地球表面均匀大气中的电波传播
重庆三峡学院移动通信概论答案
第一章1、什么叫移动通信？移动通信有哪些特点？移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。
移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。
(1)移动性。
就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。
(2)电波传播条件复杂。
因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。
(3)噪声和干扰严重。
在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。
(4)系统和网络结构复杂。
它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。
此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的。
(5)要求频带利用率高、设备性能好。
2、单工通信与双工通信有何区别？各有何优缺点？区别：单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信，双工通信是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式、。
单工通信的优点：电台设备简单、省电，且只占用一个频点。
缺点是这样的工作方式只允许一方发送时另一方进行接收。
此外，任何一方当发话完毕，必须立即松开其按讲开关，否则将收不到对方发来的信号。
双工通信的优点是使用方便，同普通有线电话相似，接收和发射课同时进行。
缺点是在电台的运行过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电源消耗较大，这一点对用电池做电源的移动台而言时不利的。
3. 数字移动通信系统有哪些优点?数字通信系统的主要优点可归纳如下：(1) 频谱利用率高，有利于提高系统容量。
(2) 能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性。
(3) 抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强。
(4) 能实现更有效、灵活的网络管理和控制。
(5) 便于实现通信的安全保密。
(6) 可降低设备成本以及减小用户手机的体积和重量4. 蜂窝通信系统采用了哪些技术?它与无线寻呼、无绳电话、集群系统的主要差别是什么?蜂窝移动通信采用了频率再用、小区覆盖、小区分裂、越区切换、空间分集、交织技术等技术。
地波传播
EMW Propagation Engineering
第四讲 地波传播
2012, May. 15
内容安排
School of Electronic Engineering
地球表面的电特性 地波传播特性 地波场强计算 地面不均匀性对地波传播的影响
EMW Propagation Engineering
地球表面的电特性
地波传播特性 场模式与极化 地波属于TM模式，即沿传播方向上的电场分量不为 零。在贴近地面靠近大气一侧电场横向分量Ex1远大于纵 向分量Ez1，二者相位亦不同，因而合成场是一椭圆极化 波，如图4所示，电场的倾角ψ为
arctan 600
4 2 r 2
(21)
图4 平面地上的椭圆极化波
E z 2 E z1
H y 2 H y1
(15)
(16) (17)
EMW Propagation Engineering
地波传播特性
统一写出上述分量
School of Electronic Engineering
E z1 E z 2
4
Ex1
600
Ex1 173 P kW Dt d km A
地波的传播特性
而产生对电波传播的影响
BUPT 漆渊
目录概要
地球表面的电特性
地波的传播特性
地表面波的场强计
算
• 地波传播的场结构
• 地表面波的传播特性
• 半导电平面地面上地波场强的计算
• 考虑其他因素地波场强的计算
天线地场的性质对
电波传播的影响
BUPT 漆渊
• 地球表面的电特性
– 地面形状的理想化
各种地形不均匀性的程度可根据不均匀尺寸对波长的比值来判
断，如当地形的不平坦程度远小于电波的波长时，这种地面就
可用理想化的光滑地面来代替
– 土壤的变化是渐变的， 则可以取平均的介电系数ε 和电导率σ 表
示大地土壤的性质来进行分析
– 在实际计算中不考虑土壤的电参数沿其深度的变化
– 对于垂直极化波，其电波能量
同样要被吸收，但由于电场方
－ 120
－ 110
－ 100
－ 90
－ 80
－ 70
－ 60
10 MHz
5 MHz
2
MHz
A
－ 50
－ 40
向与地面垂直，它在地面上产
－ 30
生的感应电流远比水平极化波
－ 20
的要小，故地面吸收小
Ah
－ 10
0
0
10 MHz
5 MHz
2
MHz
– 当观察点远离波源，则可将到达观察点处的电波视为平面波
