第3章 移動信道的傳播特性

1、1、了解無線電波傳播特性、移動信道的特征；2、理解陸地移動信道的傳輸損耗及其常用的傳播模型。3、掌握陸地移動信道的傳輸損耗的計算方法。重點內(nèi)容：移動信道的特征及陸地移動信道傳輸損耗計算方法。教學難點： 無線電波傳播特性的理解第3章 移動信道的傳播特性 3.1 無線電波傳播特性 3.1.1 3.1.1 電波傳播方式電波傳播方式 發(fā)射機天線發(fā)出的無線電波,可依不同的路徑到達接收機，當頻率f f30 MHz30 MHz時，典型的傳播通路如下圖所示。 發(fā)射天線接收天線圖3-13-1 典型的傳播通路沿路徑從發(fā)射天線直接到達接收天線的電波稱為直射波，它是VHFVHF(甚高頻)和UHFUHF(超高頻)頻段的

2、主要傳播方式；沿路徑的電波經(jīng)過地面反射到達接收機，稱為地面反射波； 沿路徑的電波沿地球表面?zhèn)鞑?，稱為地表面波。由于地表面波的損耗隨頻率升高而急劇增大,傳播距離迅速減小,因此在VHFVHF、UHFUHF頻段地表面波的傳播可以忽略不計。 高頻電波在空間傳播產(chǎn)生的許多現(xiàn)象與光的傳播相似：n光在傳播過程中,遇到兩種均勻媒質(zhì)的分界面時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。n光在不均勻媒質(zhì)中傳播時,情況有所不同。由于一部分光線不能直線前進,就會向四面八方散射開來,形成光的散射現(xiàn)象。 n地球周圍由空氣形成的大氣層, 就是這樣一種不均勻媒質(zhì)，它對直射波會引起干涉，即產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象。在移動信道中，電波遇到各種障礙物時會發(fā)生

3、反射和散射現(xiàn)象。 3.1.2 直射波 直射波傳播可按“自由空間”傳播來考慮。 所謂自由空間傳播，是指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，不會產(chǎn)生反射或散射。 若地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)r和相對導磁率r都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，在這種情況下，電波可視作在自由空間傳播。 雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但是，當電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍會受到衰減，這是由輻射能量的擴散而引起的。 由電磁場理論可知，若各向同性

4、天線(亦稱全向天線或無方向性天線)的輻射功率為PT瓦，則距輻射源 dm 處的 電場強度有效值E0為磁場強度有效值H0為)/(300mVdPET（3-1）)/(120300mAdPHT（3-2）單位面積上的電波功率密度s為)/(422mWdPST（3-3） 若用發(fā)射天線增益為GT的方向性天線取代各向同性天線，則上述公式可改寫為)/(4)/(12030)/(30200mWdGPSmAdGPHmVdGPETTTTTT（3-4）（3-5）（3-6） 接收天線獲取的電波功率 PR = SAR (3-7) 式中， AR為接收天線的有效面積。RG4A2R(3-8)式中，GR為接收天線增益，2 2/4/4為各

5、向同性天線的有效面積。 電場強度有效值磁場強度有效值單位面積上的電波 功率密度接收天線的有效面積由式(3-6)至式(3-8)可得24dGGPPRTTR(3-9) 當收、發(fā)天線增益為0dB，即當GR=GT=1時，接收天線上獲得的功率為：(3-10) 由上式可見，自由空間傳播損耗Lfs可定義為： 24dPPTR2s f4LdPPRT(3-11)以dB計得：)(4lg20)(4lg10(dB)L2s fdBddBd(3-12) 或或LfsLfs(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) (3-13)(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) (3-13

6、) 式中，d的單位為km，頻率f單位以MHz計。接收天線上獲得的功率 由式可見，自由空間中電波傳播損耗（衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關。當f或d增大一倍時Lfs將分別增加6dB。3.1.3 3.1.3 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播1. 大氣折射 因移動通信信道在不是均勻介質(zhì)的低層大氣中傳播,會產(chǎn)生與吸收現(xiàn)象，而影響到視線傳播的距離。大氣對電波的折射是指由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。當一束電波通過折射率隨高度變化的大氣層時,由于不同高度上的電波傳播速度不同,從而使電波射束發(fā)生彎曲,彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度(dn/dh)。 在不考慮傳導電流和介質(zhì)磁化的情況

