第三章 微波传输

Ls 10lg P1
P2
22 20lg
d

dB
f [Ls ]= 32.45 + 20lg d (km) + 20lg （MHz） (dB)
例1 设某两个微波站的距离为50km，分别计算工作频率 为2GHz、8GHz时的自由空间传播衰减。
解： 由公式可得
f=2GHz： [Ls ]= 32.45 + 20lg50 + 20lg2000＝ 132dB f=8GHz： [Ls ]= 32.45 + 20lg50 + 20lg8000＝ 144dB
由于每个环带路径 相位相差半波长，因 此其上的惠更斯源产 生 的场相位相差180 度，形成反相叠加， 所以
B 0 B1 B 2 B3 B 4 B5 ......... B3 B3 B5 B1 B1 2 B 2 2 2 B 4 2 ....... 2
h1 d1
θ
C
θ
A'
为了使问题简化，先假定：收、发之间的距离不大，不考虑地球 的曲率，认为地面是平坦的；也不考虑地面媒质对电波的吸收。
直射波与反射波的行程差为
r AB AB d 2 (h1 h 2 ) 2 d 2 (h1 h 2 ) 2
2 2 h h2 h h d 1 1 1 1 2 d d h1 h2 h1 h2 1 , 1 d d
例 某微波线路，工作频率f=8GHz，两端天线距离为 50km，试计算线路中间点的第一菲涅尔区半径F1的值。
解： 由公式可得
0.0375 25 25 10 F1 21.65m 50
3
例: ① f 5GHz; ; 6cm 0.06(m); d 50km; ; F1max 27m; F0 16m ② f 1.5GHz; ; 20cm 0.2(m); d 50km; ; F1max 50m; F0 29m ③ f 15GHz; ; 2cm 0.06(m); d 50km; ; F 15.8m; F 9.1m 1 max 0
d2 CO d1 DO
Hb
d1d 2 DO

d1d 2 2R 0
对视距传播来讲，PQ很小， 因此，OD约等于地球直径。 最大地球凸起高度：收发两 Hb 点路径中点处凸起高度最大：
H b max d2 8R 0
d1
d为QP的直线距离在 d 50 km 时，凸起度 H b max 50m； 如果考虑大气折射的影响时可用等效地球半径系数(因子)
上式即为传播余隙表示式。 中h1,h2分别为收、发天线的高度，d1,d2分别为障 碍物距收、发天线的距离，R0为地球半径，Hs为障碍 物的高度。
电磁波传播或称传输电路的三种类型：
hc F0
称为开电路 称为半开电路
接收点可得到自由空间传
播的信号
0 hc F0
hc 0
不能保证
称闭电路
不能保证
L bt
PT
L br
PR0
[PR0 ] [P ] [GT ] [GR ] [L ft ] [L fr ] [Lbt ] [Lbr ] [Ls ] T
§ 3.2菲涅尔区
菲涅尔区 菲涅尔区主要是研究电波传播的什么 区域有障碍物会对传播造成大的影响。 惠更斯菲涅尔原理： 由波源激起的任一波阵面上每一点， 都可看作次级球面波的波源，下个波 阵面上任一点的波动将是前一个波阵 面所有次级点源贡献之和。而且次级 源可以等效为惠更斯源。
第一菲涅尔区
T F1 R
d1
P d
d2
图1
第一费涅耳区半径
d F d F (d 1 d 2 )
2 1 2 1 2 2 2 1

