《微波与天线》08通信第8讲 第3章 自由空间传播及菲涅尔特性
菲涅尔区
电波传播的菲涅尔区根据惠更斯一菲涅尔原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。
而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉、叠加的结果。
显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，如图1所示。
为了分析这种变化我们引入菲涅尔区的概念。
图1 二次波源1．空间菲涅尔区如图2所示，自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。
图2中S1是空间的一点，其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：图2 第一菲涅尔区其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。
在自由空间，从波源Q点辐射到P点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。
为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20％，否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。
2．“最小”菲涅尔区半径（Fo）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。
由公式推导可得：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。
在武汉项目中，波长为0.17m，d为800m，计算最小菲尼尔区f0为3.4m在微波波段，频率很高，无线电波利用视距传播的方式工作。
视距传播是指发射天线和接收天线在相互能看得见的距离内，电波直接从发射点传到接收点的一种传播方式。
具体来说，就是微波波段时，发射点和接收点之间不希望有障碍物阻挡。
《微波与天线》PPT课件
8.2 阵列天线
多个天线按一定方式排列所构成的系统称为天线阵,分为直线阵(超级链接)、平面阵（超 级链接）、立体阵和园环阵（超级链接）等。目前该技术的最新应用：3G移动通信上的智能 天线和相控阵天线。
1. 二元阵的辐射场
设天线阵是由间距为d并沿x轴排列的两个相同的天线元所组成, 如图下图所示。 假设天线元的电流振幅相等, 但天线元2的电流相位超前天线元1的角度为ζ, 它们 的远区电场是沿θ方向的, 于是有：
z
r′
h dz
z
r
Im h
图 8- 1 细振子的辐射
图 8 – 2 开路传输线与对称振子
令振子沿z轴放置（图 8 - 1）, 其上的电流分布为 I(z)=Imsinβ(h-|z|)………………………..(第一章开路线的结论)
式中, β为相移常数, β=k= 的贡献为
在距中心2点为z处取电流元段dz, 则它对远区场 0 c
3） 主瓣宽度 当N很大时, 头两个零点之间的主瓣宽度可近似确定。令ψ01表示
第一个零点, 实际就是令上式中的m=1, 则
01
2 N
4) 旁瓣方位 旁瓣是次极大值, 它们发生在：
sin N 1 处，即
2
N (2m 1) ................(m 1,2,3,...)
2
2
第一旁瓣发生在m=1 即 ψ=±3π/N方向。
RΣ=73.1 (Ω) (与75欧同轴线几乎匹配) 将F（θ）代入式（6 -3 -8）得半波振子的方向系数:
D=1.64
(8 -1 -11)
方向图的主瓣宽度等于方程:
cos( cos )
F( ) 2
1
sin
2
（0°＜θ＜180°的两个解之间的夹角 ）
《微波与天线》08通信第8讲 第3章 自由空间传播及菲涅尔特性
M Pr r
E 60 P Dt r 60 Pin Dt r
t
(V / m)
A
其中，D 为发射天线的方向系数
图 自由空间的电波传播
第3章 电波传播的基础知识
在通信系统的工程设计中，为了使系统的可行性 和有效性得到保证，通常要合理安排好发射机的功率、 发射天线的增益、接收机的灵敏度以及接收天线的增 益，此时有一个环节叫做“信道计算”。 信道计算的内容主要是：计算电波在传播过程中
第3章 电波传播的基础知识
第3章 电波传播的基础知识
3.1 概述 3.2 自由空间电波传播 3.3 电波传播的菲涅尔区
第3章 电波传播的基础知识
3.1 概述
3.1.1电磁波谱
人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千
分之几赫（地磁脉动），高达1030Hz量级（宇宙射
线），相应的波长从1011m短至10-20m以下。按序排 列的频率分布称为频谱（或波谱），在整个电磁波谱
第3章 电波传播的基础知识
图3―2
天波传播
第3章 电波传播的基础知识
3.视距传播
如图3―3所示，电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的 传播方式称为视距传播。
它可以分为“地-地”视距传播和“地-空”视距传播。
视距传播的工作频段为超短波及微波波段。 此工作方式要求天线具有强方向性和足够高的架设高度。
图3―1 地面波传播
第3章 电波传播的基础知识
2. 天波传播
如图3―2所示，发射天线向高空辐射的电波在电离层内 经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波 传播。 尽管中波、短波都可以采用这种传播方式，但是仍然
以短波为主。
它的特点是： 能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。 天波传播的规律与电离层密切相关，由于电离层具有 随机变化的特点，因此天波信号的衰落现象也比较严重。
微波技术与天线复习知识要点
微波技术与天线复习知识要点绪论微波的定义：微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短的波段。
微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~ 微波的特点（要结合实际应用）：似光性，频率高（频带宽），穿透性（卫星通信），量子特性（微波波谱的分析）第一章均匀传输线理论均匀无耗传输线的输入阻抗（2个特性）定义：传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注：均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关。
