电波传播概论

式中, 前三项为自由空间损耗Lbf； A为实际媒质的损耗。 不同的传播方式、 传播媒质, 信道的传输损耗不同。
第7章电波传播概论
(2) 所谓衰落, 一般是指信号电平随时间的随机起伏。 根据 引起衰落的原因分类, 大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。 吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化 , 使得信 号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。如大气中的氧、 水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸 收作用。 由于气象的随机性, 这种吸收的强弱也有起伏, 形成信号 的衰落。 由这种原因引起的信号电平的变化较慢, 所以称为 慢衰落, 如图 7 1(a)所示。慢衰落通常是指信号电平的中值 （五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的 起伏变化。
(a )
(b )
图 7 – 4 大气层对电波的折射
第7章电波传播概论
于电波频率远低于光学频率, 故不能完全按上述几何光学 的观点划分区域。通常把 r ＜ 0.8rv 的区域称为照明区 , 将 r ＞
1.2rv的区域称为阴影区, 而把0.8rv＜r＜1.2rv的区域称为半照明
半阴影区。 2. 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸
第7章电波传播概论
在标准大气压下, 大气层的介电常数εr随高度增加而减小， 并逐渐趋近于1, 因此大气层的折射率n=
r 随高度的增加而减
小。若将大气层分成许多薄片层, 每一薄层是均匀的, 各薄层的 折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通 过每个薄层界面时, 射线都将产生偏折, 因而电波射线形成一条
图 7 – 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 7 –7 接收点场强随间距d的变化曲线
第7章电波传播概论
③ 当两天线高度h1和h2和间距d不变时, 接收点场强随工 作波长λ呈波动变化， 如图 7 8 所示。
总之, 在微波视距通信设计中, 为使接收点场强稳定, 希望
反射波的成分愈小愈好。 所以在通信信道路径的设计和选择 时, 要尽可能地利用起伏不平的地形或地物, 使反射波场强削 弱或改变反射波的传播方向, 使其不能到达接收点, 以保证接 收点场强稳定。
第7章电波传播概论
2 1 .8 1 .6
第7章电波传播概论
50 相对 电平 40 30 20 9 :0 0 1 0:00 (a ) 慢衰落 1 1:0 0(小时)
40 30 20 10 1 50 (b ) 快衰落 1 00 (秒)
图 7 – 1 衰落现象
第7章电波传播概论
干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传 输方式中, 由于收、 发两点间存在若干条传播路径, 典型的如
将地球半径a=6.370×106m代入上式, 即有
rv 3.57( h1 h2 ) 103
式中，h1和h2的单位为米。 视距传播时, 电波是在地球周围的大气中传播的, 大气对电 波产生折射与衰减。 由于大气层是非均匀媒质, 其压力、温度 与湿度都随高度而变化, 大气层的介电常数是高度的函数。
设h1为发射天线高度, h2为接收天线高度, d为收、 发天线 间距, E为接收点场强, Eθ1为直射波, Eθ2为反射波。根据上面的
分析,
E=Eθ1+Eθ2
Eθ1=E 0 f(θ)
Eθ2=RE0f(θ′)
e jkr r
e jkr r
式中, R为反射点处的反射系数, R=|R|e jφ, f(θ)为天线方向 函数。 如果两天线间距离d>>h1, h2, 则有
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E pR A(dB) 20lg 10lg E0 PR
则传输损耗Lb为
Pi PR Lb 10lg 10lg 10lg Lbf A(dB) pR pR pR Pi
若不考虑天线的影响, 即令Gi=GR=1, 则实际的传输损耗为
Lb 32.45 20lg f ( MHz) 20lg r(km) A(dB)
考虑由降雨引起的衰减。
3. 在视距传播中 , 除了自发射天线直接到达接收天线的直射 波外, 还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波， 如图 75 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。
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z

h1 d h1
h2
′
图 7 – 5 直射波与反射波
第7章电波传播概论
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θ=θ′
e jkr E a E0 f ( ) F r
式中，
F 1 R e j[k ( rr ) ]
(h1 h2 )2 (h2 h1 )2 2h1h2 r r 2d 2d d
而
将其代入式（7 2 7）得
F 1 R e j ( k2h1h2 / d )
由上式可得到下列结论: ① 当工作波长和收、发天线间距不变时, 接收点场强随天 线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间波动，如图 7 6 所 示。 ② 当工作波长λ和两天线高度h1和h2都不变时, 接收点场 强随两天线间距的增大而呈波动变化, 间距减小，波动范围减 小， 如图 7 7所示。
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p 2 ( w / m ) S0= 2 4r
功率流密度又可以表示为
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E0 1 s0 Re( E H ) n 2 120

