第5讲 视距传播(1)
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dv 3.57
School of Electronic Engineering
若考虑大气不均匀性对电波传播 轨迹的影响，如考虑标准大气折射 的情况下，（7）可修正为
dv 4.12
h1 h2
km
(7)
式中h的单位为m。按收发天线间距离可 分为三个区域，即d<0.7dv的亮区，0.7 dv<d<(1.2~1.4)dv的半阴影区，以及d>(1.2~1.4)dv 区域，称阴影区。实际的视距传播应满足亮区条件，以 EMW Propagation Engineering 15/29 减小绕射损失。
EMW Propagation Engineering 3/29
School of Electronic Engineering
自由空间电波传播的菲涅尔区
宙飞行器间的电波传播等。 无论是地面上的或地对空的视距传播，其传播途径 至少有一部分是在对流层中；此外，当电波在低空大气 层中传播时，还可能受到地表面自然的或人为的障碍物 的影响，将会引起电波的反射、散射或绕射现象。因此， 电波总是在实际的媒质中传播的。人们常把在真空中进 行的“自由空间传播”这种理想情况，作为研究实际传 播问题的起点。 在收发天线之间的电波传播所经历的空间，存在着 对传输电磁能量起主要作用的空间区域，称为传播主区。 若在这一区域中符合自由空间的传播条件，则可认为电 波是在自由空间内传播。 菲涅尔区 在17世纪惠更斯首先提出，波在传播过程中，波面
School of Electronic Engineering
2a z 0.2 z z d max d min
d max 2 R0h1 d min d 2 R0h2
(12)
而横向（短轴）长度近似等于 两天线间的第一菲涅尔区最大 半径F1max的20倍，即
2b 20F1max 10 d
h1 h2
km
(8)
地面对电波传播的影响
School of Electronic Engineering
地面反射的影响 在视距传播中，接收点场强除直射波外，还经常收 到地面反射波。 地面菲涅尔区 设地面为无限大的理想导电平面地时，地面的影响 可用镜像法分析。
EMW Propagation Engineering 16/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
超短波和微波波段的无线电波，由于频率很高，电 波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍时绕射能力很弱， 不能利用地波传播方式；高空电离层又不能将其反射回 地面，因而又不能利用天波传播方式。通常是利用视距 传播方式。 视距传播是指在发射天线和接收天线能相互“看见” 的距离内，电波直接从发射点传到接收点（有时包括地 面反射波）的一种传播方式。按收发天线所处的空间位 置不同，视距传播基本可分为三类： ①是指地面上的视距传播，例如中继通信、电视、 广播以及地面上的移动通信等。 ②是指地面与空中目标如飞机、通信卫星等之间的 视距传播、 ③是指空间飞行体之间的视距传播，如飞机间、宇
2
n rn d n
2
2
(3)
EMW Propagation Engineering 10/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School ofLeabharlann BaiduElectronic Engineering
平面上菲涅尔带
图中ρn，rn及d均分别远大于波长。因d和λ都是常 数，所以ρn+rn=d+nλ/2=常数。若S面平移，这些点 的轨迹正是以Q、P为焦点的旋转椭球面，这些旋转椭球 面所包围的空间区域就称为菲涅尔区。
a1 2
d h1 h2
2
(10)
③椭圆的短半轴
a1 2 b d h1 h2 d
(11)
上式中，h1、h2>>λ, d>>λ以及d>>(h1+h2)。
EMW Propagation Engineering 17/29
地面对电波传播的影响
若考虑球面地的情况，可按下图进行估算：地面反射区 的纵向长度（长轴）近似为
(1)
EMW Propagation Engineering 9/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
由于级数中每一项与它相邻两项算数平均值相差甚 小，且 lim Bn 0，所以上式可近似为
n
School of Electronic Engineering
B0
B1 2
(2)
即是说第一菲涅尔带Z1在P点产生的辐射场近似为自由空 间场强的两倍。若要使P点场强等于自由空间场强，不 一定需要很多的菲涅尔带，可只取第一菲涅尔带面积的 1/3即可。 在PQ两点间插入一块假想的无限大平面S，它垂直 于PQ连线，这相当于以无限大的球面包围波源Q，因此 可在S面上划分菲涅尔带， 2 r2 d 2 1 r1 d
后来菲涅尔发展了这个原理，认为波在传播过程中， 空间任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭面上所有 点的二次波源发出的子波在该点相干叠加的结果。 这就是惠更斯─菲涅尔原理。
EMW Propagation Engineering 5/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
用类似方法可求出第二菲涅尔带Z2辐射场的矢量长 度B2。因相邻菲涅尔带在P点产生的辐射场相位是相反的， 所以，当计及Z2的作用后，P点的场强削弱了。
EMW Propagation Engineering 7/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering
EMW Propagation Engineering
第五讲 视距传播（1）
2016, April. 6
内容安排
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
