它分量用
出发点 无源区中 Maxwell方程
支配方程 v v 2 2 ∇ E+k E =0 v v 2 2 ∇ H +k H =0
纵向分量方程 ∇2Ez + k2Ez = 0 ∇2Hz + k2Hz = 0
Ez , H z , 表示 Ex = Ey = Hx = H = y f 2 ( Ez , H ) f 3 ( Ez , H ) f 4 ( Ez , H ) f1 ( Ez , H )
λ Pr = Pt Dt Dr 4π r
2
(5-8)
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§5.2 电波传播基本概念
Pt 通信系统中，将比值 P r
规定为传输损耗，用L
表示，则
P 4π r 1 L= t = Pr λ Dt Dr
2
(5-9)
写成分贝值则为
4π r L = 20 lg − 10 lg Dt − 10 lg Dr λ
热噪声：导体中带电粒子随机运动引起 串噪声：调制信号通过失真元件引起 干扰噪声(环境噪声)：本系统或其它系统在空间传 播的信号或干扰引起
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研究方法
几何光学法：射线理论—直射、反射、绕射 物理光学20
关键问题
衰减因子 定义：实际接收场强和自由空 间场强之比
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§5.1 电波传播概述
视距传播
收、发天线离地面高度远大于波长，电波直接 从发射天线传到接收地点 广泛应用的微波接力电路和卫星通信电路的传 播方式均属这种传播方式
对流层散射传播
利用对流层和电离层中介质的不均匀性或流星 通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用实 现超视距传播 主要用于超短波和微波远距离通信 9
电波传播主要方式：
地面波传播 天波传播 视距传播 对流层散射传播 波导传播
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§5.1 电波传播概述
地面波传播
电波沿着地球表面传播，特点是信号比较稳定， 但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快 只适用于长波和中波波段
天波传播
电波经高空电离层反射回来而到达地面接收点 长，中，短波都可以利用天波进行远距离通信
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TE（水平极化）
根据边界连续条件（x=0）
v ωµ0 ± jk1x −γ z v ωµ0 ± jk 2 x −γ z E1y = m Be e =E 2y = m Fe e k1 k2 v v H1z = H 2z B=F
B = F 且k1 = k2
(5-22)
二者不能满足，意味着地面波传播中不存在横电波的传播模 式；水平极化波将快速衰减
(5-10)
16
§5.2 电波传播基本概念
若不计入天线的影响，而在上式中令Dt＝Dr＝1， 可以得到
4π r L0 = 20 lg λ
(5-11)
称为自由空间传播的基本损耗，或简称为自由 空间损耗。这个损耗纯粹是在一定的波长下， 发射功率随着传播距离的增大，自然扩散而引 起的。而不是说自由空间会吸收电磁能量
v v ∂ Ez 2 2 = γ Ez ∂z 2v v ∂ Hz = γ 2H z ∂z 2