现代天线技术2016-1

现代天线技术
电波传播分类（按频率分）
地球表面的电波传播
现代天线技术
电波传播分类（按媒质分）
地球及其近地空间
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电波传播分类（按媒质分）
• • • • 地下电波传播 地波传播 对流层电波传播（视距传播、散射传播） 电离层电波传播（电离层反射传播、电离层 散射传播、流星电离余迹散射传播） • 地—电离层波导传播 • 外大气层及行星际空间电波传播
波吸收峰 (高衰减带)
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对流层对电波传播的影响
• 降雨的退极化效应 一种极化状态的电磁波转变为另一种极化状态，这种现象 称作退极化或去极化。降雨引起的退极化现象主要是因为 雨滴的非球形和雨滴轴相对于电波传播之间的夹角不等于 零引起的。 交叉极化分辨力
XPD 20 lg E11 (dB) E12
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地面对电波传播的影响
平地面的 菲涅耳区 第一菲涅尔椭球 与地平面的相交 部分为椭圆，称 为有效反射区， 有效反射区 这一部分地面的 反射和散射对接 收点有比较大的 影响。
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地面对电波传播的影响
球地面的凸起高 度及传播余隙 传播余隙 障碍物高度
地球凸起高度 根据传播余隙的不同，可把电路分成三种类型：Hc>RF0称为开 电路；Hc<0称为闭电路；0<Hc<RF0称为半开电路。 第一种情况意味着，接收点场强可能得到自由空间传播时的信 号强度。在地面微波中继系统中，一般均采用开电路。 现代天线技术
Ae jkr0 P点的场: U ( P ) r0 e jkR K ( )ds R S
Ae jk ( r0 b ) j ( K 1 K n ) r0 b
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自由空间的菲涅尔区
无限大平面
ri Ri r0 b i / 2
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自由空间的菲涅尔区
• 地面移动通信电波传播的特点 1、接收点场强表现为时间和空间上的衰落； 2、移动台处于强干扰和强噪声工作环境中； 3、多径时延影响。
快衰落
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主要内容
• • • • • 电波传播分类 自由空间的电波传播 视距传播 移动通信中的电波传播 卫星通信中的电波传播
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卫星通信中的电波传播
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移动通信中的电波传播
当通信距离d远大于天线架高h时，电波投射到地面的 射线仰角很小。在计算接收点场强时可进行如下近似： 1、因天线高架，地波成分可忽略不计； 2、天线尺寸远小于其架高，且馈线无天线效应，故天 线呈点状辐射，即不计天线所占空间影响； 3、到达接收点的直射波E1和反射波E2极化方向一致， 故计算合成场时只需作标量加法； 4、忽略发射天线在直射波和反射波方向上方向系数的 差异。 对于光滑平地面，接收点场强的表达式为
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电波传播分类（按频率分）
• • • • • • • • 极长波传播 超长波传播 长波传播 中波传播 短波传播 超短波传播 微波传播 毫米波传播
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电波传播分类（按频率分）
【相关知识】IEEE定义的频段划分
名称 P波段 L波段 S波段 射频/微波 C波段 X波段 Ku波段 K波段 Ka波段 Q波段 U波段 V波段 毫米波 E波段 W波段 F波段 D波段 G波段 频率 0.23~1.0GHz 1.0~2.0GHz 2.0~4.0GHz 4.0~8.0GHz 8.0~12.0GHz 12.0~18.0GHz 18.0~26.5GHz 26.5~40.0GHz 33.0~50.0GHz 40.0~60.0GHz 50.0~75.0GHz 60.0~90.0GHz 75.0~110.0GHz 90.0~140.0GHz 110.0~170.0GHz 140.0~220.0GHz 波长 30~130cm 15~30cm 7.5~15cm 3.75~7.5cm 2.5~3.75cm 1.67~2.5cm 1.13~1.67cm 0.75~1.13cm 6~9.1mm 5~7.5mm 4~6mm 3.3~5mm 2.7~4mm 2.1~3mm 1.8~2.7mm 1.4~2.1mm
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主要内容
• • • • • 电波传播分类 自由空间的电波传播 视距传播 移动通信中的电波传播 卫星通信中的电波传播
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自由空间的电波传播