地面对电波传播的影响
EMW Propagation Engineering 2/29
第四讲─天波传播（2）
传输特性：慢衰落、快衰落， 多径时延 工作频率的选择与确定：三原则 传输损耗的估算：Lb、Lbf、Lg、La、Lp等 特殊现象：静区及越距现象、回波现象 短波传播的基本特点：5个 中波：频段，传播方式 广播波段：频段，划分（3个区）
School of Electronic Engineering
自由空间电波传播的菲涅尔区
令最小菲涅尔区半径为F0，依据定义有
School of Electronic Engineering
1 F F12 3
2 0
(6)
得
F0 0.577 F1 0.577
d1d 2
d
(7)
上述公式中各量均取相同单位。可见d一定时，λ愈小， 传播主区的半径愈小，菲涅尔椭球区愈长，最后退化为 一直线，这是通常认为光的传播是直线传播的根据所在。
(13)
EMW Propagation Engineering 18/29
地面对电波传播的影响
地面反射波 电波在传播过程中遇到两种不同媒质的光滑界面，而 界面的尺寸又远大于波长时，就会发生镜面反射。天线辐 射的实际上是球面波，但当波源和反射区相距很远时，到 达反射区的电波可视为平面波，因而可采用平面波的反射 定律。 当通信距离较近，例如d<0.1dv时，可以把地面视为 平面地。当满足h1、h2>>λ, d>>λ以及d>>(h1+h2)等 条件时，可应用（9）~（11）计算地面上有效反射区大 小。若该区域内地面时光滑的，则可按光滑平面地的情况 来处理，并根据地质电参数（ε、μ、σ）及电波的入射 角计算反射波场强的大小和相位。 依据电磁理论，当平面波从空气投射到半导电媒质 的地面时，产生电波反射和透射现象，即部分能量被反射
菲涅尔波带示意图
EMW Propagation Engineering 6/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
第一菲涅尔带Z1是一小凸圆面，从其中心与其边缘 到达P点的波程差为λ/2，由它辐射到P点的场强，可以 看成是许多幅度相同、相位由零到π依次变化的诸矢量 之和，其总矢量长度等于一个半圆弧由起点至终点的长 度B1。
由于各带上二次波源在P点产生的场强，与射线行程 （r0+nλ/2）及角度α（各环带面元法线与该点至P点的 射线间的夹角）有关，S面上半径越大的环带，在P点产 生的场强振幅就愈小，因此B2<B1。同理Z3的辐射场又 削弱了Z2的场从而使P点的场强增强。其余各环带作用依 次类推，尽管相邻两环带在P点的场强有180°的相位差， 且其振幅又相差的很小，但二者场强却不能完全抵消。 随着环带数目的增多，P点场强呈波动变化，但波动幅 EMW Propagation Engineering 8/29 度越来越小。
EMW Propagation Engineering 11/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
与序号n=1、2、…对应称为第一、第二…菲涅尔区， 它们与S面相截，就在该平面上出现相应的第一、第二… 菲涅尔带。 传播主区 工程上将第一菲涅尔区和“最小”菲涅尔区（指S面 上所截面积为第一菲涅尔带面积1/3的那个相应的空间区 域），作为对电波传播起主要作用的空间区域，称传播 主区。令第一菲涅尔区半径为F1，则有 2 2 2 2
地面对电波传播的影响
地面上有效反射区─地面上第一菲涅尔椭球区尺寸 为
School of Electronic Engineering
①椭圆的中心点（一般情况不为反射点） d d 2h1 h1 h2 (9) y01 2 2 d h1 h2 ②椭圆的长半轴 d d d 4h1h2
d1 F1 d 2 F1 d1 d 2
2 2
2
(4)
解得
F1 F1 d1 1 d 2 1 d1 d 2 2 d1 d2 d1d 2 (5) F1 EMW Propagation Engineering 12/29 d
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering 4/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
上每一点都是一个进行二次辐射球面波（子波）的波源， 而下一个波面就是前一个波面所辐射的子波波面的包络 面。
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering 19/29
地面对电波传播的影响
School of Electronic Engineering
部分能量透射入地面。反射波按照入射线、反射线和反射 面法线共面以及反射角等于入射角的方向传播。反射波场 强为
EMW Propagation Engineering 13/29
内容安排
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
地面对电波传播的影响
EMW Propagation Engineering 14/29
地面对电波传播的影响
视线距离 因地球是球体，凸起的地表面会阻挡视线。视线所能 达到的最远距离称为视线距离，简称视距以dv表示。设地 球半径为r0，收发天线高度分别为h1和h2，dv=d1+d2，并 考虑地球半径r0=6370km，有
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
如此所有菲涅尔带在P点产生的总场强振幅，可以用 n项收敛级数之和来表示，其中正、负号表示相位的变 化，即
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B3 B3 B5 B1 B1 B2 B4 2 2 2 2 2
E2 RE1
(13)
E1 为反射点处的入射波场强。 R R e j为反射系数，
