微波通信基本原理
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微波通信基本原理
几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2
= (2)1/2 F1 ...... Fn=（nλd1d2/d）1/2
= (n)1/2 F1
微波通信基本原理
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
• 气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰 落是慢衰落。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生 变化。 ➢ 这必然引起接收点场强的高低起伏变化。 ➢ 这种现象，叫做电波传播的衰落现象。 ➢ 显然，衰落现象具有很大的随机性。 ➢ 衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和 地面效应。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
微波通信基本原理
微波通信原理
第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站
微波通信基本原理
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
微波通信基本原理
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。
微波通信基本原理
几个基本概念 费涅耳半径
费涅耳半径 The Fresnel Radius:
我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径， 用F 表示。 当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半 径。 第二...第N 个费涅耳区半径表达式：Fn= (n)1/2 x F1 上式中：F1为第一费涅耳半径。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
• 衰落 • 大气吸收衰减 • 雨雾衰减 • 对流层对微波传播的影响 • 地面反射对微波传播的影响 • 数字微波的抗衰落技术
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
衰落
衰落的定义:
➢ 微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波 的迭加。
➢ 传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。 ➢ 当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，
微波通信基本原理
2020/11/14
微波通信基本原理
微波通信原理
第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍
微波的定义
微波Microwave:
微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz，是全部电磁波频谱的一个 有限频段。 微波一般称为厘米波。 根据微波传播的特点，可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为 TEM波（Transverse Electric and Magnetic Field）。有时我们把这种电磁波简 称为电波。
衰落的种类
衰落
快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading(按持续时间划分):
➢慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。
➢快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。
上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分):
➢ 在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将 发射天线看成是一个点源。
微波通信基本原理
几个基本概念 惠更斯—费涅耳原理
互易定理的概念:
指出，在线性和各向同性的媒质中，任何无线电路上，当发射天 线互换时，不会影响电路的传输特性，或者发射机移到接收点， 而接收机同时移到发射点时，则接收性能，不变。 根据这个原理，对流层是电波的主要传输媒质空间，它就是具有 线性和各向同性的媒质，因此在其中就可以减化工程计算。
微波通信基本原理
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
微波通信基本原理
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）。
Microwave links Radio beam One multiplex per radio channel Applications: Civiliars and military telecommunication networks
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍 微波通信
✓通常把频率300MHz－300GHz的射频无线信号称为微波信号 ✓利用微波作为载体的通信称为微波通信 ✓基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信 ✓一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段 ✓也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK ✓微波通信的理论基础是电磁场理论
高频段可以 做用户级传 输
越高频段雨衰 越厉害！！
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
对流层对微波传播的影响
微波信号的K型衰落:
• 对流层结构的不均匀产生的折射Βιβλιοθήκη Baidu反射。我们知道介电常 数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气 压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传 输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是 所谓的K型衰落。
工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍 射频传输的两种基本形式
广播
点－点视距微波
Broadcasting
Maximum coverage One programme per radio channel Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc ...
