第4章微波傳播課件

第4章微波傳播4.1自由空間的電波傳播4.2地面反射對(duì)電波傳播的影響4.3對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響4.4幾種大氣和地面效應(yīng)造成的衰落4.5頻率選擇性衰落4.6抗衰落技術(shù)4.7衛(wèi)星通信電波傳播的特點(diǎn)第4章微波傳播4.1自由空間的電波傳播1.電波與自由空間的概念微波是一種電磁波，微波射頻為300～300×103MHz，是全部電磁波頻譜的一個(gè)有限頻段。平面波沿傳播方向是沒有電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量的，故稱為橫電磁波，記作TEM波。有時(shí)我們把這種電磁波簡(jiǎn)稱為電波。4.1自由空間的電波傳播1.電波與自由空間的概念4.1自由空間的電波傳播2.自由空間傳播損耗在自由空間傳播的電磁波不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象，也就是說，總能量并沒有被損耗掉。2.自由空間傳播損耗3.自由空間傳播條件下收信電平的計(jì)算微波通信中實(shí)際使用的天線均為有方向性天線，當(dāng)收發(fā)天線增益分別為Gr（dB）,Gt（dB）；收發(fā)兩端饋線系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng)fr（dB）,Lft（dB）；收發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗分別為L(zhǎng)br（dB）,Lbt（dB）時(shí)，則在自由空間傳播條件下，接收機(jī)的輸入電平為

Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr） －（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls3.自由空間傳播條件下收信電平的計(jì)算

【例4-1】已知發(fā)信功率Pt=1W，工作頻率f=3800MHz，兩站相距45km，Gt＝Gr＝39dB，Lft＝Lfr＝2dB，Lbt＝Lbr＝1dB。求：在自由空間傳播條件下接收機(jī)的輸入電平和輸入功率。解由已知條件站距d＝45km，工作頻率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得Ls（dB）=32.4+20lg45+20lg3800≈137dB 將Pt=1W換算成電平值： Pt=10lg1000mW＝30dBm【例4-1】已知發(fā)信功率Pt=1W，工作頻率f第4章微波傳播ppt課件4.2地面反射對(duì)電波傳播的影響不同路由的中繼段，當(dāng)?shù)孛娴牡匦尾煌瑫r(shí)，對(duì)電波傳播的影響也不同。主要影響有反射、繞射和地面散射。4.2地面反射對(duì)電波傳播的影響不同路由的中4.2.1費(fèi)涅耳區(qū)的概念1.惠更斯—費(fèi)涅耳原理惠更斯原理關(guān)于光波或電磁波波動(dòng)性學(xué)說的基本思想：光和電磁波都是一種振動(dòng)，振動(dòng)源周圍的媒質(zhì)是有彈性的，故一點(diǎn)的振動(dòng)可通過媒質(zhì)傳遞給鄰近的質(zhì)點(diǎn)，并依次向外擴(kuò)展，而成為在媒質(zhì)中傳播的波。4.2.1費(fèi)涅耳區(qū)的概念2.費(fèi)涅耳區(qū)的概念3.費(fèi)涅耳區(qū)半徑我們把費(fèi)涅耳區(qū)上一點(diǎn)P到TR連線的垂直距離稱為費(fèi)涅耳區(qū)半徑，用F表示。第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑用F1表示。2.費(fèi)涅耳區(qū)的概念4.收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與各費(fèi)涅耳區(qū)參量的關(guān)系經(jīng)分析可以知道，相鄰費(fèi)涅耳區(qū)在收信點(diǎn)R產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)反相（相位相差180°）。