Ex1 =Ex1me
j t -k0 z
x
+
0
0 = 0 0 为空气中的传播常数
0
E
Ex1 = x1
移动通信电波传播与天线资料-地球表面大气分层概况
第2章 地球表面大气分层概况地面和地球表面的大气是影响无线电波传播的两个主要因素。
我们通常把大气层分成：对流层、平流层（或称为同温层）、电离层和磁层。
2.1 对流层对流层处在大气层的最低层，一般从地面到13公里左右。
对流层中含有丰富的水份，它们以旋转气团、各种云层、雨、雾、雪、雹等形式出现在离地面数公里的高度范围内，形成湍动区。
在对流层中高度每升高1公里，温度约下降6.5℃，到对流层顶温度大约已降到－56℃。
由于水汽和二氧化碳对太阳的强烈吸收以及地球的红外辐射，会使对流层中局部高度范围内的温度随高度增加而上升，出现温度逆增现象。
例如在沙漠地区，白天被太阳加热的地面，在夜里很快向外辐射大量热量以致贴近地面的空气层温度迅速降低，而较高高度的空气层温度却相对稳定，产生温度的逆增现象，这种温度逆增称为地面辐射逆增。
温度逆增现象是形成大气波导的重要原因。
对流层对电波传播的影响主要取决于对流层本身的电气特性，它可用折射指数来描述。
折射指数和气象三要素（温度、湿度和压强）有着密切的关系。
由于对流层中大气温度、湿度和压强会随时间和空间发生十分复杂的变化，因此就导致了对流层中各种各样的传播现象，如传播路径的弯曲、时延、大气波导、多径效应、去极化现象及信号衰落等。
2.1.1 对流层的弯曲传播对流层是大气层中气象活跃的一层。
对流层的介电常数并不保持不变，它随海拔高度以4106-⨯/m 的速率线性地减小。
大气不均匀性对电波传播的影响，就是由于介电常数的变化而对电磁波传播常数产生的影响。
在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，对流层中大气的折射率n 和相对介电常数r ε的关系为n = r ε (2.1)由于对流层中相对介电常数r ε非常接近1，例如靠近地球表面处000638.1=r ε，所以n 的值仅比1大百万分之几百。
为了方便起见，我们通常定义折射指数610)1(⨯-=n N ，称为N 单位。
由式（2.1）可知，大气折射率n 随介电常数而变化，而介电常数本身又取决于温度、压力、湿度。
《电波传播理论》课件 地表面波传播模式
Z
Z O
2020/11/29
对E1x
o 2
H1y取x的导数，得
空间波
E1x o H1y
(1)
x
2 x
地表面波
从方程 E＝0，得
E1Z
E1x ＝ E1Z
(2)
x
Z
8
又从方程 H 1
j
0
E
1,
得
E1y x
j 0E1Z
(3)
把(2)(3)式代入(1)式，得
E1Z z
0 2
( j 0E1z )
由于地球表面呈球形使电波传播的路径按 绕射的方式进行。
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3
第2节 地波传播场强的计算
偶极子天线所产生的地波垂直电场E通常表示为： E E0 A
其中，E 0 为理想导电地面上的垂直电场； A 称为衰减因子，它是频率、距离和地面电参数的 复杂函数。
一般说来，频率愈高，地面电导率愈低，地 波随距离衰减就愈快。
均匀层：对电波传播影响很小
对电波传播的影响大小取决于大气中带电 粒子的多少。
对流层折射的影响
对流层的特点 如果对流层是均匀的，介电常数是常数，那 么，无线电波的传播将沿着直线进行。但是对 流层是不均匀的，不是常数，而是随着离地 的高度和温度而变化。无线电波在对流层中的 传播可以看作是从彼此系数不同的一个介质薄 层进入另一个介质薄层，这时传播路径将发生 连续弯曲，即发生折射。
2020/11/29
1
第1节、地表面波传播特性
❖ 沿地球表面以绕射方式进行传播的无线电波传播模 式，称为地波传播
❖ 特点：
信号比较稳定 半导电性地球表面的影响较大 地面对地波有较大的衰减 地面上方垂直方向电场强度远大于水平方向电场强度
电波主要传播方式
电波主要传播方式2008-06-05 11:25:45 作者：不详电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。
任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。
传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。
根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。
当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。
那些走直线的电波就过不去了。
只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。
地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。
其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。