2
令第一菲涅尔区半径为F1，则由图有：
d F d F (d 1 d 2 )
2 1 2 1 2 2 2 1

2
整理上式并用二项式定理展开，略去高阶小项，
因为有d1>>F1，d2>>F1，所以可得
(1 x) 1 x

F12 F12 d1 d2 d1 d 2 2d 1 2d 2 2
F1
d 1 d 2
d
当 d 1 d 2 d / 2 时，得：
F1 max
1 d 2
即传播主区 的最大半径
令最小菲涅尔半径为F0，则由定义：
1 2 F (F1 ) 3
2 0
得：
T F1 P d1 d d2
R
d 1 d 2 F0 0.577F1 0.577 d
由上式，当d一定时，λ愈小，则传播主区 的半径愈小，菲涅尔椭球区就愈长，最后趋 于一直线（光的直线传播）。 注意：在传播主区要尽量避免遮挡
2
2
地面C点的反射系数为 直射波到达收信点的场强为
e j
e1 (t ) E0 cos t
E0
反射波到达收信点的场强为 e2 (t ) E0 cos[ t 2r / ] 收信点的合成场强
d1d2 2R0
d1
h2
hs hb
d
d2
Hb =
d1 d1d 2 hc h1 (h2 h1 ) Hs d 2 R0 可得：
h1d 2 h2 d1 d1d 2 hc Hs d 2 R0
hc
h2
h1
d1
hs hb
d
d2
h1d2 h2 d1 d1d2 hc Hs d 2 R0
电磁波：
300kHz-3MHz 3-30MHz 30-300MHz >300MHz
中波 短波 超短波 微波
无线电波的传播机制：直射、反射、折射、绕射、散射。 反射：当障碍物表面平滑、且远大于传播电波的波长 折射:（同上)且当障碍物为非导体 绕射：当障碍物可与波长相比时 散射：当障碍物表面粗糙或障碍物远小于波长
§ 3.3地面对微波传播的影响
1. 视线距离
由于地球是球体，故视线只能到达有限的距离。 如图 h R0
2 d1 (h1 R0 ) 2 R0 2h1 R0 2 d 2 (h2 R0 ) 2 R0 2h2 R0
故Q点到P点的视线距离为:
dV d1 d 2 2 R0 3.57 h1 h2
由于超短波和微波波段的频 率很高，电磁波沿地面传播时衰 减很大，遇到障碍时绕射能力又 很差，同时高空电离层不能反射 此波段的波.故采用视距传播方式。
b)散射传播: 利用对流层中介质的不均匀性对 电波的散射作用实现超视距传播 （200MHz-5GHz，300-800km）； 特点： 其传输 损耗大，但单跳距离大；
4. 地-电离层波导传播:低频、甚低频远距离传播、标准
频率和时间信号的传播
特点：传播损耗小，受电离层扰动小，传播 相位稳定，有良好的可预测性，但大气噪声电 平高，工作频带窄。
5. 外大气层及行星际空间电波传播：（3GHz-10GHz，地与
宇宙飞船、人造地球卫星及星体等之间的通信）。
视距传播：在发射天线和接收天线间能相互“看 见”的 距离内,电磁波直接从发射点传到接收点。 又称为直接波或空间传播。 ①地-地：中继通信、电视、广播、移动通信； ②地-空：飞机与地面的通信，卫星通信 ③空-空：空间飞行体之间；飞机间、宇宙飞行器 间。 受影响物 ①对流层 ②地面障碍物
式中F0为最小菲涅尔半径。
在地面向波中继通信系统中,应采用开电路。
3、
场传播模型
30P d V ( V m)
A
直射波 反射波
在收发两点相距为d公里时，接收点电场强度为
E E0V
B
h2 d2 d
衰落因子V（Attenuation Factor）与收、发两点距离，天 线高度，发射天线的方向性及地 面情况等条件有关。
适用于无法建立微波中继站的区域， 如海岛之间。
3.电离层电波传播：
a)电离层反射传播,天波:主要用于中波、短波 的远 距离的广播、通信，岸船间航海移动移动通 信，飞机地面间航空移动通信。 特点：传播损耗小（远），衰落现象严重，短波 传播受电离层扰动大；
b)电离层散射传播（30-50MHz，10002000km）；利 用电离层中电子浓度的不均匀性对电 波的散射作用完成远距离通信。 C) 流星电离余迹反（散）射传播。
无线电波的 空间传播方式： 大气层构成
1.地波：电磁波沿地球表面传播.
传播特点：
传输损耗小，作用距离远； 受电离层扰动影响小，传播情况 稳定； 有较强的穿透海水及土壤的能力； 但大气噪声电平高，工作频带窄。
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2.对流层电波传播： →电波在低空大气—对流层中的传播;
a)视距传播（距离10-50km，1-10GHz） 传播区域限于视线距离以内； 特点：频率越高受地形、地物的影响越大； 微波衰落严重； 大气吸收及雨衰减严重（>1GHz）；
A
直射波 反射波
B
h2
h1 d1
θ
C
θ
d2 d
A'
1 h1 h2 h1 h2 1 1 , 2 d d h1 h2 可得行程差为: r 2 d
2 2
1 h1 h2 h1 h2 1 1 d 2 d
作业：Pt=1W f=6GHz d=30km 求Ls
自由空间传播条件下收信电平的计算 考虑到实际微波接力通信中收、发两端天线的增益， 收、发两端馈线及分路系统的衰减，则在自由空间传 播条件下，收信机获得的功率应为
发 射 机 分 路 系 统 馈线
Ls GT GR
馈线
L ft
L fr
分 路 系 统
收 信 机
K进行修正：
d1 d 2 Hb 2KR0
传播余隙hc: 收、发两天线的连线与地面障碍 物最高点之 间的垂直距离。 如图，由图中的几何关系可知：
d1 h h2 h1 d
传播余隙
式中 又由
d d1 d 2
( h2 h1 ) d1 h d
c
hc
可求出： h
代入
h1 h H b H s h1
§ 3.1微波在自由空间中的传播
自由空间：理想均匀介质的空间，它的介质电导率 0S m ， 介电常数是真空介电常数 0＝1/ 36 10-9 F m ，磁导率是真空磁 导率 0＝4 10－7 H m 。 电波在这里传播不产生反射、折射、吸收及散射等现象。 在自由空间中，微波只是因为能量扩散而衰减。
菲涅尔环带也可以这样划分：在源点和场点之间插入 一垂 直于其连线的无限大平面S，如图，在其上以连线与 S平面的交 点为中心点，，则有如下关系：
无限大平面
s2 d1 FN s1 s2 s3 sn F3 o d2 F1 R
s3
sn
T
s1
F2
任意 无限大平面
费涅尔区的划分示意图
1 2 n
r d 1

2
r2 d 2

2
rn d n

2
在上式中d和λ为固定值，故 有为一常数。 环带的边缘所构成的轨迹为一 椭球轨迹。这些椭球所包围 的区域分别称为第一、第 二……菲涅尔区。
d
d1
d2
d1 + d2 - d = /2
传播主区：在收发天线之间的电磁波传播所经 历的空间，对传输电磁能量起主要作用的空间区域。 第一菲涅尔区和最小菲涅尔区（指S面上所截面积为 第一菲涅尔带面积的1/3的相应的空间区域）。 即该区域对电波的传播起主要作用。
电波在自由空间的传播衰减
天线理论：无方向性天线的有效面积为 2 4 A点发射功率为P1, B点接收功率为P2, AB间距离是d。
P 1 P2 P 1 2 4d 4 4d
2
2
A B
§ 3.1微波在自由空间中的传播
自由空间的衰减系数为： Ls P P2 1



h1 h2

(km)
R0 6370 km
为地球半径。
如考虑标准大气折射，则上式的修正式为：
dV 4.12 h1 h2


2. 传播余隙
H 如图球面Q、P点之间的任一点C为处的地球凸起高度： b CO
由图中几何关系可知：
DQO PCO, QP CD
Hb
d1
则相似，故有