2
由此, 离天线为r处的电场强度E0值为
又假设发射天线是一实际天线, 其辐射功率仍为PΣ, 设它的 输入功率为Pi, 若以Gi表示实际天线的增益系数, 则在离实际天 线r处的最大辐射方向上的场强为
向下弯曲的弧线， 如图 7 4 所示。
当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时 , 视距公 式应修正为
rv 2ae ( h1 h2 ) 4.12( h1 h2 ) 103 (m)
在光学上, r＜rv的区域称为照明区, r＞rv的区域称为阴影区。
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n4 n3 n2 n1
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7.2
所谓视距传播 , 是指发射天线和接收天线处于相互能看见 的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都 可以采用这种传播方式。它主要用于超短波和微波波段的电波
传播。
1. 设发射天线高度为 h1、接收天线高度为 h2（图7-3）, 由于 地球曲率的影响, 当两天线A、B间的距离r＜rv时, 两天线互相 “看得见”, 当r＞rv时,
收。 热吸收与小水滴的浓度有关, 谐振吸收与工作波长有关。
另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射, 散射衰减与小 水滴半径的六次方成正比, 与波长的四次方成反比。
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当工作波长短于5cm时, 就应该考虑大气层对电波的衰减 , 尤其当工作波长短于 3cm时, 大气层对电波的衰减将趋于严重。 就云、雾、雨、雪对微波传播的影响来说, 降雨引起的衰减最 为严重, 对10千兆赫以上的频率, 由降雨引起的电波衰减在大多 数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要
将上式取对数得
pi Lbf 10lg pR
32.45 20lg f ( MHZ ) 20lg r(km) Gi (dB) GR (dB)
第7章电波传播概论
由上式可见: 若不考虑天线的因素, 则自由空间中的传输 损耗, 是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩 散而引起的, 它反映了球面波的扩散损耗。 2. (1) 传输损耗（信道损耗） 电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。 这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的 , 也 可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在 传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相 同的情况下, 设接收点的实际场强E、功率PR′，而自由空间的 场强为E0、功率为PR， 则信道的衰减因子A为
当地面电导率为有限值时, 若射线仰角很小, 则有 RH≈RV≈1
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式中, RH为水平极化波的反射系数; RV垂直极化波的反射系数。 对于视距通信电路来说, 电波的射线仰角是很小的（通常
小于1°）, 所以有
F 1 e
jk 2 h1h2 / d
2h1h2 2 sin( ) d
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(3) 无线电波通过媒质除产生传输损耗外, 还会产生失真——
振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个: 一是媒质的色
散效应, 二是随机多径传输效应。 色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速 度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据一 定的频带, 当电波通过媒质传播到达接收点时, 由于各频率成
30P E0 r
30PiGi E0 r
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如果接收天线的增益系数为GR, 有效接收面积为Ae, 则在距 离发射天线r处的接收天线所接收的功率为
piGi 2GR pR S0 Ae 2 4r 4
将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输
损耗:
Pi 4r 1 Lbf pR GiGR
第7章电波传播概论
第7章 电波传播概论
7.1 电波传播的基本概念
7.2 视距传播
7.3 天波传播
7.4 地面波传播 7.5 不均匀媒质的散射传播
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第7章电波传播概论
第7章 电波传播概论
7.1电波传播的基本概念
1.
s 天线置于自由空间中, 假设发射天线是一理想的无方向性
天线, 若它的辐射功率为PΣ瓦, 则离开天线r处的球面上的功率 流密度为
天波传播、 不均匀媒质传播等， 在这些传播方式中, 传输媒质
具有随机性, 因此使到达接收点的各路径的时延随机变化, 致使 合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短 ,
信号电平变化很快, 故称为快衰落, 如图 7 -1(b)所示。 这种衰
落在移动通信信道中表现得更为明显。 快衰落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内观察时, 前者 表现明显, 后者不易被察觉。信号的衰落现象严重地影响电波 传播的稳定性和系统的可靠性, 需要采取有效措施（如分集接 收等）来加以克服。
分传播速度不同, 因而不能保持原来信号中的相位关系, 引起
波形失真。 至于色散效应引起信号畸变的程度, 则要结合具体 信道的传输情况而定。
第7章电波传播概论
多径传输也会引起信号畸变。 这是因为无线电波在传播时 通过两个以上不同长度的路径到达接收点, 接收天线检拾的信 号是几个不同路径传来的电场强度之和。 设接收点的场是两条路径传来的相位差为φ=ωτ的两个电场 的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多 径时延τ。对所传输信号中的每个频率成分, 相同的τ值引起不同 的相差。例如对f1，若φ1=ω1τ=π, 则因二矢量反相抵消, 此分量 的合成场强呈现最小值；而对f2, 若φ2=ω2τ=2π, 则因二矢量同相 相加, 此分量的合成场强呈现最大值， 如图 7 2(b)所示。 其余 各成分依次类推。显然, 若信号带宽过大, 就会引起较明显的失 真。所以一般情况下, 信号带宽不能超过1/τ。因此，引入相关 带宽的概念，定义相关带宽:
第7章电波传播概论
合成 场强
f1 (a )
f2 (b )
f3
f
图7-2 多径传输效应
第7章电波传播概论
f
(4)
1

当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时 , 射线是沿直 线传播的。 然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的: 不同媒质的分界处将使电波折射、 反射; 媒质中的不均匀体如 对流层中的湍流团将使电波产生散射 ; 球形地面和障碍物将使 电波产生绕射 ; 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机 变化, 使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏, 使接收信号 产生严重的衰落。 因此, 在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时, 电波 传播方向的变化也是重要内容之一。
第7章电波传播概论
A rv
C
B h2
h1
a O
图7-3 视线距离
第7章电波传播概论
两天线互相“看不见”, 距离rv为收、 发天线高度分别为 h2和h1时的视线极限距离, 简称视距。图 7 3 中, AB与地球表
面ຫໍສະໝຸດ Baidu切, a为地球半径, 由图可得到以下关系式:
rv 2a ( h1 h2 )