微波通信基本原理
几个基本概念 费涅耳椭球面
第一费涅耳椭球面: d
d1
d2
d1 + d2 - d = /2
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
➢上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落
➢下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落
多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分):
➢闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射
波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变
化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影
微波通信基本原理
自由空间的电波传播
自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss )
d
f
Free Space Loss
A = 92.4 + 20 log d + 20 log f 0
Where d = distance in km f = frequency in GHz
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) 非涅耳区的能量分布: • 经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合成 场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间 场强； • 由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅 区在接收点的自由空间场强的2倍; • 相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反； • 若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点 的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog
➢ 由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定 向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明 显作用，长于此波长的可不考虑。
➢ 一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的 这种衰落仅有几个dB。
几个基本概念
• 电波的干涉及极化 • 矩形波导的场结构 • 惠更斯—费涅耳原理 • 费涅耳椭球面 • 费涅耳区定义 • 费涅耳半径
微波通信基本原理
几个基本概念
惠更斯——费涅耳原理
➢ 光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后， 就形成了二次波源、三次波源等等。
➢ 如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是 球面波、三次、四次...波前面也是球面波。
➢ 这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的 平面区域图形。
Line of sight
1st zone
The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight
The First Fresnel Zone
➢ 但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能 过长。
➢ 在微波规划时，可用下图的曲线来计算。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog
在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能 会引入几个分贝。 在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上 频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ 频段，一般最大中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里
GRX
P = 发射功率(TX Power)
G = 天线增益(Antenna Gain)
A0 = 自由空间损耗(Free Space Loss) M = 衰落储备(Fading Margin)
PRX G
M
微波通信基本原理
Distance
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
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍
微波信号的频率范围
LF MF HF VHF UHF SHF EHF 红外 可见 线光
Microwave
10Km 1Km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm f 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz
微波通信基本原理
自由空间的电波传播 自由空间损耗的定义
自由空间损耗 Free space loss:
➢在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象， 即总能量未被损耗。 ➢但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中 一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。 ➢显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的 扩散衰耗就称为自由空间损耗。
响不大。
➢多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原
因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到
达接收天线的传播现象。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术 衰落
衰落现象规律:
➢波长短，距离长，衰落严重 ➢跨水面，平原，衰落严重 ➢夏秋季衰落频繁 ➢昼夜交替时，午夜容易出现深衰落 ➢雨过天晴及雾散容易出现快衰落
(refer to isotropic antennas)
D 或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB
微波通信基本原理
自由空间的电波传播
自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss )
GTX
Power Level
G P PTX
A0
接收门限(Receiver Threshold)
几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2
= (2)1/2 F1 ...... Fn=（nλd1d2/d）1/2
= (n)1/2 F1
微波通信基本原理
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
• 气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰 落是慢衰落。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生 变化。 ➢ 这必然引起接收点场强的高低起伏变化。 ➢ 这种现象，叫做电波传播的衰落现象。 ➢ 显然，衰落现象具有很大的随机性。 ➢ 衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和 地面效应。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
微波通信基本原理
微波通信原理
第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站
微波通信基本原理
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
微波通信基本原理
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。
微波通信基本原理
几个基本概念 费涅耳半径
费涅耳半径 The Fresnel Radius:
我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径， 用F 表示。 当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半 径。 第二...第N 个费涅耳区半径表达式：Fn= (n)1/2 x F1 上式中：F1为第一费涅耳半径。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
• 衰落 • 大气吸收衰减 • 雨雾衰减 • 对流层对微波传播的影响 • 地面反射对微波传播的影响 • 数字微波的抗衰落技术
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
衰落
衰落的定义:
➢ 微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波 的迭加。
➢ 传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。 ➢ 当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，
微波通信基本原理
2020/11/14
微波通信基本原理
微波通信原理
第一章 微波通信的基本介绍 第二章 微波通信的基本原理 第三章 微波调制方式 第四章 微波频率规划 第五章 微波中继站
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍
微波的定义
微波Microwave:
微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz，是全部电磁波频谱的一个 有限频段。 微波一般称为厘米波。 根据微波传播的特点，可视其为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，所以称为横电磁波，记为 TEM波（Transverse Electric and Magnetic Field）。有时我们把这种电磁波简 称为电波。
衰落的种类
衰落
快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading(按持续时间划分):
➢慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。
➢快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。
上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分):
➢ 在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将 发射天线看成是一个点源。
微波通信基本原理
几个基本概念 惠更斯—费涅耳原理
互易定理的概念:
指出，在线性和各向同性的媒质中，任何无线电路上，当发射天 线互换时，不会影响电路的传输特性，或者发射机移到接收点， 而接收机同时移到发射点时，则接收性能，不变。 根据这个原理，对流层是电波的主要传输媒质空间，它就是具有 线性和各向同性的媒质，因此在其中就可以减化工程计算。
微波通信基本原理
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
微波通信基本原理
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）。
Microwave links Radio beam One multiplex per radio channel Applications: Civiliars and military telecommunication networks
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍 微波通信
✓通常把频率300MHz－300GHz的射频无线信号称为微波信号 ✓利用微波作为载体的通信称为微波通信 ✓基带传输信号为数字信号的微波通信是数字微波通信 ✓一般基带信号处理在中频完成，再通过频率变换到微波频段 ✓也可以在微波频段直接调制，但调制限于PSK ✓微波通信的理论基础是电磁场理论
高频段可以 做用户级传 输
越高频段雨衰 越厉害！！
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
对流层对微波传播的影响
微波信号的K型衰落:
• 对流层结构的不均匀产生的折射Βιβλιοθήκη Baidu反射。我们知道介电常 数决定电磁波的传播速度。而空气的介电常数取决于大气 压力，温度，湿度。介电常数的空间梯度变化导致电波传 输射线弯曲。使得到达接收天线的信号能量降低。这就是 所谓的K型衰落。
工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍 射频传输的两种基本形式
广播
点－点视距微波
Broadcasting
Maximum coverage One programme per radio channel Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc ...