也就是說，第二費(fèi)涅耳區(qū)在R點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與第一費(fèi)涅耳區(qū)反相；第三費(fèi)涅耳區(qū)在R點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與第二費(fèi)涅耳區(qū)反相，但與第一費(fèi)涅耳區(qū)同相。4.收信點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)與各費(fèi)涅耳區(qū)參量的關(guān)系4.2.2地面反射對(duì)收信電平的影響1.平坦地形對(duì)電波的反射這里所述的平坦地形是指不考慮地球曲率的影響。下面所研究的環(huán)境己不再是自由空間，而是在真實(shí)大氣中地面對(duì)電波的反射。4.2.2地面反射對(duì)收信電平的影響2.用費(fèi)涅耳區(qū)的概念分析地面反射影響當(dāng)圖4-6中的投射角θ很小時(shí)（這符合實(shí)際情況），φ

接近180°，可按φ＝180°計(jì)算（角TPR為φ角）。2.用費(fèi)涅耳區(qū)的概念分析地面反射影響3.路徑上刃形障礙物的阻擋損耗在實(shí)際的微波線路中，有時(shí)會(huì)遇到傳輸路徑上的刃形障礙物，如圖4-8所示。這時(shí)，因?yàn)槿行握系K物不可能遮擋住所有的費(fèi)涅耳區(qū)，所以在收信點(diǎn)只要有一定數(shù)量的費(fèi)涅耳區(qū)空間不被遮擋，電波就能繞過刃形障礙物，使收信電平達(dá)到一定的數(shù)值。3.路徑上刃形障礙物的阻擋損耗圖4-8傳輸路徑上的刃形障礙物圖4-8傳輸路徑上的刃形障礙物【例4-2】已知條件見［例題4-1］，且傳播路徑上有如圖4-8所示的刃形障礙物，若余隙hc＝0，求收信電平。解（1）求刃形障礙物的阻擋損耗，由hc＝0，查圖4-9得VdB＝－6dB（2）根據(jù)【例4-1】得出的結(jié)果，收信電平為pr（dBm）=－35dBm，故實(shí)際的收信電平為pr（dBm）=－35dBm＋（－6）＝－41dBm【例4-2】已知條件見［例題4-1］，且傳播路徑上有如圖4-圖4-9刃形障礙物的阻擋損耗圖4-9刃形障礙物的阻擋損耗4.微波線路的分類視距微波通信常常根據(jù)路徑余隙hc的大小將線路分為三類：（1）hc≥h0稱為開路線路；（2）0＜hc＜h0稱為半開路線路；（3）hc≤0稱為閉路線路。4.微波線路的分類對(duì)應(yīng)于三種情況，衰落因子V的計(jì)算方法：（1）對(duì)于開路線路，粗略估算時(shí)可用圖4-7；但因曲線族數(shù)量有限，作精確計(jì)算時(shí)使用式（4-11）為宜。（2）對(duì)刃形障礙物，V值可由圖4-9所示的曲線查出。（3）對(duì)于由較大高地、山嶺等障礙物造成的半開路線路和閉路線路，衰落因子V應(yīng)按繞射公式求出（下節(jié)講述），也可由圖4-7左半部所示的曲線查出。對(duì)應(yīng)于三種情況，衰落因子V的計(jì)算方法：4.3對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響從地面算起，垂直向上，可把大氣分為6層，依次稱作對(duì)流層、同溫層、中間層、電離層、超離導(dǎo)以及逸散層。對(duì)流層是指自地面向上大約10km范圍的低空大氣層。對(duì)流層集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的四分之三。4.3對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響從地面算起，垂直向上，可把大氣對(duì)流層對(duì)微波傳播的影響，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。（1）由于氣體分子諧振引起對(duì)電磁波能量的吸收。