两个特性：1、λ／2重复性：无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Z in(z)= Z in(z+λ／2)2、λ／4变换性: Z in(z)- Z in(z+λ／4)=Z02证明题：(作业题)均匀无耗传输线的三种传输状态（要会判断）参数行波驻波行驻波|Γ|010＜|Γ|＜1ρ1∞1＜ρ＜∞Z1匹配短路、开路、纯电抗任意负载能量电磁能量全部被负载吸收电磁能量在原地震荡1.行波状态：无反射的传输状态匹配负载：负载阻抗等于传输线的特性阻抗沿线电压和电流振幅不变电压和电流在任意点上同相2.纯驻波状态：全反射状态负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态3.行驻波状态：传输线上任意点输入阻抗为复数传输线的三类匹配状态（知道概念）负载阻抗匹配：是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形，此时只有从信源到负载的入射波，而无反射波。
源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗时，电源和传输线是匹配的，这种电源称之为匹配电源。
此时，信号源端无反射。
共轭阻抗匹配：对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时，即当Z in=Z g﹡时，负载能得到最大功率值。
共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率。
传输线的阻抗匹配（λ／4阻抗变换）(P15和P17)阻抗圆图的应用（*与实验结合）史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法。
微波技术与天线课程总结
1
《天线技术基础》要点
第二章 对称阵子 理解对称振子的概念、辐射场计算方法(叠加原理)； 电流分布公式与各种不同长度对称振子的电流分布图象； 方向性函数表达通式与各种不同长度对称振子的方向图、方向性系数和有效 长度； 随振子长度的逐渐增大，其方向性系数、旁瓣电平和半功率宽度如何变化； 熟悉天线的辐射场幅度与辐射功率、方向性系数及距离的关系； 输入阻抗的计算思路和随振子长度的变化曲线。
2
《天线技术基础》要点
第三章 阵列天线的方向性 二元阵的方向性函数与方向图(会描点绘图); 方向图相乘定理与应用； 均匀直线阵的方向性函数，会画阵因子的方向图，明确阵因子参数(半功率 宽度、零点位置，旁瓣电平等)的计算思路； 侧射阵、端射阵和斜射阵的实现条件、特性差异与原因； 可见区的概念、栅瓣抑制条件； 掌握地面影响的处理方法（镜像原理处理各种方向放置的单个与多个天线） 。
4 8
并联混和支节)。
6
《微波技术基础》要点
第三章 规则波导理论
TE10 模的场结构、管壁电流分布；
波导的单模传输条件、传输特性参数、等效阻抗； 波导中填充介质与否，波导的传输特性参数的计算。
7
《微波技术基础》要点
第四章 其它形式的微波传输线 同轴线、带状线、微带的特性阻抗随结构参数的变化规律； 同轴线、带状线：主模(高次模)、横截面场结构； 微带：主模(高次模)、横截面场结构，等效介电常数； 耦合线：等效电路、奇偶模方法、特性阻抗。
8
《微波技术基础》要点
第五章 微波谐振腔 为什么微波中不能用 LC 回路作为谐振器？ 微波谐振器与 LC 回路的异同点有哪些？ 品质因数的概念及公式； 传输线型谐振器，谐振波长的概念与计算。
9
《微波技术基础》要点
微波通信基本原理ppt课件
几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
T
F1
R
d1 P
d2
d
图1
第一费涅耳区半径
F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2
= (2)1/2 F1
...... Fn=（nλd1d2/d）1/2
= (n)1/2 F1
微波通信的基本原理
• 几个基本概念 • 自由空间的电波传播 • 各种衰落及抗衰落技术 • 微波通信对设计的要求 • 干扰信号
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
费涅耳区 The Fresnel Zone:
➢ 如果前述定义的一系列费涅耳椭球面，与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交 割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一费 涅耳区。
➢ 其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第 三费涅耳区、第四费涅耳区...... 第N费涅耳区。
线传播。
即：R e =KR
R为实际地球半径。
K值的实际测量平均值为4/3左右。但实际地段的K值和该地段的气象 有关，可以在较大范围内变化，影响视距传播。
自由空间的电波传播
• 自由空间的定义 • 自由空间损耗的定义 • 自由空间损耗的计算
自由空间的电波传播
自由空间的定义
自由空间 Free Space:
又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。 在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数ε=ε0=109/36π F/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7 H/m （亨/米）。
几个基本概念
菲涅尔半径
受课时限制，今天我们仅介绍到这。余下的内容 靠同学们在日后工作中继续学习。
（16）
第3章 电波传播的基础知识
从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于 是P点的合成场振幅为：
E E 1 E 2 E 3 E 4 （17）
将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2， 则式（17）可以重新写为：
E E 2 1 ( E 2 1 E 2 E 2 3 ) ( E 2 3 E 4 E 2 5 ) ( E 2 5 E 6 E 2 7 )
第1环带在远区p点处辐射场强值的一半电波传播的基础知识上式给我们一个重要的启示尽管在自由空间从波源a辐射到观察点p的电波从波动光学的观点看可以认为是通过许多菲涅尔区传播的但起最重要作用的是作为粗略近似只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡就能得到自由空间传播时的场强
第3章 电波传播的基础知识
电波传播的菲涅尔区
R
r0
n( 2
)
而
d和
都
是
固
定
值
，
所
以
R
rn
d
n
2
为
常
数
。
那 么 ， 当 菲 涅 尔 半 球 面 S左 右 移 动 时 ， 上 式 保 持 常 数 不 变 ,
从几何学的知识可知：
这 些 点 的 轨 迹 正 是 以 A,P为 焦 点 的 旋 转 椭 球 面 。
而椭球面所包围的区域正是菲涅尔区!
