华为-微波通信原理全解

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
几个基本概念
费涅耳区定义(The
Fresnel Zone Definition)
无限大平面
s2 T FN s1 s2 s3 sn F3 d1 o d2 F1 R
s3
sn
s1
F2
任意无限大平面
费涅尔区的划分示意图
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。有时我们把这种电磁波简称为电波。
微波通信的基本介绍
扩散衰耗就称为自由空间损耗。
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 0 = 92.4 + 20 log d + 20 log f
Where d = distance in km f = frequency in GHz
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
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
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
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
微波通信的基本介绍 微波通信在通信系统中的作用
• 统计资料显示，国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中 所占的比例高达５０％以上。 美国为６６％，日本为５０％， 法国为５4％。随着GSM，CDMA以及3G网络的兴建，微波设备在 移动通信网络建设中的重要作用是不容忽视的。
微波通信的基本介绍
微波的定义
Fresnel Zone Definition)
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。
几个基本概念 费涅耳椭球面
假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d， 平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离若为一个常数，
则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转
椭球面。 对于电波传播，这个常数当为d+λ /2时，得到的椭球面称为 第一费涅耳椭球面；常数为d+2λ /2时，得到的椭球面称为 第二费涅耳椭球面...... 常数为d+Nλ /2时，得到的椭球面 称为第N费涅耳椭球面.
a H10模是波导中传输的电磁 波主模，截至波长最长为2a。
b
向左图那样放置波导，它的 电力线与地面垂直。
所以这样的极化方式称垂直 极化 V＝Vertical H=Horizontal
几个基本概念 惠更斯—费涅耳原理
b2 b3 b4 b5
b1
b6 b7 b8 b9 b10 b11
b12
B
a1
a2
a3
• 数字微波的抗衰落技术
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， 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。
微波信号的频率范围
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
Microwave
EHF 红外 可见 线 光
10Km
1Km
100m
10m
1m
10cm
1cm
1mm
f 30KHz 300KHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz
工业和天电干扰，太阳黑子对微波通信影响较小
微波通信的基本介绍 射频传输的两种基本形式
几个基本概念
费涅耳区定义(The
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 Fresnel Zone Definition)
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。 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
• 费涅耳区定义
• 费涅耳半径
几个基本概念 电波的干涉和极化
A
抵消
P
d1
d2
B
增强
干涉强弱决定于 d1-d2=mλ /2 当m为偶数时增强；当m为奇倍时减弱。
Y
Y
入射面
EY EX Z X EX Z EY
地面
X
E Z 地面
入射面 E Z
、 圆极化波
椭圆极化波
水平线极化波
垂直线极化波
几个基本概念 矩形波导中H10模的场结构
The First Fresnel Radius
d
rF
d1 d2
rF =
C xd1 x d2 =17.3 x fxd
d, d1, d2 in km
d1 x d2 fxd
f in GHz
rF in meter
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
The Second Fresnel Zone
Direct signal 2nd zone 1st zone Reflected signal
180
180
Total received signal
几个基本概念
费涅耳区定义(The
Fresnel Zone Definition)
The Third Fresnel Zone
球面波、三次、四次...波前面也是球面波。
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。
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。
(refer to isotropic antennas)
D 或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB
自由空间的电波传播
自由空间传输损耗(Free GTX
Power Level
Space Basic Transmission Loss )
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)
广播
点－点视距微波
Broadcasting

Microwave links

Maximum coverage One programme per radio channel Applications: Radio (LW, MW, SW, FM); TV etc ...
Radio beam One multiplex per radio channel Applications: Civiliars and military telecommunication networks
Line of sight
1st zone
+
2nd zone
-
The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight
几个基本概念
费涅耳区定义(The
Fresnel Zone Definition)
The First Fresnel Zone
1st zone
Direct signal
Reflected signal
/2
180
Total received signal
180
几个基本概念
费涅耳区定义(The The Second Fresnel Zone
Fresnel Zone Definition)
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
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）。
PTX
P
G A0 G
PRX M
接收门限(Receiver Threshold)
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
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
微波通信原理
工程规划设计部
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
微波通信的基本介绍 现代通信的主要手段
Coaxial cable Radio link
MUX
MUX
Satellite
Fibre-optics cable
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
几个基本概念
费涅耳区定义(The
Fresnel Zone Definition)
Line of sight
1st zone + 2nd zone 3rd zone +
The signal power is distributed in the space surrounding the direct line of sight
几个基本概念
费涅耳区定义(The 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。
几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
T
F1
R
d1
P d
d2
F1=（λd1d2/d）1/2 F2=（2λd1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 ...... Fn=（nλd1d2/d）1/2 = (n)1/2 F1
图1
第一费涅耳区半径
Hale Waihona Puke Baidu
几个基本概念 费涅耳半径(The Fresnel Radius)
a4
a5
a6
a7
a8
a9
a10
a11
a12
A
惠 更斯 原理 示 意图
s s 波源 S0 二 次波源 示 意图 E
H H H
E
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