微波通信基本原理
几个基本概念 费涅耳椭球面
第一费涅耳椭球面: d
d1
d2
d1 + d2 - d = /2
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)
➢上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落
➢下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落
多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分):
➢闪烁衰落：主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射
波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变
化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影
微波通信基本原理
自由空间的电波传播
自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss )
d
f
Free Space Loss
A = 92.4 + 20 log d + 20 log f 0
Where d = distance in km f = frequency in GHz
微波通信基本原理
几个基本概念
费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition) 非涅耳区的能量分布: • 经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合成 场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间 场强； • 由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅 区在接收点的自由空间场强的2倍; • 相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反； • 若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点 的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术 雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog
➢ 由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定 向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明 显作用，长于此波长的可不考虑。
➢ 一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的 这种衰落仅有几个dB。
几个基本概念
• 电波的干涉及极化 • 矩形波导的场结构 • 惠更斯—费涅耳原理 • 费涅耳椭球面 • 费涅耳区定义 • 费涅耳半径
微波通信基本原理
几个基本概念
惠更斯——费涅耳原理
➢ 光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后， 就形成了二次波源、三次波源等等。
➢ 如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是 球面波、三次、四次...波前面也是球面波。
➢ 这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的 平面区域图形。
Line of sight
1st zone
The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight
The First Fresnel Zone
➢ 但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能 过长。
➢ 在微波规划时，可用下图的曲线来计算。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术
雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog
在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能 会引入几个分贝。 在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上 频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ 频段，一般最大中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里
GRX
P = 发射功率(TX Power)
G = 天线增益(Antenna Gain)
A0 = 自由空间损耗(Free Space Loss) M = 衰落储备(Fading Margin)
PRX G
M
微波通信基本原理
Distance
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
微波通信基本原理
微波通信的基本介绍
微波信号的频率范围
LF MF HF VHF UHF SHF EHF 红外 可见 线光
Microwave
10Km 1Km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm f 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz
微波通信基本原理
自由空间的电波传播 自由空间损耗的定义
自由空间损耗 Free space loss:
➢在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象， 即总能量未被损耗。 ➢但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中 一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。 ➢显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的 扩散衰耗就称为自由空间损耗。
响不大。
➢多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原
因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到
达接收天线的传播现象。
微波通信基本原理
各种衰落及抗衰落技术 衰落
衰落现象规律:
➢波长短，距离长，衰落严重 ➢跨水面，平原，衰落严重 ➢夏秋季衰落频繁 ➢昼夜交替时，午夜容易出现深衰落 ➢雨过天晴及雾散容易出现快衰落
(refer to isotropic antennas)
D 或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB
微波通信基本原理
自由空间的电波传播
自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss )
GTX
Power Level
G P PTX
A0
接收门限(Receiver Threshold)