（2）由雨、霧、雪引起對(duì)電磁波能量的吸收。（3）由于氣象因素等影響，使對(duì)流層也會(huì)形成云、霧之類的“水氣囊”，形成了大氣中的不均勻結(jié)構(gòu)。對(duì)流層對(duì)微波傳播的影響，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。4.3.1大氣折射1.大氣折射率我們知道，電波在自由空間的傳播速度為n值通常在1.0到1.00045之間，為了便于計(jì)算，有時(shí)用折射指數(shù)N： N＝（n－1）×106在自由空間N＝0，在地球表面N＝300左右。4.3.1大氣折射2.折射率梯度折射率梯度表示折射率隨高度的變化率，從而體現(xiàn)了不同高度的大氣壓力、溫度及濕度對(duì)大氣折射的影響，表示為。（1）＞0，n隨高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v與n成反比。（2）＜0，v隨高度的增加而增加，使電波傳播的軌跡向下彎曲，如圖4-10（b）所示。2.折射率梯度圖4-10大氣折射對(duì)電波軌跡的影響圖4-10大氣折射對(duì)電波軌跡的影響3.等效地球半徑由上所述，由于大氣的折射作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是按曲線傳播的。 定義K為等效地球半徑系數(shù) K與折射率的關(guān)系為3.等效地球半徑4.折射的分類我們可以根據(jù)電波受大氣折射后的軌跡（因K值不同而不同），將大氣折射分為三類。（1）無折射：當(dāng)＝0時(shí)，N不隨大氣的垂直高度而變化，由式（4-16）得，K＝1或ae＝a。4.折射的分類（2）負(fù)折射：當(dāng)＞0時(shí)，由圖4-10（a）可見，上層空間的電波射線速度小，下層空間電波射線速度大，使電波傳播軌跡向上彎曲。（3）正折射：當(dāng)＜0時(shí)，由圖4-10（b）可見，上層空間的電波射線速度大，下層空間電波射線速度小，使電波傳播軌跡向下彎曲。（2）負(fù)折射：當(dāng)＞0時(shí)，由圖4-10（a對(duì)所選天線高度應(yīng)按下述標(biāo)準(zhǔn)檢查。（1）Φ≤0.5，即地面反射系數(shù)較小的線路。（2）Φ＞0.7，即地面有較強(qiáng)反射的線路。對(duì)所選天線高度應(yīng)按下述標(biāo)準(zhǔn)檢查。4.3.2大氣折射引起的余隙變化1.地球的凸起高度前面已經(jīng)討論過，當(dāng)使用等效地球半徑的概念后，雖然折射使電波射線彎曲，但我們?nèi)钥梢曤姴ㄉ渚€為直線，而認(rèn)為地球半徑有了變化，即由實(shí)際半徑a變?yōu)榈刃О霃絘e。4.3.2大氣折射引起的余隙變化2.余隙的變化與選取設(shè)地球凸起高度的變化為Δhe，由圖4-13可見，在數(shù)值上，余隙的變化就是地球凸起高度的變化 K＞1（正折射）時(shí)，等效的余隙hce增大； K＜1（負(fù)折射）時(shí)，等效的余隙hce減??；2.余隙的變化與選取圖4-13折射引起余隙的變化圖4-13折射引起余隙的變化4.3.3復(fù)雜球形地面引起電波衰落的計(jì)算1.路徑中地勢(shì)最高點(diǎn)為反射點(diǎn)時(shí)VdB的計(jì)算如圖4-14所示為復(fù)雜球形地面的地形剖圖。4.3.3復(fù)雜球形地面引起電波衰落的計(jì)算圖4-14復(fù)雜球形地面的剖面圖圖4-14復(fù)雜球形地面的剖面圖【例4-3】設(shè)微波通信頻率為8GHz，站距為50km，若路徑為真實(shí)的光滑球形地面，求：（1）當(dāng)不計(jì)及氣象影響時(shí)（he=0），為保證h0的自由傳播空間不受阻擋，收、發(fā)天線高度Hmin為多少米（設(shè)收發(fā)天線等高）？（2）當(dāng)K＝2/3時(shí)，即考慮氣象條件對(duì)電波傳播影響，且要求hc≥h0時(shí)，收、發(fā)信天線高度至少應(yīng)為多少米？【例4-3】設(shè)微波通信頻率為8GHz，站距為50km，若路徑圖4-15【例4-3】的題圖圖4-15【例4-3】的題圖解

