微波电路设计基础

一、基础

1、数字微波应用

微波是无线电波的一种。

在我国无线电广播按波长分为：长波(LW) 波长在介于1000～2000米，中波(MW)波长在介于200-600米、短波(SW）波长在介于10～100米。

CDMA800工作波长（35.93~36.36、34.09~34.48）米。

在我国分配微波频率为：

微波通信的特点：

视距传输；电波在传播过程中遇到尺寸和工作波长相近的障碍物时，会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。

微波通信建设快、投资小、应用灵活；

传输质量可靠，抗干扰能力强。

至今与光缆通信和卫星通信并列为现代通信传输的三大支柱，在中等容量的网络中，微波传输是一种最灵活、适应性最强的通信手段。

在移动网络中的应用：

在移动接入网络中，随着网络不断扩容和无缝覆盖的需求，新建了大量移动基站，如城区的“楼宇室内覆盖”，边远地区的“边际网覆盖”，沿海地区“海岛移动覆盖”。但由于市政建设限制（如架空线难、开挖路面铺管道难），在自然环境很恶劣的山区和海洋，光缆建设非常困难、造价太高，造成大量光纤死角，部分基站的接入必须采用无线方式解决，产生了大量无线传输需求。

如沿海城市大连，拥有诸多的岛屿，岛屿上的移动通信成为大连移动提高移动网络覆盖率的重要任务。大连采用SDH微波作为各海岛移动基站的中继链路，并通过与光传输系统的连接，组成完整的传输网络。

SDH微波链路干线全长162.28公里，支线全长66.68公里，最长站距34.80公里，最短站距6.89公里，平均站距19.08公里，且全部为跨海电路（跨海微波链路的设计，由于海面环境和气候情况复杂，通常是所有微波应用中难度最大）。

使用微波设备不仅可以缓解传输网络资源不足的压力。而且提高了整个网络工程进度，降低了整个网络投资。

在移动核心网络中，微波设备可提供高达2.5Gbps的传输容量，用来与光纤混合组网,作为城域光环和重要链路的备份。

在3G网络中，Node-B对传输容量要求已经远远的大于2G网络中BTS 对传输容量的要求，Node-B上已经不再只有E1接口, 而是可以提供STM-1接口和IP接口的基站。因此，带来移动基站传输接入网络的升级和扩容需求。当今，数字微波设备在统一平台上同时可以传输TMD和IP业务，容量可以从E1～STM-1，同时满足2G、3G以及2G/3G共站传输的需求。

在移动应急通信或临时通信中，如移动应急通信车等。

2、自由空间的电波传播

2.1、自由空间传播损耗

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，也就是说，总能量并没有被损耗掉。

L T-R =20lg(4πL

Km

/λ)

=32.45+20lgf

MHz +20lgL

km

=92.45+20lgf

GHZ +20lgL

km

上式中：

L

T→R

------T和R间的直接视通的自由空间衰减（单位为dB）。

L

km

-------T和R间的距离。（单位为Km）

λ------传播电波的波长（单位为米）。

f MHz, f

GHZ

-------传播电波的频率，单位分别为MH

Z

、和GH

Z

设发信功率P t=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km，收发天线增益G t＝G r＝39dB，收发两端馈线系统损耗L ft＝L fr＝2 dB，收发两端分路系统损耗L bt＝L br＝1 dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。

解：

P t=10lg1000mW＝30 dBm

在自由空间传播条件下，自由空间传播损耗：

L s（dB）=92.45.4+20lg 45 +20lg 3.8≈137 dB 137.1099

Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）－（Lft＋Lfr）－（Lbt ＋Lbr）－Ls

=30+(39+39)-(2+2)-(1+1)-137

=-35 dBm

Pr(mW)=10-35/10=0.00032 mW=0.32 μW

0.00032

2.2、费涅耳区半径

惠更斯原理：

光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。

根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使

得接收点的信号场强的大小发生变化，分析这种变化引入费涅耳区的概念

。

由图可见r1+r2-d 就是反射波和直射波的行程差

Δr=nλ/2。显然当Δr 是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R 点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；而Δr 为半波长的偶数倍长时，反射波在R 点的作用是相互抵消的，此时R 点的场强最弱。我们就把这些n 相同的点组成的面称为费涅耳区, 费涅耳区就是以收发点为焦点的一系列椭球面所包围的空间。

费涅耳区上一点P 到收发点连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用Fn 表示。

d

d d n Fn 2

1λ=

2.2.1、 第一费涅耳区半径

当n=1 时，F1称为第一费涅耳区半径。

d

d d F 2

11λ=

式中：

F1------第一费涅耳区半径，m ； λ------工作波长，m ；

d------收发天线之间的距离为，Km;

d1、d2------分别为障碍点与收发天线之间的距离，Km ；

2.2.2、 最小费涅耳区半径

理论证明，在相当于第1费涅尔区面积1/3的圆孔就能获得自由空间传播。F0代表该圆孔的半径，称为最小费涅尔区半径。

12

103

1

3F d

d d F ==

λ

fd

d d 1021=

0.186967

式中：

Fo------称为最小费涅尔区半径，m ； λ------工作波长，m ； f------工作频率，GHz ；

d------收发天线之间的距离为，Km;

d1、d2------分别为障碍点与收发天线之间的距离，Km ；

第一费涅尔半径 F1和最小费涅尔半径 F0是微波通路勘测中两个重要的物理参量, F0被称为障碍物禁区。

显然，当波长λ和距离d 一定时，F0与d1、d2的位置有关，且中点（d1 = d2）处的F0最大。