第3章 电波传播的基础知识
由式
可知：
第一， 波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭球越细长。 对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，因而产生了光学中研究过的纯粹的射
微波与天线笔记
绪论微波：是电磁波中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（频率最高）的波段。
其频率范围从300Mhz （波长1m ）至3000GHz （波长0.1m ），分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。
微波的特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播特性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。
分析方法：场的分析方法，路的分析方法。
（微波网络）第一章1.微波传输线是用以传输微波信息和能量的各种形式传输系统的总称，作用：引导电磁波沿一定方向传输，因此又称为导波系统，其所引导的电磁波被称为导行波。
一般将截面尺寸，形状，媒介分布，材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统，又称为均匀传输线。
2.微波传输线分为三种类型，双导体传输线：平行双线、同轴线、带状线、微带线；均匀填充介质的金属波导管，又称为波导:矩形、圆、脊形、椭圆波导； 介质传输线，又称为表面波波导：介质波导、镜像线、单根表面波传输线；2.特性阻抗：传输线上导行波的电压与电流之比，与工作频率有关，负载，信源无关。
Z0=U+/I+=-U-/I- 驻波比min ||max |U |U =ρ=|1|1|T 1|1T -+ 11|1|+-=ρρT 3.传播常数：y=βαj + 相速Vp=βω/ 波长 r Vp ελβπλ/0f //2===4.输入阻抗：Zin=Z0)tan(10)tan(0j 1z jZ Z z Z Z ββ++与工作频率有关 5.无耗传输线阻抗具有2\λ重复性和阻抗变换特性；反射系数也具有2\λ重复性；5.反射系数：+=U UT u z j T z T β2e 1)(-= )2(|1|z z j e T T βφ-=）（）（z T z T Z z Zin -+=1)(10)( 0)(0)(z Z z Z i n Z z Z i n T +-=）（ 01011Z Z Z Z T +-= 6.行波状态：U(z)=U+(z)=z j A βe 1 I(z)=I+(z)=z j e Z A β01 T=0 1=ρ 结论：沿线电压和电流振幅不变，驻波比为1；电压和电流在任意点上都同相；传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗 7.纯驻波状态：就是全反射状态，即终端反射系数1||1=Γ；包括：短路，开路，纯电抗短路： 沿线各点电压和电流振幅按余弦变化，电压和电流相位相差。
微波工程导论第八章
• 按半功率电平点夹角定义的波束宽度，称 为半功率波束宽度 (或-3dB波束宽度)。按主 瓣两侧第一个零点夹角定义的波束宽度， 称为第一零点波束宽度。这两种波束宽度 都是重要的方向性图参量。 • 将场分量除以其最大值，得到无量纲的归 一化(或相对的)场方向性图，其中最大值为 1。因此，电场的归一化场方向性图应为
8 .2天线辐射理论
• 无线电天线可被定义为一种附有导行波与 自由空间波互相转换区域的结构。天线将 电子转变为光子，或反之。 • 不论其具体型式如何，天线都基于由加(或 减)速电荷产生辐射的共同机理。方程可简 述为 ，其中I为时变电流(A/s），L为 电流元的长度(m)，Q为电荷(C)，a为速度的 时间变化率(m/s2)。 • 辐射的主要方向垂直于加速度，辐射功率 正比于 的平方。
Idl 2 sin 2 1 1 ˆ r ( ) ( ) ˆ S Re[ E H ] Re[ E H ] r 2 2 r 2 2
• 远区场有如下性质： • (a) 远区电磁场的运动方向为r方向，在r= 常数的球面上各点的电磁场相位都相同， 等相位面为球面，这样的电磁波称为球面 波。同时电场、磁场和平均功率流密度三 者方向为右旋系统，且r方向上无电磁场分 量，所以又称为横电磁波或TEM波。 • (b) 球面波在真空中的速度 ， 也就是等于光波的传播速度。
8.2.2 对偶原理与磁流元的辐射 • 虽然并没有真实的磁流存在，但引入磁流的 概念，可使一些问题的分析变得可能或大为 简化，例如对面天线及微带天线的分析。 • （1）对偶原理 • 麦克斯韦的第一、二方程式为 • 如果在上面第二方程式中引入磁流体密度 ， 可使上面两个式子变成对称的形式，即 • 如从第一式求出电流源问题的解，则由其对 偶性，就可得出相应的磁流源问题的解，反 之亦然。
微波与天线讲解