因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。
天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。
无线电波也能够反射。
在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。
在电波中，主要是短波具有这种特性。
电离层是怎样形成的呢？原来，有些气层受到阳光照射，就会产生电离。
太阳表面温度大约有6000℃，它辐射出来的电磁波包含很宽的频带。
其中紫外线部分会对大气层上空气体产生电离作用，这是形成电离层的主要原因。
电离层一方面反射电波，另一方面也要吸收电波。
电离层对电波的反射和吸收与频率(波长)有关。
频率越高，吸收越少，频率越低，吸收越多。
所以，短波的天波可以用作远距离通讯。
此外，反射和吸收与白天还是黑夜也有关。
白天，电离层可把中波几乎全部吸收掉，收音机只能收听当地的电台，而夜里却能收到远距离的电台。
地电波原理
地电波是指通过地球中的导电层传播的电磁波。
它是一种低频电磁波，其频率通常在几十赫兹至几千赫兹之间。
地电波的传播原理基于电磁感应定律和地球与电离层之间的相互作用。
当地球表面发生变化时，如雷电活动、地震或人为干扰等，会产生瞬时电流，这些电流通过地球的导电层传播并引起地电波的辐射。
具体而言，地电波的形成可以分为以下几个步骤：
1.地球表面的电流产生：当有外部电场或其他电源在地球表面上产生电流时，例如闪电放
电或人类活动，会在地球表面上形成电流环路。
2.电流环路导致磁场变化：根据电磁感应定律，电流环路的变化会产生磁场变化，这些变
化的磁场以电磁波的形式传播。
3.地球导电层的作用：地球的导电层，包括大气电离层和地壳中的含水层，对地电波起到
传导和反射作用。
导电层中的自由电子能够传输地电波，并将其反射回地球表面。
4.接收和测量：人们可以利用地电波接收器（如磁场感应线圈）来捕捉并测量地电波的强
度和频率，以了解地球表面的变化情况。
地电波的传播距离相对较短，常被用于监测地震活动、雷电活动、地壳运动等。
它在地球科学研究、大气物理学、天气预报等领域具有重要意义。
无线电波的传播模型分析
无线电波的传播模型分析无线电通信是人类社会发展进程中的一项重要成就，也是21世纪信息科学的重要组成部分，使用了无线电波传播技术。
无线电波是以电磁场的形式传输的，具有广泛的覆盖范围，便捷性和实时性等诸多优点。
本文将从无线电波的传播模型分析来介绍无线电通信中的传播特性和影响因素。
一、无线电波的传播模型无线电波作为电磁波，传播模型主要分为两种类型：地面波和空间波。
1.地面波地面波也叫地波，是在地球表面与大气继电器的相互作用下产生的，主要依靠短波的反射和散射。
它的传播方式具有一定的局限性，主要适用于频率较低的波段，例如中、低频的AM广播。
由于地波的传播距离有限，因此它的应用范围受到限制。
2.空间波空间波是指在大气层高度以上发送无线电信号产生的波，主要依靠大气继电器的传播方式。
空间波分为直接波、反射波和绕射波。
其中，直接波是指在天线发射的无线电波沿着一条直线传播到达接收方，主要应用于近距离的通信；反射波是指无线电波在大气层中反射，从而到达接收方；绕射波则是指无线电波在距离障碍物一定距离处发生弯曲而传输到接收方。
由于空间波传播距离远，因此被广泛应用于广播、卫星通信和移动通信等领域。
二、无线电波传播特性的影响因素1.频率无线电波向外辐射是以电磁场的形式进行的，不同频率的波对传输距离、传输损耗等有着直接的影响。
频率低的电磁波，因其波长长，具有较好的穿透性，不易受到障碍物的阻碍，有利于传播距离较远的环境；高频无线电波因其波长短，具有更弱的穿透性，主要适用于短距离传输。
根据频率的不同，无线电波传输的特性也会有所区别。
2.天线高度和功率天线是信息传输的重要载体，其高度和功率决定了无线电波的传输效果。
天线高度可以影响电波的传播距离和传输覆盖面积，高天线通信的距离更远，更通畅；天线功率的大小则决定了无线电信号传输的能力，功率越大，传输的距离越远。
在实际应用中，高度和功率的大小应该结合实际情况进行权衡，以达到最佳效果。
3.障碍物和地形无线电波的传输受到障碍物和地形的影响。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2）天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1．电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
在太阳紫外线强烈照射下，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成了自由电子和离子，即电离层。
由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。
无线电波传播环境
第3章无线电波传播环境：无线电气象与地面电磁特性3.1 地球大气、地面与无线电波传播人类活动和赖以生存的主要空间场所仍然限于地球表面及其周围不远的空间范围。