（1）根據(jù)題意，所給地形為光滑球面，故可設(shè)線路中點(diǎn)為地球凸起高度最高點(diǎn)和反射點(diǎn)，因設(shè)收、發(fā)天線等高（H1＝H2），可畫出圖4-15。根據(jù)上面的假設(shè)，d1＝d2＝25km，自由空間余隙為解（1）根據(jù)題意，所給地形為光滑球面，故可設(shè)線路中點(diǎn)為地(2)考慮氣象條件影響，K＝2/3時(shí)，地球凸起高度為(2)考慮氣象條件影響，K＝2/3時(shí)，地球凸起高度為討論：本題是以保證自由空間余隙為前提的，當(dāng)不考慮氣象條件影響時(shí)，即he=0，當(dāng)K=∞時(shí)，地球凸起高度為零，最小天線高度將最矮；當(dāng)K＝2/3時(shí)，因地球凸起高度增大，最小天線高度將最高。討論：本題是以保證自由空間余隙為前提的，當(dāng)不考慮氣象條件影響2.平原地區(qū)反射點(diǎn)的確定及VdB計(jì)算當(dāng)天線高度已經(jīng)確定，路徑基本屬于平原地形時(shí)，欲求出地面反射對(duì)電波傳播的影響，首先應(yīng)求出反射點(diǎn)。2.平原地區(qū)反射點(diǎn)的確定及VdB計(jì)算3.余隙較小時(shí)繞射衰落的計(jì)算當(dāng)hc很小或?yàn)樨?fù)值時(shí)，電路呈半開路或閉路線路狀態(tài)。對(duì)繞射公式的理論推導(dǎo)相當(dāng)麻煩，這里只講工程上對(duì)繞射衰落的近似計(jì)算方法，用下述三種情況加以說明。3.余隙較小時(shí)繞射衰落的計(jì)算第4章微波傳播ppt課件4.4幾種大氣和地面效應(yīng)造成的衰落4.4.1概述大氣中有對(duì)流、平流、端流以及雨霧等現(xiàn)象，它們都是由對(duì)流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的，并且是隨機(jī)產(chǎn)生的。4.4幾種大氣和地面效應(yīng)造成的衰落4.4.1概述4.4.2衰落的種類1.大氣吸收衰耗眾所周知，任何物質(zhì)的分子都是由帶電的粒子組成的，這些粒子都有其固有的電磁諧振頻率。2.雨霧引起的散射衰耗雨霧中的小水滴能散射電磁波能量而造成散射衰耗。4.4.2衰落的種類3.K型衰落這是一種多徑傳輸引起的干涉型衰落，它是由于直射波與地面反射波（或在某種情況下的繞射波）到達(dá)接收端因相位不同互相干涉造成的電波衰落。3.K型衰落4.波導(dǎo)型衰落由于各種氣象條件的影響，如地面被太陽曬熱，夜間地面的冷卻，以及海面和高氣壓地區(qū)，都會(huì)形成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。5.閃爍衰落對(duì)流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等現(xiàn)象。無規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng)，稱為大氣湍流。4.波導(dǎo)型衰落4.4.3衰落的統(tǒng)計(jì)特性1.衰落特性的表示方法描述衰落的統(tǒng)計(jì)特性可以有不同的方法。例如可用連續(xù)記錄收信場(chǎng)強(qiáng)（或收信電平）隨時(shí)間變化的時(shí)間分布曲線；也可將場(chǎng)強(qiáng)記錄中低于某一場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)間加起來，再除以總時(shí)間，得到低于該場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)間百分?jǐn)?shù)或概率，繪出收信場(chǎng)強(qiáng)的累積分布曲線等。4.4.3衰落的統(tǒng)計(jì)特性2.瑞利衰落概率的經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)把瑞利分布的規(guī)律應(yīng)用于微波通信，并且考慮到電波傳播的具體條件時(shí)，衰落的瑞利概率為式中，d為站距（km）；2.