微波与天线结课报告学生姓名：班级：专业：指导老师：2015.11摘要：简述微波天线在通信中应用的广泛性和重要性在对第一菲涅尔区衰落因子和相对余隙等重要因素详细分析的基础上提出选择微波天线时应注意的问题并提出采用分集接收自适应均衡阻抗匹配和避雷保护等技术改善微波天线的性能进而提出微波天线选择的优化方案关键词：微波天线第一菲涅尔区衰落因子分集技术自适应均衡阻抗匹配Abstract: Description of breadth and importance of basic microwave antenna in communication applications in an important factor in the decline of the first Fresnel zone clearance and other factors and relatively detailed analysis of the proposed microwave antenna should be chosen attention to the problem and proposed use diversity receiver adaptive equalization impedance matching and lightning protection technology to improve the performance of the microwave antenna microwave antenna selection and then propose optimizationKey words: microwave antenna of the first Fresnel zone fading factor diversity adaptive equalization impedance matching在微波频段通过地面视距进行信息传播的时候，微波通信技术是一种重要的无线通信手段。
微波与天线ppt课件
。
天线在雷达与导航中的应用
雷达天线
雷达是一种利用微波探测目标的电子设备。天线在雷达中起 到发射和接收信号的作用，通过分析反射回来的信号，可以 获得目标的位置、速度等信息。
卫星导航天线
卫星导航系统通过发射和接收微波信号，实现定位和导航。 天线在此过程中负责发射和接收信号，帮助用户获得位置信 息。
微波与天线在其他领域中的应用
微波与天线ppt课件
目录
CONTENTS
• 微波与天线概述 • 微波的基本理论 • 天线的基本原理 • 微波与天线的应用 • 微波与天线的未来发展
01
微波与天线概述
微波的定义与性质
微波是指频率在300 MHz到300 GHz之 间的电磁波。
它在通信、雷达、导 航、加热等领域得到 广泛应用。
微波具有波长在1米 到1毫米之间，以及 穿透性、反射性、折 射性等特点。
多天线技术
多天线技术是一种利用多个天线同时发送和接收信号的技术，可以显著提高无线通信系统的性能。未 来，多天线技术将在微波与天线领域发挥重要作用，实现更高的频谱效率和更稳定的传输。
MIMO技术
MIMO技术是一种利用多个天线同时发送和接收信号的技术，可以显著提高无线通信系统的性能。未 来，MIMO技术将成为微波与天线领域的重要研究方向，实现更高的频谱效率和更稳定的传输。
波动方程与麦克斯韦方程
波动方程
描述电磁波在空间中传播的基本 方程，包括电场强度E和磁场强度 H的波动特性。
麦克斯韦方程
一组描述电磁场变化和传播的方 程，包括高斯定理、安培定律、 法拉第定律和欧姆定律。
谐振腔与传输线理论
谐振腔
一种能够支持电磁振荡的封闭空间， 通常由金属壁构成，用于产生和储存 微波能量。
微波技术与天线考试重点复习归纳
微波技术与天线考试重点复习归纳第⼀章1.均匀传输线（规则导波系统）：截⾯尺⼨、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统。
2.均匀传输线⽅程，也称电报⽅程。
3.⽆⾊散波：对均匀⽆耗传输线, 由于β与ω成线性关系, 所以导⾏波的相速v p 与频率⽆关, 称为⽆⾊散波。
⾊散特性：当传输线有损耗时, β不再与ω成线性关系, 使相速v p 与频率ω有关,这就称为⾊散特性。
11010010110cos()sin()tan()()tan()cos()sin()in U z jI Z z Z jZ z Z z Z U Z jZ z I z jz Z ββββββ++==++02p rv fλπλβε===任意相距λ/2处的阻抗相同, 称为λ/2重复性z1 终端负载221021101()j z j zj zj zZ Z A ez eeZ Z A eββββ----Γ===Γ+ 1101110j Z Z eZ Z φ-Γ==Γ+ 终端反射系数均匀⽆耗传输线上, 任意点反射系数Γ(z)⼤⼩均相等,沿线只有相位按周期变化, 其周期为λ/2, 即反射系数也具有λ/2重复性4.00()()()in in Z z Z z Z z Z -Γ=+ 0()1()()()1()in U z Z Z Z Z I z Z +Γ==-Γ111ρρ-Γ=+ 1111/1/1Γ-Γ+=-+=+-+-U U U U ρ电压驻波⽐其倒数称为⾏波系数, ⽤K 表⽰5.⾏波状态就是⽆反射的传输状态, 此时反射系数Γl =0, 负载阻抗等于传输线的特性阻抗, 即Z l =Z 0, 称此时的负载为匹配负载。