无线电通信业务及其用以远距离传输业务信息的无线电波传播自然也主要发生在这些空间场所。
所以，我们很容易理解，大体而言，地球大气是无线电波在自然环境中传播时所要遭受其影响的主要的、甚至是唯一的介质，而地面及其覆盖物则是无线电波在自然环境中传播时所要遭遇的主要的、甚至是唯一的边界条件。
总之，大气层和地面是影响自然环境下无线电波传播的主要因素。
通常，从低到高，依次把包围地球的大气层分为四个层次：对流层、平流层（同温层）、电离层、磁球层，如图3.1所示。
3.1.1 对流层从地面到对流层顶的大气层被称为对流层。
在对流层中，大体上，温度随高度以6.5ºC/公里的速率下降，当在某一高度上温度开始不再降低，而达到大约-56ºC的恒定值时，这一高度就被定义为对流层顶。
在中纬度地区，对流层顶的海拔高度大约为12公里，在我国大陆地区，对流层顶的高度为11～13公里；在赤道地区，大约为18公里；在两极地区则只有8公里左右。
对流层是中性大气层。
对流层内中进行着各种各样复杂的规则和随机的天气过程。
对流层主要影响VHF以上频段无线电波的传播，特别是微波和毫米波。
对流层对无线电波传播的影响取决于对流层本身的电磁特性。
对流层的电磁特性以其折射指数来表征，这个参数取决于空气的介电常数、导电率和导磁系数。
对流层的导磁系数通常等于1；而且，在VHF 以上频段，大多数情况下，对流层可以被看成是无热损耗的介质，即导电率为零。
因此，对流层的折射指数仅取决于空气的介电常数，而介电常数是空气压力、温度和湿度的函数。
由于在对流层中每时每刻都在进行着各种各样的复杂的天气过程，所以，空气的温度、压力和湿度等三个基本气象参数乃至折射指数都随时间和空间发生着各种各样的十分复杂的规则的和随机的变化。
对流层大气对电波传播的影响
对流层大气对电波传播的影响随着现代通信技术的不断发展，对电波传播的研究也得到了极大的关注。
在大气传输中，对流层大气是影响电波传播的主要因素之一。
本文将探讨对流层大气对电波传播的影响以及之所以会产生这些影响的原因。
对流层大气是指地球表面到海平面以上18公里之间的大气区域，对电波的传输速度、路径以及能量等方面都有着巨大的影响。
首先，对流层大气可以影响电波的传输速度。
电波的传输速度是由介质的折射率决定的。
对流层大气中的空气密度和温度都是不均匀的，随着高度的增加而逐渐变化。
这种导致空气密度和温度变化的现象被称为垂直传播差异（Vertical Propagation Differences, VPD），VPD会使电波的速度随着高度而变化，从而在电波信号的接收端出现时延。
因此，对流层大气中的梯度的密度和温度应该是电波慢高度变化率的主要来源之一。
除了速度的延迟之外，对流层大气还会影响电波的路径。
在空气密度和温度不均匀的情况下，电波的路径会发生变化。
相似于折射率随着高度的变化，电波的路径会发生弯曲，使得电波偏离原始路径的程度会随着高度的不同而有所改变。
这样，接收到的电波信号会出现偏移。
另外，对流层大气还会影响电波的容量。
在光学中，散射是指光线遇到介质中的微小颗粒或不规则的表面而改变其方向的现象。
同样，对流层大气中的电离层和其他因素也会散射电波。
当电波被散射时，它会变得更加分散和模糊，这会导致接收到的信号强度下降。
对流层大气对电波传播的影响是由很多因素共同作用的结果。
主要的因素包括季节、时间、太阳活动、大气成分以及气候条件等。
例如，在某些时期，由于地球上的大气压力和密度变化，VDP的变化速度会更快，从而导致在这些时期中甚至几分钟内的电波传播路径也会发生变化。
此外，在太阳活动高峰期，电离层浓度增加，这会导致电波的散射增加，从而降低接收到的信号强度。
总之，对流层大气对电波传播有着极大影响。
这种影响是由很多因素所决定的，包括大气压力、温度、季节以及太阳活动等多种因素。
电波传播理论（公式）
图4.4，图4.5，图4.6（第四章思考题2）答：五种典型的大气折射：（其中ρ为射线的曲率半径，ａ为地球的曲率半径）在真实地球中，有：如图4.4负折射——射线曲率半径，射线为曲线，下凹；这对应于，即折射率随高度而增大。
无折射——射线曲率半径，射线为直线；这种折射对应于，即折射率是个常数。
也就是说，在均匀大气中，没有折射，射线自然是条直线。
标准折射——射线曲率半径，射线为曲线，上凸；这对应于，折射率随高度而降低。
临界折射——射线曲率半径，射线为曲线，与地面平行；这对应于，折射率随高度降低。
超折射——射线曲率半径，射线为曲线，上凸；这对应于，即折射率随高度而降低。
对于等效球面地球及等效平面地球，情况如图4.5、4.6，分析类似图4.4，但要注意它们的区别，在图4.4中，负折射时射线最靠近地面，超折射时离得最远；在图4.5中，具有阴影的2号等效地球表面是真实地球平面，T’和R’是T和R在真实地面上的投影，而等效地球的球面可由通过T’和R’的一系列圆弧来表示，其圆心在T’和R’的中垂线上，半径可根据相应的公式计算得到，此时负折射时射线最靠近地面，超折射时离得最远；在图4.6中，地面时固定的平面，在这种情况下，负折射时射线最靠近地面，超折射时离得最远。