• 自由空间的电波传播是最简单的理想化传播 方式，电波不发生反射、折射、绕射和吸收 等现象。 • 电波在自由空间传播时，其能量因扩散而衰 减，距离越远衰减越大。这种衰减称为自由 空间传输损耗（L）。当通信距离、工作频 率和天线参数确定后，此损耗为定值。
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卫星通信中的电波传播
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海事卫星系统 （INMARSAT）
卫星通信中的电波传播
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铱星系统
卫星通信中的电波传播
• 影响卫星通信中电波传播的主要因素： 1、大气气体对微波的衰减； 2、云、雾、雨、雪等引起的散射和吸收； 3、水凝物（主要是雨滴及冰晶）引起的去极化效应； 4、由大气层内湍流层或不均匀层折射指数的随机起伏造 成的信号衰落； 5、大气气体吸收和水凝物引起的噪声辐射； 6、电离层闪烁； 7、法拉第旋转效应； 8、……
移动通信中的电波传播
• 山峰绕射
1、接收点 场强与障碍 物遮挡情况 有关。 2、接收点 场强与电波 现代天线技术 频率有关。
移动通信中的电波传播
• 山峰绕射
在电波传 播路径的 选择上应 避免光滑 球地面绕 射情况。 现代天线技术
移动通信中的电波传播
• 地面移动通信系统
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移动通信中的电波传播
交叉极化隔离度
E11 XPI 20 lg (dB) E21
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主要内容
• • • • • 电波传播分类 自由空间的电波传播 视距传播 移动通信中的电波传播 卫星通信中的电波传播
现代天线技术Байду номын сангаас
移动通信中的电波传播
• 光滑地面上的亮区场
根据接收点离开发射 天线的距离，可分为 三个区域： d<0.7d0,亮区； 0.7d0<d<(1.2~1.4)d0, 半阴影区； d> (1.2~1.4)d0,阴影区
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3、若干可控方向的零点
自由空间的电波传播
【相关知识】雷达作用距离方程（雷达系统）
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自由空间的电波传播
【相关知识】雷达作用距离方程（雷达系统）
当天线极化匹配且以最大方向辐射和接收时，雷达方程可写为：
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主要内容
• • • • • 电波传播分类 自由空间的电波传播 视距传播 移动通信中的电波传播 卫星通信中的电波传播
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视距传播
• 视距（电波）传播指无线电波在视线范围内的传播，即发 射点和接收点都在对方的无线电视线范围以内。 • 视距传播是最早认识并利用的电波传播方式。二战前，视 距传播仅用于超短波以下频率。战时，厘米波雷达和地面 微波中继通信得到发展。战后，利用视距传播的微波中继 通信和卫星通信电路已遍世界各地，成为远距离大容量通 信的主要方式。 • 视距传播研究的主要内容有：地面和地物对电波的绕射、 反射和散射；大气层，特别是近地对流层对电波的折射、 反射、吸收和散射；大气层水汽凝结体（雨、雾、云、雪、 雹等）和沙暴、尘埃、鸟群等悬浮物对电波的吸收和散 射；以及由上述传播机理所引起的信号幅度衰落、多径时 延、到达角起伏和去极化现象。
现代天线技术
Modern Antenna Technology
牛 臻 弋
南京航空航天大学电子信息工程学院
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主要参考书目
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1、电波传播
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主要内容
• • • • • 电波传播分类 自由空间的电波传播 视距传播 移动通信中的电波传播 卫星通信中的电波传播
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电波传播分类（按频率分）
2
2
4R L0 (dB) 10 lg 32.4 20 lg R(km) 20 lg f (MHz)
现代天线技术 【相关知识】
dB、dBW、dBm
自由空间的电波传播
【相关知识】接收天线的方向性与干扰抑制
为了抑制外来干扰，可要 求接收天线方向性具有如 下特点： 1、强方向性 2、低副瓣
E E1 E2 E1 (1 | R |)e j ( r )
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移动通信中的电波传播
接收点场强随距离的增加和天线高度的变化呈波动状态变化。
