电波传播基本概念

r
dE AA' exp( jk) exp( jkr) cos dS

r
R点实际场强是S面上所有二次辐射源在R点产生辐射场强的 叠加结果，因此R点总场强E为
E

AA '
exp(

jk )

S
exp( r
jkr)
cos
dS
A' j

——惠更斯—菲涅尔原理的数学表达式
E

d1
O
d2
R
n rn d n·( / 2)
P
满足上面第i个方程的所有Oi点在TOiR平面上是个以T和R为焦 点的椭圆，将该椭圆以TR为轴旋转得到一个旋转椭球面，上式
中每个方程都对应一个旋转椭球面。这些椭球面所包围的空间
区域称为第i菲涅尔区。相邻菲涅尔区之间的相位差为180度（
l/2的波程差）。
2
赫兹实验示意图
1901年12月12日， 马 可 尼 成功进行了跨大西洋通信实验 ，距离2000英里。 俄国物理学家波波夫制成了无线电接收机，成功 实 现 了无 线电报。
4
电波传播研究进程: 1899年Sommerfield研究了麦克斯韦方程组的解。他的
学生Zenneck发现了沿地表传播的电磁波，称为Zenneck 波。 1902年，Kennelly ， Heaviside认为上空存在导电层， Appleton和Barnett在1925年，Briet和Tuve在1926年试 验证实了电离层的存在。1926-1945年左右，开始了电离 层和电离层传播的研究。 我国在1936年开始观测日食对电离层的影响，1945年开 始对电离层进行垂直探测。 1934-1946年，开始微波视距传播研究。 1945-1960年，开始微波远距离传播研究，主要研究大气 波导传播、流星余迹散射传播、对流层散射传播、电离层 散射传播、山峰绕射远距离传播等。
由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸 出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了 第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、 发两点之间不能视为自由空间传播。而当凸出物未进入第 一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为 该收、发两点之间被视为自由空间传播。
P
O2
r3 r2
1 O1 r1
ri
d
2 2
Fi2
d2
Fi2
/ (2d2 )
T
d1
O
d2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R
1
将其(a代 b入)2

1
a2

1 2
1
a 2b

(
1
)a

3 2
b2
8

P
i ri d i·( / 2)
得
Fi
i d1d 2
d
距离越长，波长越短，菲涅尔半径就越小，并且 菲涅尔半径在收发中点处（d1=d2）取最大值。

A
j


S
exp

jk
r
r



cos

dS
——惠更斯—菲涅尔原理的严格数学表达式
菲涅尔区、带、半径
收发点TR连线上一点O，过O作垂直于TR的平面S，S与通
过TR的垂直平面交PQ，Q在PQ上，取O1、O2……On点，使 它们满足
r d / 2 1 1
O3
3 2
A
1＜2
即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况 下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点 仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的 障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道 的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越 大，因此频率越低，绕射能力越强。
O1、O2、……、On在旋转过程中形成相应的圆周，Oi-1与Oi之 间的圆环称为第i菲涅尔带。第一菲涅尔带是一个以OO1为半径 的圆面。令Fi=OOi，Fi为第i带的外半径，称为第i菲涅尔半径
Q
设 Fi d1, d2，则
i d12 Fi2 d1 Fi2 / (2d1)
O3
3 2
合更多学科，如雷达、遥感、导航、广播、微电子等。
6
二、基本原理与概念
惠更斯—菲涅尔原理
惠更斯—提出了子波概念
菲涅尔—提出子波是相干波
惠更斯—菲涅尔原理是处理反射、折绕射等问题的工具。
T—球面波波源 R—接收点 S—某时刻波前 dS—Q点处小面元

Q
dS
r
T
R
r—Q、T距离
r—Q、R距离
S
q—TQ、TR夹角
O2
r3 r2
2 r2 d 2( / 2)1 O1 r1
T
d1
O
d2
R
n

rn

d

n·(
/
P
2)
d d1 d2
—LOS路径（视距路径）
Q
1 r1 d / 2 2 r2 d 2( / 2)
O3
3 2
O2
r3 r2
1 O1 r1
T
第一菲涅尔半径
F1
d1d 2
d
Fi iF1
F1
d1d 2
d
第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道
请从场强角度 分析“第一菲 涅尔椭球为电 波传播主要通 道”的原因
波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭 球越细长。对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长， 因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播。
5
1945年Clarke提出卫星广播的科学幻想，1957年，世界 上第一颗卫星（苏联）发射升空。
1965年，COMSAT系列通信卫星的第一颗EARLY BIRD通 信卫星升空，开始了卫星通信时代。
电波传播学科发展模式和特点：
电波传播研究中，试验研究占主要地位，同时要和工程结 合紧密。
电波传播研究应扩大研究领域，即交叉渗透。 历史上电波传播主要为通信服务，现在电波传播研究应结
7
波源T发出的球面波，在Q点的场强为
Q
dS
r
T
EQ

A exp(

jk )
R S
根据惠-菲原理，EQ 为R点接收场强的二次辐射源。它在R点建 立的场强与dS面元所在处的场强EQ和dS在QR方向上的投影面
积成正比。因此，面元dS在R处产生的场强dE为
dE AA' exp( jk) exp( jkr) cos dS
电波传播基本概念
一． 电波传播历史与发展
无线电波传播研究的主要内容是电磁波与传播媒质的相互作 用及其在有关电子系统工程和环境探测中的应用。它是一门 实验性科学。
典型的实验: 德国Hertz于1885-1889年间， 进行了一系列UHF波段的电波传 播试验，产生了电磁波（称为 Hertz波）。Hertz测定了Hertz 的波长和传播速度，证明了反射、 折射特性和光一样，证明了光是电 磁波