不同大气状态下射线与等效地面的关系,如图：图5.3（反射面的费涅尔区P54）答：在使用镜像法处理地面对波传播的影响时，发射源的镜像可取代地面的作用。
此时，在发射源和接收点之间以及发射源的镜像与接收点之间的主要空间通道都必须满足费涅尔区（椭球）的要求。
地面反射的费涅尔区——以发射源的镜像和接收点为焦点的费涅尔椭球与地面反射的等效平面相交在地面上截取的部分地面（椭圆面）。
T为发射点，离地面反射等效平面的高度为，其镜像为T’，R是接收点，离等效平面高度，T，T’和R均在YZ平面上。
地面反射的等效平面与XY面重合，P为反射点。
图中椭圆以T’和R为焦点的第n阶菲涅尔椭球被等效平面所截取的n阶菲涅尔区的边界，中心在C点，椭圆的长轴在Y轴上，短轴通过椭圆中心平行于X轴。
第四部分地面波传播
第四部分地面波传播沿地球表面的无线电波传播称为地面波传播, 简称地波传播(Propagation of Ground Wave), 其特点是信号比较稳定。
当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的电波是沿着半导电性质和起伏不平的地表面进行传播的。
◆一方面由于地表面的半导电性质，使电波的场结构发生变化并引起电波吸收；◆另一方面由于地球表面呈现球形使电波传播的路径按绕射的方式进行。
地面波传播还与电波的极化有关，理论计算和实验均证明地面波不宜采用水平极化波传播。
由图可见，水平极化波的衰减因子Ah 远大于垂直极化波的衰减因子Av。
这是因为电场水平极化时，电场平行于地面，传播中在地面引起较大的感应电流，致使电波产生很大衰减。
水平极化和垂直极化波的地面衰减一、地面波传播的场分布波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾斜的一种现象，地面波传播的重要特点之一。
(a)电场方向(b)坡印廷矢量方向波前倾斜现象波前倾斜现象的解释1设直立天线沿x轴放置，辐射垂直极化波，电波能量沿z轴传播，辐射场为Ex1和Hy1。
当某瞬间Ex1位于A点，在地面上必然会产生感应电荷。
当波向前传播时，便产生了沿z方向的感应电流。
由于大地是半导电媒质，有一定的地电阻，故在z轴方向产生电压降，也即在z方向产生新的水平分量Ez2。
由于边界电场切向分量连续，即存在Ez1，这样靠近地面的合电场E1就向传播方向倾斜。
波前倾斜现象的解释2从能量的角度看，由于地面是半导电媒质，电波沿地面传播时产生衰减，这就意味着有一部分电磁能量由空气层进入大地内。
坡印亭矢量的方向不再平行于地面而发生倾斜，出现了垂直于地面向地下传播的功率流密度Sx1，这一部分电磁能量被大地吸收。
由电磁理论知道，坡印亭矢量是与等相面即波前垂直的，故当存在地面吸收时，在地面附近的波前将向传播方向倾斜。
显然，地面吸收越大，Sx1越大，倾斜将越严重。
只有沿地面传播的Sz1分量才是有用的。
1111Re()2S E H* =⨯波前倾斜现象天线沿x轴放置，电磁波的传播方向为z方向。
微波与天线技术第7章电波传播概论
电波在地球表面传播时，会受到地面的反射和吸收作用，影响传 播效果。
地形地貌的影响
地形地貌的起伏变化会对电波传播产生影响，如山丘、建筑物等障 碍物。
应用场景
移动通信、无线局域网、广播等。
04
电波传播的应用
无线通信
无线通信是电波传播最重要的应 用之一，它利用电磁波在空气中 传播信号，实现远距离的信息传
应用场景
卫星通信、广播、雷达等。
大气中的电波传播
折射与散射
01
电波在大气中传播时，会受到大气中各种粒子的折射和散射作
用，导致传播方向发生改变。
吸收与衰减
02
大气中的水蒸气、氧气、二氧化碳等成分对电波具有吸收作用，
导致能线通信、广播、气象观测等。
地球表面上的电波传播
地面对电波的反射与吸收
随着导航技术的发展，智能交通系统、物流配送等领域也得到了广泛应用，提高了 交通效率和安全性。
05
电波传播的未来发展
电波传播技术的进步
1 2
5G及未来通信技术
随着5G技术的普及，电波传播技术将进一步优 化，实现更高速、更低延迟的数据传输。
毫米波与太赫兹波段的应用
毫米波和太赫兹波段具有大带宽和高速传输的潜 力，未来将广泛应用于电波传播领域。
电磁波的折射
当电磁波从一种介质进入另一种介质时，其 传播方向会发生改变，这种现象称为折射。 折射角与入射角和两种介质的折射率有关。
03
电波传播的介质特性
自由空间的电波传播
传播方式
电波在自由空间中以球面波的方式传播，随着距离的 增加而扩散。
传播特性
电波在自由空间中的传播损耗与频率的平方成正比， 与距离的平方成正比。
3
无线电测向原理
无线电测向原理无线电波在均匀介质 (如空气)中，具有直线传播的特点。
只要测出电波传播的方向，就可以确定出信号源（发射台）所在方向。
无线电测向是指通过无线电测向机测定发射台（或接收台）方位的过程，但是无线电测向运动中，要快速寻找隐蔽巧妙的信号源，必须掌握无线电波的传播规律。
一、无线电波的发射与传播无线电波既看不见，也摸不着，却充满了整个空间。
广播、移动通讯、电视等，已经是现代社会生活必不可少的一部分。
无线电波属于电磁波中频率较低的一种，它可直接在空间辐射传播。