综上所述, 对⽆耗传输线的⾏波状态有以下结论: ①沿线电压和电流振幅不变, 驻波⽐ρ=1;②电压和电流在任意点上都同相; ③传输线上各点阻抗均等于传输线特性阻抗6终端负载短路：负载阻抗Z l =0, Γl =-1, ρ→∞, 传输线上任意点z 处的反射系数为Γ(z)=-e-j2βz此时传输线上任意⼀点z 处的输⼊阻抗为0()tan in Z Z jZ zβ=①沿线各点电压和电流振幅按余弦变化, 电压和电流相位差 90°, 功率为⽆功功率, 即⽆能量传输; ②在z=n λ/2(n=0, 1, 2, …)处电压为零, 电流的振幅值最⼤且等于2|A 1|/Z 0, 称这些位置为电压波节点；在z=(2n+1)λ/4 (n=0, 1, 2, …)处电压的振幅值最⼤且等于2|A 1|, ⽽电流为零, 称这些位置为电压波腹点。
《微波技术与天线》第3章
第二十六页，共74页。
（4）微带线的色散(dispersive)特性
色散是指电磁波的相速随频率而变的现象。当频率较低时，微带线上 传播的波基本上是准TEM模，故可以不考虑色散。
设不考虑色散时的频率为fmax，对于给定结构的微带线来说其fmax 是一 定的。
0.955
fmax4 r 1
Z0 (GH)z h
d
1
27.3
2GZ0 0
r
tan
由于实际微带只有部分介质填充，介质衰减常数修正如下：
d1 2G eZ01 2qG 0Z 2. 3 70eqetan
其中，
qe
r (e e(r
1) 1)
为介质损耗角的填充系数。
微带线的导体衰减远大于介质衰减，因此一般可忽略介质衰减。
但当用硅和砷化镓等半导体材料作为介质基片时，微带线的介质衰减相对 较大，不可忽略。
若先知道Z0也可由下式求得e ，即
e 0 .9 6 r0 .1 0 9 0 .0 0 r4 r lg 1 0 Z 0 1
第二十三页，共74页。
(2)波导波长
微带线的波导波长也称为带内波长，即
g 0 / e
显然，微带线的波导波长与有效介电常数e有关，也就是与W/h有关，
亦即与特性阻抗Z0有关。
t/b的增大而减小。
第九页，共74页。
(2) 衰减常数
带状线的损耗包括由中心导带和接地板导体引起的导体损耗、两接地板
间填充的介质损耗及辐射损耗。由于带状线接地板通常比中心导带大得 多，辐射损耗可忽略不计
c d
介质衰减常数由以下公式给出：
d1 2G0Z2.730r tan (dB)/m
其中，G为带状线单位长漏电导，tan为介质材料的损耗角正切。
《天线与电波传播》第8章
EE
E
j1
2r
1
cos
e jkr
a/2
a / 2
dxs
b/2 b / 2
Ey xs , ys e jkys sin dys
(8-2-10)
对于H平面(xOz平面)
EH
E
j1
2r
1
cos
e
jkr
b/
b
2 /2
dys
a/2 a / 2
Ey xs , ys e jkxs sin dxs
当口径场均匀分布时，Ey=E0，则两主平面的辐射场表
EE
E
je jkr
2r
1
cos
0a
sd
s2π0源自e d jks sin sins s
(8-2-20)
EH
E
je jkr
2r
1
cos
E0
a
0
s
d
s
2
0
π
e d jks sin sins s
(8-2-21)
J
0
k
s
sin
1 2π
2
0
π
e d jks sin sins s
E平面(yOz平面)如图8-1-3所示，在此平面内，根据式(1-
1-4)
dE e
j60π(H xdx)dy
x
sine jkr ea
(8-1-5)
根据式(1-1-11)
dE m
j
(
Eydy)
2r
e
jkr
ea
(8-1-6)
考虑到Hx=-
Ey 120π
，α=
π2=-eθ，式(8-1-5)和(8-1-6)可分别
菲涅尔区及其意义复习过程
菲涅尔区及其意义微波传输中可以这么简单的理解：从发射机到接收机传播路径上，有直射波和反射波，在直射波波下面的椭圆形区叫做菲涅尔区。
奇数菲涅尔区依次和直射波相差半波长奇数倍，但是同相位到达，可以对直射波做有益的补充。
偶数菲涅尔正好相反，可以削弱直射波的能量。
一般设计的要求只需要第一菲涅尔区。
无线电波波束的菲涅耳区是一个直接环绕在可见视线通路周围的椭球区域。
其厚度会因信号通路长度和信号频率的不同而有变化。
正如上图所示，当坚硬物体突入菲涅耳区内的信号通道时，锐边衍射就会使部分信号偏转，致使其到达接收天线的时间略微晚于直接信号。
由于这些偏转的信号与直接信号有相位差，所以它们会降低其功率或者将其完全抵消。
如果树木或其他“软”物体突入菲涅耳区，它们就会削弱通过的信号(降低其强度)。
简而言之，尽管事实上你能够看到一个位置，但这并不意味着你就能够建立到该位置的优质无线微波电链路。
电波传播的菲涅尔区根据惠更斯一菲涅尔原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。
而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉、叠加的结果。
显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，如图1所示。
为了分析这种变化我们引入菲涅尔区的概念。