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移动通信中的电波传播
• 光滑球面地上的电波绕射
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天线要有 足够的架 高，以消 除或至少 降低球地 面的绕射 损耗。
地面对电波传播的影响
考虑地面影响 的路径损失 自由空间接收天线的接收功率为： 自由空间
式中，
M Pr 2 R At Ar M 2 Pt

在地面移动通信中，实际地面环境的路径损失可用一近似模型来描 述，即接收功率为：
实测表明：市区和郊区的宏小区环境中路径损失指数n为3~4；市区 的微小区在4左右或更高。M’还与天线架设高度有关；n还与收发天 线距离有关。在移动通信链路设计中，需靠实测确定。
d 0 d1 d 2 2 R0 ( h1 h2 ) 3.57( h1 h2 ) (km) 视线距离 d 0 2 Re ( h1 h2 ) 4.12( h1 h2 ) (km) 考虑标准大气折射
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地面对电波传播的影响
地面的反射 与散射
当地面起伏远小于波长时可将地面看作镜面； 当地面起伏的量级与波长相当时，地面可看做粗糙表面，对电波 的主要作用是散射。
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大气衰减
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大气窗口
大气窗口：在大气中传播衰减较小的频段。 中心频率 (GHz) 大气窗口 35 94 140 220 22 60 120 183 波长 (mm) 8.6 3.2 2.1 1.4 13.6 5 2.5 1.6 带宽 (GHz) 16 23 26 70 N/A N/A N/A N/A
R
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2 F0
1 2 R F1 3

R F 0 0 .577 R F1
地面对电波传播的影响
视线距离
天线高度
天线高度
地球半径
地球半径R0 =6370km 考虑大气折射情况 下，要用等效地球半 径Re代替R0 。
d1 r0 P0C ( R0 h1 ) 2 R02 2 R0 h1 d 2 b CP ( R0 h2 ) 2 R02 2 R0 h2
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惠更斯-菲涅尔原理
• 惠更斯－菲涅耳原理（Huggens-Fresnel principle ）是研究波传播问题的一种分析方法。 • 惠更斯原理表述为：“ 波阵面上的每一点可以认为 是产生球面子波的一个次级扰动中心，而以后任 何时刻的波阵面则可看作是这些次级子波的包 络。 ” 这一观点也叫做惠更斯作图法。 • 菲涅耳在这个原理的基础上假设这些次级子波会 彼此发生干涉，因此严格意义上的惠更斯－菲涅 耳原理是指惠更斯原理加干涉原理。
i=1的半椭球称 为第一菲涅尔 椭球区
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自由空间的菲涅尔区
当视距通信距离
r0 b , r0 , b
第一菲涅尔区半径为： RF1
r0b
r0 b
nr0b 第n个菲涅尔区半径为：RFn n RF1 r0 b
计算表明：1/3的第一菲涅尔带产生的场强恰等于 自由空间的场强。工程上称为“最小”菲涅耳区。
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M Pr n (n 2) R
对流层对电波传播的影响
• 对流层的参数和标准大气 温度、湿度、压强 折射率n、折射指数N • 对流层对电波的折射 正折射、负折射
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对流层对电波传播的影响
• 大气对微波的吸收衰减 氧气、水汽及其凝结物 是大气对微波衰减的主 要原因；氮气不会引起 微波衰减。
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自由空间的电波传播
Friis传输方程（通信系统）
R 2D2 / λ
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自由空间的电波传播
Friis传输方程（通信系统） 当发射天线和接收天线极化匹配且最大辐射方向对正时，Frii方程可写为：
自由空间传输损耗
Pt L 10 lg P r
1 4R 10 lg G G L0 Gt Gr (dB) t r
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惠更斯-菲涅尔原理
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菲涅尔波带作图法
如果P0点与P点之间有障 碍物，只有未挡住的部分 二次源对P点有贡献。
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菲涅尔波带作图法
Q点的场： Ae jkr0 / r0 面元ds对P点的场的贡献为：
倾斜因子
Ae jkr0 e jkR dU ( P ) K ( ) ds r0 R