无线电波的频率范围很宽，频段不同，特性也不尽相同。
我国目前开展的无线电测向运动涉及三个频段:频率为1.8—2兆赫的中波波段，波长为150—166.6米，称160米波段测向；频率为3.5—3.6兆赫的短波波段，波长为83.3—85.7米，称80米波段测向；频率为144—146兆赫的超短波段，波长为2.08—2.055米，称2米波段测向。
（一）无线电波的发射过程无线电波是通过天线发射到空间的。
当电流在天线中流动时，天线周围的空间不但产生电力线 (即电场)，同时还产生磁力线。
其相互间的关系，如图2-1-1所示。
如果天线中电流改变方向，空间的电力线和磁力线方向随之改变。
如果加在天线上的是高频交流电，由于电流的方向变化极快，根据电磁感应的原理，在这些交替变化的电场和磁场的外层空间，又激起新的电磁场，不断地向外扩散，天线中的高频电能以变化的电磁场的形式，传向四面八方，这就是无线电波。
从图2-l可知，电力线 (即电场)方向与天线基本平行，磁力线 (磁场)的形状则是以天线为圆心，与天线相垂直的方向随之变化的无数同心圆。
图2-1-1 无线电波的发射（二）无线电波的特性l.无线电波的极化交变电磁场在其附近空间又激起新的电磁场的现象称无线电波的极化。
空间传播的无线电波都是极化波。
当天线垂直于地平面时，天线辐射的无线电波的电场垂直于地平面称垂直极化波。
天线平行于地平面时，天线辐射的无线电波的电场平行于地面称水平极化波。
电波的传递方式
电波的传递方式
电波是一种电磁波，是由变化的电场和磁场相互作用而产生的。
它在空间中传播，可以携带信息，并且在现代通讯中起着非常重要的作用。
电波的传递方式可以通过以下几种方式来实现。
首先，电波可以通过空间传播的方式进行传递。
这种传播方式是指电波在空间中自由传播，不受任何导体或介质的限制。
在空间传播中，电波的传播速度非常快，可以达到光速。
这种传播方式适用于广播、卫星通信等领域，可以实现远距离的信息传递。
其次，电波还可以通过导体传播的方式进行传递。
这种传播方式是指电波沿着导体表面或内部传播，通过导体中的自由电子来传输能量。
在导体传播中，电波的衰减较小，适用于一些需要穿墙传输的通信系统。
此外，电波还可以通过地面波和空间波的方式进行传递。
地面波是指沿着地球表面传播的电波，适用于中短距离通信；空间波是指直射到地球大气层以上并沿大气层辐射的电波，适用于远距离通信。
除了以上几种传递方式外，电波还可以通过反射、折射和散射等方式进行传递。
通过这些方式，电波可以在不同的环境中进行传播，并且可以实现多径传播，提高通信的可靠性和稳定性。
总的来说，电波的传递方式多种多样，可以根据不同的需求和环境来选择合适的传输方式。
随着科技的发展和进步，电波的传输方式也在不断地进行创新和改进，为人们的生活和工作带来了便利和效率。
大气波导形成条件
大气波导形成条件
大气波导是指在大气层中由大气密度或温度梯度引起的折射现象，使得电磁波能够沿地球表面以上的大气层内传播。
这种传播方式通常发生在较高频率的电磁波中，如微波和毫米波。
大气波导的形成条件包括以下几个方面：
1.大气密度梯度：大气密度的垂直梯度是形成大气波导的关键因素之一。
当大气密度随着高度的变化而变化时，电磁波会受到折射，从而在大气层内传播。
2.温度梯度：大气中的温度梯度也会导致折射现象，从而影响大气波导的形成。
通常情况下，温度梯度与密度梯度是相关联的，因此温度梯度也可以促进大气波导的形成。
3.频率和波长：大气波导的形成通常发生在高频率的电磁波中，如微波和毫米波。
这是因为低频率的电磁波更容易被大气吸收，而高频率的电磁波则更容易在大气层内传播。
4.天气条件：某些特定的天气条件，如大气稳定层、反射层等，也会影响大气波导的形成。
这些天气条件通常与大气密度和温度的分布有关。
总的来说，大气波导的形成需要具备一定的大气密度或温度梯度，并且通常发生在高频率的电磁波中。
理解大气波导的形成条件有助于我们更好地利用这种传播方式，进行通信、雷达监测等应用。
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38第三章地球表面均匀大气中的电波传播3.1 引言无线信道的传播模型可分为大尺度（Large-Scale）传播模型和小尺度（Small-Scale）衰落两种。
大尺度衰落描述了长距离（几百米甚至更长）内接收信号的强度的缓慢变化，这些变化是由发射天线和接收天线之间的传播路径上的山坡或湖泊以及建筑物等造成的。
一般来说，大尺度衰落与发送天线和接收天线之间的距离成反比，且在不同的地区（如海边和内陆地区、城市和乡村）有不同的衰减因子。
大尺度衰落可以由天线分集和功率控制得到补偿，因此了解大尺度衰落对于移动通信中传输技术和接收设备的选择有很大的意义。
本章将介绍大尺度传播中最基本的电波传播方式，即地球表面均匀大气中的电波传播。
无线电波从发射天线到接收天线的传播方式有很多种，包括直达波（即自由空间波），地波（即表面波），对流层反射波，电离层波等。
发射机与接收机之间最简单的传播方式就是自由空间传播。
在自由空间传播中，介质是各向同性而且均匀的。
卫星通信、空间通信和陆上视距通信都是自由空间传播。
