《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

(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
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
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。
奥米加工作在10～14kHz，可认为传播是在地球和电离
层形成的球波导内进行。
第3章 电波传播的基础知识
德国柏林359.7米高的 长波电台发射天线架
第3章 电波传播的基础知识
第3章 电波传播的基础知识
第3章 电波传播的基础知识
(4)低 频：
典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导 航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向 天线。 罗兰-C是一种远距离(1850km)、低频(100kHz)脉冲式的双曲线无 线电导航与定位系统(精度100~200m)。上世纪40年代应美国陆军的 要求由美国麻省理工学院研制，定型为罗兰-A。当时要求是能全天 候导引飞机，能远距离工作(离发射台926km)，在一万多米的高空 也能收到信号。主要覆盖北大西洋、北太平洋、北海和墨西哥湾， 精度达到2.8km/926km，12.9～3.7km/ 2222.4km，战后美国海岸警卫 队把它的应用扩展到海上导航，此后又历经了罗兰-B系统。至1960 年代美国空军又在罗兰-C基础上研制了罗兰-D系统。并使系统的精 度达到10m。
如图8―1―1所示，电波沿着地球表面传播的方式 为地面波传播。 此方式要求天线的最大辐射方向沿着地面，采用 垂直极化，工作的频率多位于超长、长、中和短波波
段，地面对电波的传播有着强烈的影响。
这种传播方式的特点是： 传播的信号质量好，但是频率越高，地面对电波 的吸收越严重。
第3章 电波传播的基础知识
实现具有较高增益系数的天线系统。
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。
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(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。
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。
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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
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
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。
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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Leabharlann Baidu
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。
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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
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
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Omega是一种远距、全球、全天候、昼夜工作的
双曲线、甚低频无线电导航系统。 在上世纪40年代后期由Pierce教授提出，采用了铯 钟作发射台同步，由8个发射台网组成， 8个台以精确 的时间和间隔发射信号，工作在甚低频段。用户应至 少收到3 站的信号，作用距离为14816km，定位精度白 天1.85～3.70km；夜间3.70～7.40km。 奥米加用户有商用航线，船只和陆地车辆，由于
（5）
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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）
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图3―1 地面波传播
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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。
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
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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
（9）
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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
Lb L0 LF
dB
（10）
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。
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不均匀介质
图3―4 散射传播
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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
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。。
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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。
第3章 电波传播的基础知识
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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
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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
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
中，无线电波频段（RadioFrequency Band）的划分
见下表。
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表3―1 无线电波频段的划分
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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。
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(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
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(3)甚低频：
典型应用为Omega(美)、α（俄）超远程及水下相位差导航系 统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探 测。 它主要靠大地与低电离层间形成的波导进行传播。波长越长 则衰减越小，穿透海水或土壤的能力也越强，但同时大气噪声也 越大。 由于波长远大于天线几何尺寸，天线辐射电阻很小，容抗很 大。为了匹配，天线一般都加很大的顶负载以减小容抗，致使天 线庞大，Q 值高、通带窄（低端往往只有几十赫）、传输速率低， 发射机功率一般从十几千瓦到数兆瓦。 甚低频传播稳定，受太阳射电爆发或核爆炸等引起的电离层 骚扰的影响较小，适用于远距离水下通信、防电离层骚扰的备用 通信和地下通信等。
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