图1 二次波源1．空间菲涅尔区如图2所示，自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。
图2中S1是空间的一点，其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：图2 第一菲涅尔区其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。
在自由空间，从波源Q点辐射到P点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。
电波传播的菲涅尔区主要内容
1876年,（美）A.G.贝尔在美国建国100周年 博览会上展示了他所发明 的有线电话。此后,有线 电话便迅速普及开来。
广播
1906年，（美）费森登用50千赫频率发电机作 发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航 船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919 年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台 在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座 无线电广播电台。
S r2 R A R r1 r0 P
N4 N3 N2 N1
R
R
(a )
(b )
S r2 R A R r1 r0 P
N4 N3 N2 N1
R
R
(a )
R r1 R r0 2 R r2 R r0 2( ) 2 R rn R r0 n( ) 2
(a )
(b )
(c)
视距传播 特点： 直射波与地面反射波之间存在干涉现象，降 雨和大气对电波传播有衰减及散射作用，山、建筑物 和树木对电波的散射和绕射作用显著。
4.散射传播
对流层散射 电离层散射 利用非均匀介质团 对电波具有散射特性来 达到传播的目的。 散射传播
不均 匀介质
优点：距离远，抗毁性好，保密性强。
（4）低频（LF）
远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传 递，远程通信广播。
（5）中频（MF） 广播、通信、导航（机场着陆系统）。
（6）高频（HF）
通信广播，超视距雷达，超视距地-空通信。 （7）米波（VHF）
语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接 力通信，航空导航信标。
（8）分米波（UHF） 电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星 导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线通信。
菲涅尔区及其意义
微波传输中可以这么简单的理解：从发射机到接收机传播路径上，有直射波和反射波，在直射波波下面的椭圆形区叫做菲涅尔区。
奇数菲涅尔区依次和直射波相差半波长奇数倍，但是同相位到达，可以对直射波做有益的补充。
偶数菲涅尔正好相反，可以削弱直射波的能量。
一般设计的要求只需要第一菲涅尔区。
无线电波波束的菲涅耳区是一个直接环绕在可见视线通路周围的椭球区域。
其厚度会因信号通路长度和信号频率的不同而有变化。
正如上图所示，当坚硬物体突入菲涅耳区内的信号通道时，锐边衍射就会使部分信号偏转，致使其到达接收天线的时间略微晚于直接信号。
由于这些偏转的信号与直接信号有相位差，所以它们会降低其功率或者将其完全抵消。
如果树木或其他“软”物体突入菲涅耳区，它们就会削弱通过的信号(降低其强度)。
简而言之，尽管事实上你能够看到一个位置，但这并不意味着你就能够建立到该位置的优质无线微波电链路。
电波传播的菲涅尔区根据惠更斯一菲涅尔原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。
而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉、叠加的结果。
显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，如图1所示。
为了分析这种变化我们引入菲涅尔区的概念。
图1 二次波源1．空间菲涅尔区如图2所示，自由空间Q点是波源，P点是接收点，以Q、P为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域，称为菲涅尔区。
图2中S1是空间的一点，其所在与直线QP垂直的平面截菲涅尔区域得到一个圆C1，该圆半径为：图2 第一菲涅尔区其中d为Q、P点间的距离，d1、d2分别是Q点和P点到圆C1圆心的距离，这个圆所在的菲涅尔区域称为第一菲涅尔区。
在自由空间，从波源Q点辐射到P点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。
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第3章 电波传播的基础知识