另一种传播方式是地波，地波传输可以看成是直达波、反射波和表面波的综合。
第三种方式产生于对流层，这里的异类介质随着天气和季节的变化而变化，而且其反射系数随着高度的增加而减小。
这种缓慢变化的反射系数使电波路径呈弧状弯曲。
第四种方式是电离层反射。
大气中40英里到400英里高度是电离层。
该电离层对于波长小于1米的电磁波而言是一种反射体。
这种反射传播可用于长距离传播。
除了反射，由于折射率的不同，电离层还可以产生电波散射。
同对流层一样，电离层也具有连续波动性，这种波动是随机快速波动。
电波传播环境的研究主要针对于以下三个问题：1．某个特定频段和某种特定环境中，电波传播和接收信号的物理机制是什么。
2．从发射机到接收机，信号功率的路径损耗是多少。
该路径损耗预测对系统的设计和规划具有指导意义。
3．接收信号的幅度、相位、多径分量到达的时间和功率是怎样分布的，其概率分布统计特性如何。
一旦确定了信号衰落统计特性，就可以研究开发相应的抗衰落技术。
在研究移动通信时，电波传播环境的特性有着很重要的意义。
它将导致两个主要的应用成果：1．建立传播预测模型。
根据理论分析或测量数据的统计分析或二者的结合，可以建立各种类型的传播预测模型。
在给定频率、距离、收发信机天线高度和环境特性等参数时，可以预测出传播路径损耗，该结果可用于个人通信中蜂窝小区的规划设计。
2．为实现信道仿真提供基础。
根据对传播特性的理论研究结果、测量数据统计分析结果，可用硬件或软件实现电波的传播过程和传播特性的仿真。
应用仿真器，可以进行无线传输系统的实验，更有效的进行调制解调技术、各种抗衰落技术等无线传输技术的研究与开发。
在对无线电波传播环境进行研究的过程中，基本研究方法有：1．理论分析方法，即用电磁波传播理论预测路径损耗。
可采用射线跟踪法，即用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线位置及周围建筑物等环境特征后，根据反射、绕射、散射等现象直接寻找出可能的主要传播路线，并计算出路径损耗及其他反映信道特性的参数。
在分析中，往往忽略次要因素，突出主要因素，以建立简化的信道传输模型。
2．现场实测方法，即在各种典型传播环境中进行发射和接收的实验，现场记录下接收信号的各种数据。
实测后，用计算机对大量数据进行统计分析，寻找出反映传输特性的各种参数的统计特性。
再根据数据分析的结果，建立传播信道的统计模型来进行传播预测。
这种方法又称为冲击响应法。
理论分析方法是应用电磁传播的理论来建立预测模型，因而更有普遍性，其预测准确程度取决于对预测区域内传播环境的描述详细程度。
在微小区环境中，由于基站覆盖区域小于1km ，因而其传播环境具有特定性，即能够准确知道楼的位置、高度、街道的走向和室内房屋结构等环境参数。
相比之下，由于宏小区环境中的多样性和实测数据的环境依赖性，在宏小区中较难建立具有一定普遍性的实测统计模型。
现场实测方法对环境的依赖性大，对测试设备的要求高，同时测试工作量较大。
但由于该方法建立的预测模型是从对大量实测数据的统计分析中归纳出来的，因而在相似的传播环境中，其预测值和实际值较为一致。
另外，对于覆盖区域较大的小区而言，每个基站覆盖区域的地域广、地形地物复杂，很难用理论方法建立预测模型。
相比之下，用现场实测和大量数据的统计分析，则能够建立较好的统计模型。
理论分析和实测统计不是对立的，而是相互联系、互为补充的。
理论预测模型的正确性多用实测数据来证实，而现场实测的规划、数据统计和实测结果分析则是在传输理论指导下进行的。
本章主要讨论了地球表面均匀大气中的电波传播，其中第二节介绍了最基本、最理想的自由空间传播方式；第三、四、五节分别介绍了反射、绕射和散射，其中反射分为电介质的反射、理想导体的反射和地面双径反射，绕射中考虑了单重刃形绕射、多重刃形绕射等方式。
第六节分别介绍了阴影衰落和地形、树木分布对传播特性的影响。
3.2 自由空间的传播自由空间是指一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间，电磁波在该介质中传播时，不发生反射、折射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。
卫星通信和微波视距通信的传输环境是典型的自由空间传播。
在自由空间中，若发射点处以球面波辐射，则接收处的功率为Ld G G P P r t t r 222)π4(λ= (3-2-1) 式中，t P 为发射点处的发射功率；t G 、r G 分别为发射天线和接收天线增益；λ为波长；d 为发射天线和接收天线间的距离；L 是与传播无关的系统损耗因子。
天线增益t G 、r G 的表达式为2π4λerr A G = (3-2-2a) 2π4λett A G =(3-2-2b)式中，et A 、er A 分别为发射天线和接收天线的有效截面积。
波长λ的表达式为fc=λ (3-2-3)式中，c 为光速，即m/s 1038⨯；f 为载频频率，单位为Hz 。
由式(3-2-1)可知，接收功率和发射天线与接收天线增益的乘积成正比，与距离的平方成反比。
我们常采用各方向具有相同单位增益的理想全向天线作为参考天线。