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若考虑大气不均匀性对电波传播 轨迹的影响，如考虑标准大气折射 的情况下，（7）可修正为
dv 4.12
h1 h2
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式中h的单位为m。按收发天线间距离可 分为三个区域，即d<0.7dv的亮区，0.7 dv<d<(1.2~1.4)dv的半阴影区，以及d>(1.2~1.4)dv 区域，称阴影区。实际的视距传播应满足亮区条件，以 EMW Propagation Engineering 15/29 减小绕射损失。
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自由空间电波传播的菲涅尔区
宙飞行器间的电波传播等。 无论是地面上的或地对空的视距传播，其传播途径 至少有一部分是在对流层中；此外，当电波在低空大气 层中传播时，还可能受到地表面自然的或人为的障碍物 的影响，将会引起电波的反射、散射或绕射现象。因此， 电波总是在实际的媒质中传播的。人们常把在真空中进 行的“自由空间传播”这种理想情况，作为研究实际传 播问题的起点。 在收发天线之间的电波传播所经历的空间，存在着 对传输电磁能量起主要作用的空间区域，称为传播主区。 若在这一区域中符合自由空间的传播条件，则可认为电 波是在自由空间内传播。 菲涅尔区 在17世纪惠更斯首先提出，波在传播过程中，波面
School of Electronic Engineering
2a z 0.2 z z d max d min
d max 2 R0h1 d min d 2 R0h2
(12)
而横向（短轴）长度近似等于 两天线间的第一菲涅尔区最大 半径F1max的20倍，即
2b 20F1max 10 d
h1 h2
km
(8)
地面对电波传播的影响
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地面反射的影响 在视距传播中，接收点场强除直射波外，还经常收 到地面反射波。 地面菲涅尔区 设地面为无限大的理想导电平面地时，地面的影响 可用镜像法分析。
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自由空间电波传播的菲涅尔区
超短波和微波波段的无线电波，由于频率很高，电 波沿地面传播时衰减很大，遇到障碍时绕射能力很弱， 不能利用地波传播方式；高空电离层又不能将其反射回 地面，因而又不能利用天波传播方式。通常是利用视距 传播方式。 视距传播是指在发射天线和接收天线能相互“看见” 的距离内，电波直接从发射点传到接收点（有时包括地 面反射波）的一种传播方式。按收发天线所处的空间位 置不同，视距传播基本可分为三类： ①是指地面上的视距传播，例如中继通信、电视、 广播以及地面上的移动通信等。 ②是指地面与空中目标如飞机、通信卫星等之间的 视距传播、 ③是指空间飞行体之间的视距传播，如飞机间、宇
2
n rn d n
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平面上菲涅尔带
图中ρn，rn及d均分别远大于波长。因d和λ都是常 数，所以ρn+rn=d+nλ/2=常数。若S面平移，这些点 的轨迹正是以Q、P为焦点的旋转椭球面，这些旋转椭球 面所包围的空间区域就称为菲涅尔区。
a1 2
d h1 h2
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(10)
③椭圆的短半轴
a1 2 b d h1 h2 d
(11)
上式中，h1、h2>>λ, d>>λ以及d>>(h1+h2)。
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地面对电波传播的影响
若考虑球面地的情况，可按下图进行估算：地面反射区 的纵向长度（长轴）近似为
(1)
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自由空间电波传播的菲涅尔区
由于级数中每一项与它相邻两项算数平均值相差甚 小，且 lim Bn 0，所以上式可近似为
n
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B0
B1 2
(2)
即是说第一菲涅尔带Z1在P点产生的辐射场近似为自由空 间场强的两倍。若要使P点场强等于自由空间场强，不 一定需要很多的菲涅尔带，可只取第一菲涅尔带面积的 1/3即可。 在PQ两点间插入一块假想的无限大平面S，它垂直 于PQ连线，这相当于以无限大的球面包围波源Q，因此 可在S面上划分菲涅尔带， 2 r2 d 2 1 r1 d
后来菲涅尔发展了这个原理，认为波在传播过程中， 空间任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭面上所有 点的二次波源发出的子波在该点相干叠加的结果。 这就是惠更斯─菲涅尔原理。
EMW Propagation Engineering 5/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
School of Electronic Engineering
用类似方法可求出第二菲涅尔带Z2辐射场的矢量长 度B2。因相邻菲涅尔带在P点产生的辐射场相位是相反的， 所以，当计及Z2的作用后，P点的场强削弱了。
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第四讲─天波传播（2）
传输特性：慢衰落、快衰落， 多径时延 工作频率的选择与确定：三原则 传输损耗的估算：Lb、Lbf、Lg、La、Lp等 特殊现象：静区及越距现象、回波现象 短波传播的基本特点：5个 中波：频段，传播方式 广播波段：频段，划分（3个区）
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自由空间电波传播的菲涅尔区
令最小菲涅尔区半径为F0，依据定义有