(8)分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷 达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通 信。
(9)厘米波：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥 感，固定及移动卫星信道。
(10)毫米波：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。
此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。
第3章 电波传播的基础知识
图3―2
天波传播
第3章 电波传播的基础知识
3.视距传播
如图3―3所示，电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的 传播方式称为视距传播。
它可以分为“地-地”视距传播和“地-空”视距传播。
视距传播的工作频段为超短波及微波波段。 此工作方式要求天线具有强方向性和足够高的架设高度。
散射通信的主要优点是距离远，抗毁性好，保密性强。
在各种传播方式中，媒质电参数（包括介电常数,磁导率与 电导率）的空间分布和时间变化及边界状态，是传播特性 的决定性因素。
第3章 电波传播的基础知识
不均匀介质
图3―4 散射传播
第3章 电波传播的基础知识
3.2 自由空间电波传播
不同的电波传播方式反映了不同传输媒质对电波传播 的影响不同，带来的损耗不同。 但是即使在自由空间传播，电波在传播的过程中的功 率密度也会不断的衰减。 为便于对各种传播方式进行定量的比较，有必要先对
虽然自由空间是一种理想介质，是不会吸收能量
的，但是随着传播距离的增大导致发射天线的辐射功 率分布在更大的球面上，因此自由空间传播损耗是一 种扩散式的能量自然损耗。
从上式可见，当电波频率提高1倍或传播距离增加 1倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB。
第3章 电波传播的基础知识
对于波长λ=100m，传播距离r=50km而言，
第3章 电波传播的基础知识
如果发射天线的输入功率为Pin ，增益系数为Gr ，
接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密度和最佳 接收功率分别为
PinGr 2 Sav A 2 4 r
（11）
2 2 PL Sav Ae ( ) Pin A Gr GL 4
（12）
第3章 电波传播的基础知识
图3―1 地面波传播
第3章 电波传播的基础知识
2. 天波传播
如图3―2所示，发射天线向高空辐射的电波在电离层内 经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波 传播。 尽管中波、短波都可以采用这种传播方式，但是仍然
以短波为主。
它的特点是： 能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。 天波传播的规律与电离层密切相关，由于电离层具有 随机变化的特点，因此天波信号的衰落现象也比较严重。
第3章 电波传播的基础知识
第3章 电波传播的基础知识
3.1 概述 3.2 自由空间电波传播 3.3 电波传播的菲涅尔区
第3章 电波传播的基础知识
3.1 概述
3.1.1电磁波谱
人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千
分之几赫（地磁脉动），高达1030Hz量级（宇宙射
线），相应的波长从1011m短至10-20m以下。按序排 列的频率分布称为频谱（或波谱），在整个电磁波谱
第3章 电波传播的基础知识
(5)中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。
采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞 大。
(6)高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波 雷达，超视距“地-空”通信。
(7)米波：用于语音广播，移动通信（包括卫星移动） ，
接力（~50km跳距）通信，航空导航信标，以及容易
第3章 电波传播的基础知识
二、电波在自由空间中传播的场强
如下图所示，有一天线置于自由空间A处，其辐射
功率为Pr，方向系数为D，在最大辐射方向上距离为r
的点M处产生的场强振幅为
60 P Dt 60 Pin Dt E (V / m) r r
其中，D 为发射天线的方向系数
t
（1）
第3章 电波传播的基础知识
电波在自由空间传播的规律进行讨论，也为电波在其它媒
介中的传播研究奠定基础。。
第3章 电波传播的基础知识
一、自由空间的概念
自由空间：是指充满均匀、无损媒质的无限大空间。
特点：相对介电常数和相对磁导率恒为“1”。 即： = 0 , =0 , =0时的介质空间 该空间各向同性，均匀理想，电波直线传播 无折射、反射、绕射、色散、吸收、磁离子 分裂等现象，电波传播速度为光速，传播损 耗仅为扩散的结果。
的衰减程度，了解信号传输过程中各环节的衰耗安排。
就自由空间而言，电波的衰减程度可以由自由空 间的传播损耗来表示。