因此，定义有效全向发射功率EIRPt t G P EIRP =(3-2-4)EIRP 表示同全向天线相比，在最大天线增益方向上发射端获得的最大发射功率。
自由空间的传播损耗PL 为有效发射功率和接收功率之间的差值，其定义式为r t P P PL /=(3-2-5a)或⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=-=222)π4(lg 10)/lg(10d G G P P PL r t t r λ（dB ） (3-2-5b)当t G =r G =1即天线具有单位增益时，有⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=222)π4(lg 10)/lg(10d P P PL t r λ (3-2-6)将式(3-2-3)代入，有⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=2222222)π4(c lg 10lg 20lg 20lg 20lg 20)π4(c lg 10)π4()/c (lg 10f d f d d f PL (3-2-7)由式(3-2-7)可知，发送天线与接收天线间距离的增加会直接导致自由空间传输损耗的增加。
设有1d ，2d 满足122d d =，则传输损耗分别为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=2211)π4(c lg 10lg 20lg 20f d PL ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=2221)π4(c lg 10lg 20lg 20f d PL dB 02.62lg 20lg 20lg 201212==-=-d d PL PL(3-2-8a)因此，距离增加一倍，传输损耗就会增加6.02dB 。
若2d =101d ，则两者的传输损耗差为dB 2010lg 20)/lg(201212===-d d PL PL(3-2-8b)即10倍距离的传播路径损耗差为20dB 。
3.3 反射影响无线传播的三种基本传输方式为反射、衍射和散射。
当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，发生反射。
若发射机和接收机之间的无线传输被表面锐利的物体阻挡，将会发生衍射，此时二次波分布于整个空间甚至绕射至该物体的背面。
若电磁波在小于其波长的大量物体（如树叶或粗糙表面）中穿行，则会发生散射。
电磁波在不同介质交接处，会发生反射。
在理想介质表面上反射是没有能量损失的。
如果电磁波传输到理想电介质的表面，则一部分能量进入新介质继续传播，一部分能量在原介质中发生了反射；如果电磁波传输到理想反射体的表面，则所有能量都将被反射回来。
以下我们将分别讨论在电介质和理想反射体表面的反射。
3.3.1 电介质的反射设入射角度为i θ，反射角为t θ，折射角为r θ，如图3-3-1所示（电场极性平行于入射波平面）12图中的参数e 、m 、σ分别代表电介质的介电常数、导磁率和导电率。
这里的e 与理想电介质的绝缘常数成正比，即r e e e 0=，其中0e 为F/m 1085.812-⨯。
非理想介质会产生能量损失（被电介质吸收），其绝缘常数为'j 0e e e e -=r(3-3-1) 式中ωσe =' (3-3-2)在介质边界处，极化场的反射系数为it it i r E E θηθηθηθηsin sin sin sin 1212| |+-==Γ （电场在入射波平面） ti t i i r E Eθηθηθηθηsin sin sin sin 1212+-==Γ⊥ （电场不在入射波平面）(3-3-3)式中，η为介质的固有阻抗，即介质的导磁率和导电率的比值的开方。
当满足21e e <、入射角大于等于布儒斯特[1]（Brewster ）角时，将不会发生折射而产生全反射。
布儒斯特角B θ满足：211)sin(e e e θ+=B21e e <(3-3-4)当第一种介质为自由空间，而第二种介质的绝缘常数为r e 时，上式变成11)sin(2--=r r B e e θ(3-3-5)3.3.2 理想导体的反射电磁波不能穿透理想导体，因此，在理想导体表面将发生能量的全反射。
根据麦克斯韦尔方程，理想导体表面的电场为0，因此反射波和入射波的幅度相等。
无论电场是水平极化还是垂直极化，均有r i θθ=(3-3-6)即入射角和反射角相等。
对于电场与入射波平面平行的情况，有r i E E =(3-3-7)对于电场与入射波平面垂直的情况，则有r i E E -=(3-3-8)3.3.3 地面反射（双径）模型在无线信道中，很少有单一路径传播的情况，一般会出现多径传播的现象。
下面我们将讨论双径传播模型，该模型不仅考虑了空中的直射传播路径，还考虑了地面的反射路径。
hgEEE+=T(发送机）图3-3-2 地面反射模型由图3-3-2可知，接收端的场强为gLO STO TEEE+=，其中LOSE是通过空间传播的视距传输部分，gE则是地面反射部分。