瑞利衰落概率的經(jīng)驗(yàn)公式f為微波工作頻率（GHz）；K為環(huán)境條件因子；Q為地形條件因子；W0為無衰落時(shí)的接收功率；W為有衰落時(shí)的接收功率；f為微波工作頻率（GHz）；3.衰落深度的計(jì)算衰落深度又叫衰落儲(chǔ)備，但數(shù)字微波通信中的衰落儲(chǔ)備與模擬微波中的衰落儲(chǔ)備值不同?！纠?-4】某平原地區(qū)的數(shù)字微波通信線路用于數(shù)據(jù)傳輸，線路長(zhǎng)度為1000km，通信頻率為7GHz，全線路誤碼率為10-6時(shí)的中斷概率為0.01％，該中繼段站距為40km。求衰落深度。3.衰落深度的計(jì)算第4章微波傳播ppt課件第4章微波傳播ppt課件4.5頻率選擇性衰落4.5.1電波的多徑傳播現(xiàn)象1.基本概念由本章前幾節(jié)討論的內(nèi)容知道，對(duì)一個(gè)中繼段而言，收信點(diǎn)除可以收到直射波外，還會(huì)收到來自路徑某點(diǎn)的反射波。4.5頻率選擇性衰落4.5.1電波的多徑傳播現(xiàn)象2.對(duì)多徑傳播的進(jìn)一步分析可把多徑傳播歸納為兩種類型：一種是直射波與反射波形成的多徑；另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成的幾種途徑并存的多徑。3.頻率選擇性衰落若固定某一時(shí)刻，A（ω，t）和T（ω，t）就變成只是頻率的函數(shù)了，相應(yīng)的幅頻特性A（f）和時(shí)延特性T（f）曲線如圖4-24所示。2.對(duì)多徑傳播的進(jìn)一步分析圖4-24兩條射線信道的傳輸特性圖4-24兩條射線信道的傳輸特性4.5.2頻率選擇性衰落對(duì)微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響1.引起帶內(nèi)失真帶內(nèi)失真會(huì)導(dǎo)致解調(diào)后數(shù)字信號(hào)的波形失真，波形失真又會(huì)造成碼間干擾。有關(guān)資料表明，在信號(hào)的通頻帶內(nèi)，5～6dB的振幅起伏就會(huì)使數(shù)字微波通信系統(tǒng)產(chǎn)生不能允許的高誤碼率，使系統(tǒng)性能變壞。4.5.2頻率選擇性衰落對(duì)微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響決定頻率選擇性衰落程度的基本參數(shù)是兩條射線的振幅比r和路徑時(shí)延差τ0。當(dāng)τ0一定時(shí)，r越接近1，衰落越嚴(yán)重；當(dāng)r一定時(shí)，τ0越大，信號(hào)的色散越嚴(yán)重。2.使交叉極化鑒別度下降決定頻率選擇性衰落程度的基本參數(shù)是兩條射線的振3.使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降這里所指的衰落儲(chǔ)備值下降，往往指數(shù)字微波的有效衰落儲(chǔ)備。數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲(chǔ)備的概念：它表示與自由空間傳播條件相比，當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時(shí)，為了在不超過門限誤碼率時(shí)系統(tǒng)仍能工作，所必須留有的電平余量。3.使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降4.6抗衰落技術(shù)4.6.1概述對(duì)抗衰落的技術(shù)措施可以從兩個(gè)方面去考慮：一個(gè)方面是對(duì)正在準(zhǔn)備建設(shè)的微波電路的考慮，另一個(gè)方面是對(duì)已建成微波電路的衰落嚴(yán)重接力段的考慮。4.6抗衰落技術(shù)4.6.1概述1.