7、下，介質(zhì)折射率n與相對介電系數(shù)r的關系為：rn(3-14) 大氣的相對介電系數(shù)與溫度、濕度和氣壓有關。大氣高度不同，r也不同，即dn/dh是不同的。根據(jù)折射定律，電波傳播速度 與大氣折射率n成反比，即：nc(3-15) 式中，c為光速。 大氣折射對電波傳播的影響是使得傳播速度減慢，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征，即認為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑R0(6.37106m)變成了等效半徑Re。 Re與R0之間的關系為： dhdnRRRke0011 式中，k稱作地球等效半徑系數(shù)。 垂直梯度dn/dh0時，表示大氣折射率n隨著高度升高而減小，因而k1，ReR0。（3-16） 在標準

8、大氣折射情況下，dn/dh-410-8(l/m)時，等效地球半徑系數(shù) k=4/3，Re=8500km。 由上式可知，大氣折射有利于電波的超視傳播，但在視線距離內(nèi)，因由折射現(xiàn)象所產(chǎn)生折射波與直射波同時存在，會產(chǎn)生多徑衰落。 2. 視線傳播極限距離 視線傳播的極限距離可由下圖計算，天線的高度分別為ht和hr，兩個天線頂點的連線AB與地面相切于C點。htReoAd1Cd2Bhr圖3 32 2 視線傳播極限距離 由于地球等效半徑Re遠遠大于天線高度，不難證明，自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離d1為：tehRd21（3-17）)(221rtehhRdddrthhd12. 4同理，由切點C到接收天線頂點B的

9、距離d2為：（3-18）可見，視線傳播的極限距離d為： 標準在大氣折射情況下，Re=8500km, 故：式中，ht、hr的單位是m,d的單位是km（3-19）（3-20）rehRd223.1.4 障礙物的影響與繞射損耗 在實際情況下，電波的直射路徑上存在各種障礙物，由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗。 設障礙物與發(fā)射點和接收點的相對位置如圖3-3示。圖中：表示障礙物頂點P至直射線TR的距離，稱為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時余隙為負，無阻擋時余隙為正，分別如下圖3-3中的(a)與(b)所示。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2

10、(a)(b)(a) 負余隙(b) 正余隙 圖3-33-3 障礙物與菲涅爾余隙 橫坐標為/1/1, 其中11是第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑（第一菲涅爾半徑），它由下列關系式可求得：21211ddddx(3 - 21) 。m位是的d、d、式中211單 由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關系如后圖3-4所示。 圖中： 縱坐標為繞射引起的附加損耗，即相對于自由空間傳播損耗的分貝數(shù)。圖3 34 4 繞射損耗與余隙關系由圖中可見: 當x/x10.5 時，附加損耗約為0dB，即障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。為此，在選擇天線高度時，根據(jù)地形盡可能使服務區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙x0.5x1; 當x0時，即直

11、射線低于障礙物頂點時，損耗急劇增加； 當x=0時，即TR直射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗約為6dB。 電波在空中傳播的波面是以收、發(fā)二點為焦點的旋轉(zhuǎn)橢球面，橢球面所包含的空間叫菲涅爾區(qū)。 可以推導計算出波在傳播時的菲涅爾區(qū)半徑和菲涅爾帶面積。工程中只需計算第一菲涅爾半徑（X1）和最小菲涅爾半徑（X0）。 第一菲涅爾半徑式為 式中：X1為第一菲涅爾半徑，為工作頻率波長，d為收發(fā)二端距離，d1，d2分別為中間某點到收發(fā)二端的距離。 由公式可以看出：距離一定時，波長越短，即頻率越高，菲涅爾半徑就越小，在同等x和同等d時的繞射損耗越小。并且菲涅爾半徑在收、發(fā)中點處可取得最大值。 最小菲涅爾半徑（X0

12、），表示只要在傳播空間中有X0為半徑的孔就能在接收點得到與自由空間傳播相同的信號強度。X X0 0=0.577 X=0.577 X1 1。21211ddddx附:菲涅爾知識 （1）（附-1） 電磁波具有類似光波的特性。近距離傳輸時，由于功率余量大，即使中間有阻擋也能通過反射波或天線旁瓣進行通信。但遠距離時，一定要求收發(fā)天線之間實現(xiàn)“視線無阻擋”。 參考（附-1）式，當距離固定時，頻率越高，其菲涅爾半徑越小。這表明在低頻段通信中影響通信的某些障礙物，在高頻段可能不再影響通信。 為保證系統(tǒng)正常通信，收發(fā)天線架設的高度要滿足使它們之間的障礙物盡可能不超過其菲涅爾區(qū)的20，否則電磁波多徑傳播就會產(chǎn)生不