School of Electronic Engineering
1 F F12 3
2 0
(6)
得
F0 0.577 F1 0.577
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(7)
上述公式中各量均取相同单位。可见d一定时，λ愈小， 传播主区的半径愈小，菲涅尔椭球区愈长，最后退化为 一直线，这是通常认为光的传播是直线传播的根据所在。
(13)
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地面对电波传播的影响
地面反射波 电波在传播过程中遇到两种不同媒质的光滑界面，而 界面的尺寸又远大于波长时，就会发生镜面反射。天线辐 射的实际上是球面波，但当波源和反射区相距很远时，到 达反射区的电波可视为平面波，因而可采用平面波的反射 定律。 当通信距离较近，例如d<0.1dv时，可以把地面视为 平面地。当满足h1、h2>>λ, d>>λ以及d>>(h1+h2)等 条件时，可应用（9）~（11）计算地面上有效反射区大 小。若该区域内地面时光滑的，则可按光滑平面地的情况 来处理，并根据地质电参数（ε、μ、σ）及电波的入射 角计算反射波场强的大小和相位。 依据电磁理论，当平面波从空气投射到半导电媒质 的地面时，产生电波反射和透射现象，即部分能量被反射
菲涅尔波带示意图
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自由空间电波传播的菲涅尔区
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第一菲涅尔带Z1是一小凸圆面，从其中心与其边缘 到达P点的波程差为λ/2，由它辐射到P点的场强，可以 看成是许多幅度相同、相位由零到π依次变化的诸矢量 之和，其总矢量长度等于一个半圆弧由起点至终点的长 度B1。
由于各带上二次波源在P点产生的场强，与射线行程 （r0+nλ/2）及角度α（各环带面元法线与该点至P点的 射线间的夹角）有关，S面上半径越大的环带，在P点产 生的场强振幅就愈小，因此B2<B1。同理Z3的辐射场又 削弱了Z2的场从而使P点的场强增强。其余各环带作用依 次类推，尽管相邻两环带在P点的场强有180°的相位差， 且其振幅又相差的很小，但二者场强却不能完全抵消。 随着环带数目的增多，P点场强呈波动变化，但波动幅 EMW Propagation Engineering 8/29 度越来越小。
EMW Propagation Engineering 11/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
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与序号n=1、2、…对应称为第一、第二…菲涅尔区， 它们与S面相截，就在该平面上出现相应的第一、第二… 菲涅尔带。 传播主区 工程上将第一菲涅尔区和“最小”菲涅尔区（指S面 上所截面积为第一菲涅尔带面积1/3的那个相应的空间区 域），作为对电波传播起主要作用的空间区域，称传播 主区。令第一菲涅尔区半径为F1，则有 2 2 2 2
地面对电波传播的影响
地面上有效反射区─地面上第一菲涅尔椭球区尺寸 为
School of Electronic Engineering
①椭圆的中心点（一般情况不为反射点） d d 2h1 h1 h2 (9) y01 2 2 d h1 h2 ②椭圆的长半轴 d d d 4h1h2
d1 F1 d 2 F1 d1 d 2
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解得
F1 F1 d1 1 d 2 1 d1 d 2 2 d1 d2 d1d 2 (5) F1 EMW Propagation Engineering 12/29 d
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EMW Propagation Engineering 4/29
自由空间电波传播的菲涅尔区
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上每一点都是一个进行二次辐射球面波（子波）的波源， 而下一个波面就是前一个波面所辐射的子波波面的包络 面。
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering 19/29
地面对电波传播的影响
School of Electronic Engineering
部分能量透射入地面。反射波按照入射线、反射线和反射 面法线共面以及反射角等于入射角的方向传播。反射波场 强为
EMW Propagation Engineering 13/29
内容安排
自由空间电波传播的菲涅尔区
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地面对电波传播的影响
EMW Propagation Engineering 14/29
地面对电波传播的影响
视线距离 因地球是球体，凸起的地表面会阻挡视线。视线所能 达到的最远距离称为视线距离，简称视距以dv表示。设地 球半径为r0，收发天线高度分别为h1和h2，dv=d1+d2，并 考虑地球半径r0=6370km，有
自由空间电波传播的菲涅尔区
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如此所有菲涅尔带在P点产生的总场强振幅，可以用 n项收敛级数之和来表示，其中正、负号表示相位的变 化，即
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B3 B3 B5 B1 B1 B2 B4 2 2 2 2 2
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E1 为反射点处的入射波场强。 R R e j为反射系数，