準(zhǔn)備建設(shè)的微波電路首先要按設(shè)計(jì)程序選好路由，為了防止地面反射造成的干涉型K型衰落，應(yīng)避免使線路穿越水網(wǎng)、湖面或海面等強(qiáng)反射區(qū)域。1.準(zhǔn)備建設(shè)的微波電路2.已建成的微波電路（1）分集技術(shù)與種類目前在微波通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，抗衰落的主要手段是采用分集技術(shù)。分集就是指通過兩條或兩條以上途徑（例如空間途徑）傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施。2.已建成的微波電路（2）分集改善效果分集改善效果指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)兩者相比，對(duì)減輕深衰落影響所得到的效果（好處）。分集改善度是指在某一相對(duì)的收信電平時(shí)，單一接收與分集接收的衰落累積時(shí)間百分比之比。（2）分集改善效果4.6.2微波通信常用的空間分集接收方式空間分集分為空間分集發(fā)送和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)，本書以空間分集接收為例說明這種技術(shù)?？臻g分集接收是指在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種方式稱為空間分集接收。4.6.2微波通信常用的空間分集接收方式下面列舉的幾種空間分集均為二重空間分集接收方式。1.同相合成分集接收同相合成又叫最大功率合成，有微波同相合成和中頻同相合成兩種形式。下面列舉的幾種空間分集均為二重空間分集接收方2.最小振幅偏差合成分集接收（1）工作原理如圖4-27所示為最小振幅偏差合成分集接收的原理方框圖。（2）與同相合成性能比較如圖4-28所示的為最小振幅偏差合成與同相合成在改善帶內(nèi)失真方面的性能比較，合成過程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示。2.最小振幅偏差合成分集接收?qǐng)D4-27最小振幅偏差合成分集接收的原理方框圖圖4-27最小振幅偏差合成分集接收的原理方框圖圖4-28同相與最小振幅偏差合成性能比較圖4-28同相與最小振幅偏差合成性能比較3.基帶開關(guān)分集接收這種分集接收方式是把上、下兩天線接收的信號(hào)分別經(jīng)過各自的接收機(jī)，變成中頻信號(hào)并解調(diào)成基帶信號(hào)后，由分集開關(guān)盤進(jìn)行選擇倒換，選擇誤碼率較低的一路作為基帶信號(hào)輸出。4.分集改善效果在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，不管采用哪一種空間分集接收方式，都會(huì)使系統(tǒng)的有效衰落儲(chǔ)備增加，即抗頻率選擇性衰落的能力增強(qiáng)，還能不同程度地改善帶內(nèi)失真，改善交叉極化鑒別度。3.基帶開關(guān)分集接收4.6.3自適應(yīng)均衡技術(shù)1.頻域自適應(yīng)均衡器在模擬微波通信系統(tǒng)中，為了改善信道的群時(shí)延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是該均衡器僅作靜態(tài)特性的補(bǔ)償。圖4-30（a）左邊部分示出了因多徑傳播造成的頻率選擇性衰落時(shí)，凹陷點(diǎn)的頻率及其陡度（特性會(huì)隨時(shí)變化）。圖4-30（b）所示的是這種頻域均衡器的原理電路。4.6.3自適應(yīng)均衡技術(shù)圖4-30中頻可變調(diào)諧的自適應(yīng)均衡器圖4-30中頻可變調(diào)諧的自適應(yīng)均衡器2.時(shí)域自適應(yīng)均衡器時(shí)域自適應(yīng)均衡器的方案很多，下面列舉的是一種應(yīng)用較廣，加在基帶電路中的橫向?yàn)V波器式均衡器。2.時(shí)域自適應(yīng)均衡器4.7衛(wèi)星通信電波傳播的特點(diǎn)1.影響衛(wèi)星通信中電波傳播的因素由于衛(wèi)星通信的電波傳播路徑需要