13、良影響，導致通信質(zhì)量下降，甚至中斷通信。 例如在海上通信，通信雙方高度相同，頻率為2.4GHz，通信距離7Km，海浪的高度為2米，那么天線架設的高度要大于 H = 2 + 14.790=16.790m。 附:菲涅爾知識 （2） 例3 31 1：設圖3-3(a)所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙 x = -82m, d1 = 5km,d2 = 10km,工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。 解： 由式(3-13)求出自由空間傳播的損耗Lfs為 dBggLfs5 .99150201)105(20144.32由式(3-21)求第一菲涅爾區(qū)半徑x1為 mddddx7 .811015101105234

14、321211 由圖3-4查得附加損耗(x/x1-1)為17dB。求出電波傳播的總損耗L為 dBLLfs5 .11617 3.1.5 反射波TaobcRhrd1d2ht圖3-53-5 反射波與直射波 當電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，如果界面尺寸比電波波長大得多，就會產(chǎn)生鏡面反射。由于大地和大氣是不同的介質(zhì)，所以入射波會在大地和大氣的界面上產(chǎn)生反射，如圖3-5所示 通常，在考慮地面對電波的反射時，按平面波處理，即電波在反射點的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征，它定義為反射波場強與入射波場強的比值。 R = |R|e-j (3 - 22) 式中：|R|為反射點上反射波場

15、強與入射波場強的振幅比， 代表反射波相對于入射波的相移。 水平極化波反射系數(shù)2/122/12)cos(sin)cos(sinccccvR(3 - 23) (3 - 24) 式中：c是反射媒質(zhì)的等效復介電常數(shù)，它與反射媒質(zhì)的相對介電常數(shù)r、電導率和工作波長有關，即 2/122/12)cos(sin)cos(sinccjhheRR垂直極化波反射系數(shù)60jrc(3 - 25) 對于地面反射，當工作頻率高于150MHz(2m)時，1，由式(3-23)和式(3-24)可得 Rv = Rh = - 1 (3-26)即反射波場強的幅度等于入射波場強的幅度，而相位差為180。 在圖3-5中，由發(fā)射點T發(fā)出的電

16、波分別經(jīng)過直射線(TR)與地面反射路徑(ToR)到達接收點R，由于兩者的路徑不同，從而會產(chǎn)生附加相移。由圖3-5可知，反射波與直射波的路徑差為：222221222111)()()()(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt(3-27) 式中， d = d1+d2。 通常(ht+hr) a2 a3 假設有兩個信號同時作用于非線性器件，即tBtAuBAcoscos332210uauauaaic 式中失真項為： 在 n = 3的三階失真項中，會出現(xiàn)： 這兩種組合干擾對接收機的影響比較大，并稱為三階互調(diào)干擾。ci,4,3 ,2)coscos(ntBtAanBAnn0022ABBAci

17、4. 阻塞干擾 當外界存在一個離接收機工作頻率較遠，但能進入接收機并作用于其前端電路的強干擾信號時，由于接收機前端電路的非線性而造成對有用信號增益降低或噪聲增高，使接收機靈敏度下降的現(xiàn)象稱為阻塞干擾。這種干擾與干擾信號的幅度有關，幅度越大，干擾越嚴重。當干擾電壓幅度非常強時，可導致接收機收不到有用信號而使通信中斷。 5. 近端對遠端的干擾 當基站同時接收從兩個距離不同的移動臺發(fā)來的信號時，距基站近的移動臺（距離2)到達基站的功率明顯要大于距離基站遠的移動臺（距離1，d2d1）的到達功率，若二者頻率相近，則距基站近的移動臺會造成對距基站遠的移動臺的有用信號干擾或仰制，甚至將移動臺的有用信號淹沒。這種現(xiàn)象稱為近端對遠端干擾（遠近效應）。 第3章 思考題與習題 （P132） 1. 試簡述移動信道中電波傳播方式及其特點。 2. 試比較10 dBm、10W及10dB之間的差別。 4. 在標準大氣折射下，發(fā)射天線高度為200m