2.1电波传播特性

§2-1 电波传播特性
根据信道特性参数（时间）随外界各种因素的影响而变化的快慢，可将信道分为“恒参信道”和“随参信道”。

移动信道是移动用户在各种环境中进行通信时的无线电波传播通道，是典型的“随参信道”，即其传输特性随时间的变化较快。

一、移动信道的特点
处于VHF、UHF波段的移动通信的信道，陆地移动通信信道的主要特征是多经传播：（1）传播的开放性；
一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传输的。

（2）接收点地理环境的复杂性、多样性和变化性；
一般可分为三类：①高楼林立的城市中心繁华区，②以一般建筑物为主的近郊城镇区，
③以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。

（3）通信用户的随机移动性
慢速步行的通信
高速车载时的不间断通信
二、电波的传播特性
传播特性直接关系到以下因素
天线高度的确定
预测信号的覆盖范围
为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术
……
1、电波的传播机制
电波在不同的地形地貌和移动速度的环境下传播，表现为直射波、反射波、绕射波、折射波、散射波等传播方式。

a)自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight)
b)存在阻挡物（多条路径）:
i.反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射
ii.绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射iii.散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非
常巨大时，会发生散射。

2、 自由空间传播模型
a) 自由空间 i. 均匀无损耗的无限大空间。

ii. 各向同性。

iii.
电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。

b) 传播损耗 i.
本质：球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。

接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小部分 。

ii.
传播损耗的计算
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P T 瓦时，则距辐射源d 米处的单位面积上的电波功率密度S 为：
)/(422
m W d
P S T
π=
----------------------------------(2.1) 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：
R R SA P ==22
44T
P d λππ
⨯-------------------------------(2.2) 式中，A R 为接收天线的有效面积，其值为λ2
/4π。

若发送和接收天线的增益分别为G T 、G R ，则(2.2)式变为
2
4⎪⎭
⎫
⎝⎛=d G G P P R T T R πλ-------------(2.3)
而自由空间传播损耗L fs 可定义为：
2
4⎪⎭
⎫
⎝⎛==λπd P P L R T fs ----------------------------------------- (2.4)
若将传播损耗表示为分贝，则有： )(201)(20144.32)]([z fs MH gf km gd dB L ++=---- (2.5)
在实际移动信道中，电波在低层大气中传播，而低层大气并非均匀介质，对于VHF 、UHF 波而言，此情况下的折射现象（即大气折射）尤为突出，它将直接影响视线传播（直射波）的极限距离。

3、 大气中的电波传播
低层大气并不是均匀介质——折射与吸收，当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲。

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，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径。

实际半径是6370km,等效地球半径为8500km 。

k ＝
R R e
＝h
n d d R 0
11+308106370,104⨯=⨯-=-R d d h
n
＝4/3⇒e R ＝8500km
★视线传播极限距离
1d ≈
2d ≈
12d d d =+=+
4.12
d =+
图－1 视线传播的极限距离4、 绕射现象
电波还有绕射现象，就是障碍物的大小和电波的波长差不多或比其小的时候，电波可以绕过障碍物传播。

从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。

实际中，电波的直射路径上常常存在各种障碍物，由于这些障碍物引起的附加的传播损耗，叫绕射损耗。

绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面。

绕射可用惠更斯原理解释
⏹ 波前上的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新
的波前。

当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传播进入阴影区。

⏹ x 表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅尔Fresnel 余隙。

规定阻挡时余隙为负，
无阻挡时余隙为正。

⏹ 菲涅尔区：指从发射机到接收机的次级波路径长度比总的视距长度大n λ/2的连续
区域（即图中的圆环）。

菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为λ/2，则两条路径的相位差为π。

从连续费涅尔区传播出去的次级波对总的接收信号交替产生增加和减小合成信号的作用。

第n
2
12
1d d d d n x n +=
λ
第一菲涅尔区的半径为2
12
11d d d d x +=
λ
图 2 – 2 菲涅耳区
当10.5x x >时，附加损耗为0dB ；当0x <时，即直射线低于障碍物顶点，损
耗将急剧增加。

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区余隙x/x1＞0.5。

5、 反射现象
电波传播中越到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多（对于VHF 、UHF 波而言，这种现象很常见），就会发生镜面反射。

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，R 可表示为：ψ
j e
R R -=，其中|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。

对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m λ<)时，θ＜1°，其反射系数R=-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°。

下图2-1表示有一条直射波和一条反射波路径的两径传播模型。

图 2 – 3 反射波与直射波
直射波路径（TR ）与地面反射波路径（TOR ）的长度不一样，两种电波到达接收点R 的路径差为：
l TO OR TR ∆=+-=2
2212221)()()()(r t r t h h d d h h d d -++-+++d h h r t 〈〈+=d
h h r
t 2
由路径差附加的相移为：2l π
ϕλ
∆=
∆=
d
h h r
t 22λπ。

并考虑到在移动环境下R ≈-1,Δφ<<1（弧度），则接收信号功率为：
代入上式，可得：4
2
)(d h h P P r t t r =
接收点的信号强度与距离的4次方成反比，与频率无关。

6、 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信
号强度最弱。

⏹
实际移动环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为
当电波遇到粗糙表面时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。

⏹ 地表面波：电波沿着地球表面传播，称为~。

以上分析可以对预测接收点的信号场强有定性的理解。

要想较为准确地预测出接收点的信号
场强大小，则还需要学习陆地移动信道的场强估算。

[]
2
2
2
22
211exp()4/11cos sin 4/14/r t t t P P R j d P j d P d ϕπλϕϕ
πλϕ
πλ⎡⎤=+∆⎢
⎥⎣⎦
⎡⎤=-∆-∆⎢⎥⎣⎦
⎡⎤≈∆⎢⎥⎣⎦。