第3章 电波传播的基础知识
自由空间传播损耗（Free Space Propagation Loss）的定义是： 当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射 天线的辐射功率P∑与接收天线的最佳接收功率PL的比 值。记为L0，即
除了上述3种基本的传播方式外，还有散射传播，如图8―1―4所示。
散射传播：
是利用低空对流层、高空电离层下缘的不均匀的“介质团”对电
波的散射特性来达到传播目的的。
传播特点： 散射传播的距离可以远远超过地-地视距传播的视距。
对流层散射主要用于100MHz~10GHz频段，传播距离r<800km；
电离层散射主要用于30~100MHz频段，传播距离r>1000km。
传播特点：
信号在传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地 面反射波之间的干涉。
在几千兆赫和更高的频率上，还必须考虑雨和大气成分的衰
减及散射作用。在较高的频率上，山、建筑物和树木等对电磁波 的散射和绕射作用变得更加显著。
第3章 电波传播的基础知识
(a)
(b)
(c)
图3―3 视距传播
第3章 电波传播的基础知识
(11)亚毫米波：用于短路径通信。
第3章 电波传播的基础知识
3.1.2 几种主要的电波传播方式
电波传播特性
同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。 当且有一定频率和极化条件的电波与特定的媒质 条件相匹配时，将具有某种占优势的传播方式。
常见的电波传播方式可分为以下3种：
第3章 电波传播的基础知识
1.地面波传播
（5）
第3章 电波传播的基础知识
于是自由空间传播损耗为：
Pr 4 r L0 10lg 20lg dB PL
（6） 或
L0 32.45 20lg f ( MHz) 20lg r( km) 121.98 20lg r(km) 20lg ( cm)
（7）
第3章 电波传播的基础知识
M Pr r
E 60 P Dt r 60 Pin Dt r
t
(V 电波传播
第3章 电波传播的基础知识
在通信系统的工程设计中，为了使系统的可行性 和有效性得到保证，通常要合理安排好发射机的功率、 发射天线的增益、接收机的灵敏度以及接收天线的增 益，此时有一个环节叫做“信道计算”。 信道计算的内容主要是：计算电波在传播过程中
对于这样实际的传输信道，定义发射天线输入功
率与接收天线输出功率（满足匹配条件）之比为该信 道的传输损耗L（Propagation Loss），即
P L0 PL P L0 10 lg dB PL
（2）
第3章 电波传播的基础知识
D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为
P Sav 4 r 2
Ae 4
2
（3）
D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为 （4）
所以该接收天线的接收功率为
2 PL S av Ae ( ) P 4 r
中，无线电波频段（RadioFrequency Band）的划分
见下表。
第3章 电波传播的基础知识
表3―1 无线电波频段的划分
第3章 电波传播的基础知识
从电波传播特性出发，并考虑到系统技术问题，频段的典型应用
如下：
(1)超低频：
典型应用为地质结构（包括孕震效应）探测， 电离层与磁层研究， 对潜通信， 地震电磁辐射前兆检测。 超低频由于波长太长，因而辐射系统庞大且效率低，人为系统难 以建立，主要由太阳风与磁层相互作用、雷电及地震活动所激发。 近来在频段高端已有人为发射系统用于对潜艇发射简单指令和 地震活动中深地层特性变化的检测。
第3章 电波传播的基础知识
(2)极低频：
主要用于海岸对深潜潜艇（如战略导弹潜艇）的远距离指挥通信，
地下通信，极稳定的全球通信，地下遥感，电离层与磁层的研究。 传播十分稳定，在海水中的传播衰减约为甚低频的十分之一（频
率为75赫时，衰减约为0.3分贝／米），穿透能力很强，深达200米。
由于工作频率极低，波长长达数兆米，陆基天线主要采用长达数 万米的两端接地的埋地导线，天线效率很低，发射机功率在数兆瓦情 况下辐射功率也只有几瓦。 大气噪声很高，信号很弱，信息容量小，通信速率特别低，一个 码元要长达数秒到数十秒。 该频段中，垂直极化的天线系统不易建立，并且受雷电干扰强。
L0=76dB，这是一个不小的数据。实际的传输媒质对电 波有吸收作用，这将导致电波的衰减。如果实际情况
下的接收点的场强为E，而自由空间传播的场强为E0，
定义比值|E/E0|为衰减因子（Attenuation Factor），记 为A，于是
E 衰减因子：A E0
相应的衰减损耗为
（8）
1 E0 LF 20lg 20lg A E
（9）
第3章 电波传播的基础知识
A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、
传播方式等因素有关。
考虑了上述路径带来的衰减以后，为了表明传输 路径的功率传输情况，常常引入路径传输损耗 （Propagation Path Loss）（或称为基本传输损耗）， 记为Lb，即