無線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 課件 第2章 地表電波傳播模式

第2章

地表電波傳播模式1

§2.1

空間波傳播模式

地表傳播模式2圖2.1光滑平面地面上電波的傳播模式在電波的傳播過程中，由于地面的存在，電波在傳播中首先會遇到空氣和大地兩種不同媒質(zhì)的分界面。地面的尺寸比波長大得多，因此，電波在傳播過程中首先要發(fā)生反射，導(dǎo)致反射損耗；其次，由于地球表面的電導(dǎo)率r≠0，當(dāng)電波射入地面后，將產(chǎn)生地電流，導(dǎo)致吸收損耗。由電波射入地面后所產(chǎn)生的地電流，將改變地球表面電磁場的分布，從而影響到電波傳播的特性。在平面地面上傳播的波具有兩種傳播模式：一種是空間波傳播模式，即直射波與反射波的疊加；另一種是地表面波傳播模式。

§2.1

空間波傳播模式32.1.1光滑平面雙線反射模型圖2.2

雙線地面反射模型當(dāng)天線架設(shè)高度與波長相比較高時，電波主要以空間波的方式進行傳播，因此可以忽略地表面波的影響。在工程設(shè)計中，當(dāng)頻率大于150MHz時，通常就只考慮直射波和反射波，這時可以用雙線地面反射模型來研究電波傳播的特性。在大多數(shù)移動通信系統(tǒng)中，收發(fā)信機間距最多達到幾千米，這時可假設(shè)地球表面為平面?？偟慕邮請鰪奅TOT為直射波場強ELOS和地面反射的反射波場強Eg的合成結(jié)果。

§2.1

空間波傳播模式42.1.1光滑平面雙線反射模型如圖2.2所示，hT為發(fā)射天線高度，hR為接收天線高度。如果E0為距發(fā)射無線d0處的場強（單位為V/m)，則對于傳播距離d>d0，自由空間傳播的場強為

|E（d,t）|=E0d0/d表示距發(fā)射機d(m）處的場強包絡(luò)設(shè)直射波經(jīng)過距離d'，反射波經(jīng)過距離d"傳播到接收機，接收機收到的直射波場強為根據(jù)反射定理,假定垂直極化波在理想地面上反射，總電場是ETOT和ELOS的矢量和，總的電場包絡(luò)為

§2.2

雙徑反射模型52.2.1反射的有效區(qū)域圖2.5有反射時路徑損耗的最簡單情況在圖2.5中，如果以發(fā)射源T的鏡像源T'和接收點R為焦點畫出一個菲涅耳區(qū)的橢球面。由它可以估計出對反射波起主要作用的地面上的菲涅耳區(qū)的大小，該區(qū)稱為有效反射區(qū)。有效反射區(qū)的大小基本上第一菲涅耳區(qū)或者2個菲涅耳區(qū)所定。

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雙徑反射模型62.2.1反射的有效區(qū)域如圖2.6所示，T、T'和R均在zy平面上，地面反射的橢圓有效區(qū)域與XY平面重合，該橢圓的長軸在y軸上，短軸通過c點平行于x軸，假設(shè)圖中的橢圓是第n菲涅耳區(qū)的邊界面(橢球面)與地面相交所得。在這第n菲涅耳區(qū)橢圓上任取一點，根據(jù)菲涅耳區(qū)的定義有圖2.6反射地段上的菲涅耳區(qū)

§2.2

雙徑反射模型72.2.2平坦地面上的反射系數(shù)平坦地面反射波的幅度和相位的大小取決于反射系數(shù)（也就是和地面特性有關(guān)）、反射點處入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始極化。事實上，對于在地面上的電波傳播，地面特性由地表面的電導(dǎo)率和介電常數(shù)所決定，其中εr是相對介電常數(shù)εr'的實部，σ/wε0是其虛部。另外，經(jīng)常用掠射角

代替

，

。反射系數(shù)R//和R⊥并不相同，而且都是復(fù)數(shù)量，所以反射波在幅度和相位上都不同于入射波。

§2.2

雙徑反射模型82.2.2平坦地面上的反射系數(shù)表2.2地面特性表地形電導(dǎo)率（S/m）相對電導(dǎo)常數(shù)海水580淡水8×10-380干地2×10-310沼澤地，森林8×10-212農(nóng)業(yè)用地，低山1×10-315牧場，中等山5×10-313巖石地，陡峭山2×10-310群山1×10-35住宅區(qū)2×10-35工業(yè)區(qū)1×10-43在理論計算時，地球表面的電特性是用表2.2來表征的。根據(jù)電導(dǎo)率、頻率及介電常數(shù)關(guān)系，可以將地表做兩種近似電介質(zhì)電導(dǎo)體

§2.2

雙徑反射模型92.2.3雙射線傳播模式雙射線模式可以描述無線電波在平坦地面上的傳播過程。該傳播模式可直接作為路徑損耗計算的公式，例如用在微蜂窩中，也可以作為評估各種場強衰耗和路徑損耗計算公式的參考。下面來考慮地面附近的兩點之間的無線電波傳播，并用平面波近似代替球面波。此時，根據(jù)來自場源的直達射線和來自平坦地面的反射射線的疊加，就可得到雙射線模式。自由空間中兩個單位增益(G=1)天線之間，接收點處場強大小寫成對于平坦地面，考慮到傳播相位時，由鏡像原理可以得到接收點處的場強為

§2.2

雙徑反射模型102.2.3雙射線傳播模式當(dāng)入射波的掠射角很小時，對于遠(yuǎn)離發(fā)射的區(qū)域φ≈180°。此時，(2.41)式亦可簡化為由上式可以看到，決定直達波和反射波組成的接收場強與自由空間場強之間的振幅比是反射系數(shù)

和△φ。其中△φ的變化會引起合成場按(2.44)式作周期性變化，這是干涉場的主要特征。如果令n表示行程差△r所包含的半波數(shù)，即那么，當(dāng)n為偶數(shù)時

最小，即

，從而得到即，在上式確定的位置，會產(chǎn)生場強的同相疊加?！?.3

地形地物環(huán)境對電波傳播的影響112.3.1規(guī)則典型形狀繞射計算方法圖2.10單刃峰障礙物計算幾何示意圖1.單刃峰繞射模型單刃峰繞射模型是最簡單也是很常見的繞射模型。一般來說，單刃峰繞射損耗計算模型與實驗測量結(jié)果吻合度較高?！?.3

地形地物環(huán)境對電波傳播的影響122.3.1規(guī)則典型形狀繞射計算方法2.雙刃峰繞射模型分析雙刃峰繞射模型時，可以將單刃峰障礙繞射理論構(gòu)成的方法繼續(xù)用于兩個障礙物上，其中第一個障礙物的頂部起電波源的作用，在第二個障礙物上繞射。圖2.11雙重孤立峰的單刃障礙示意圖§2.3

地形地物環(huán)境對電波傳播的影響132.3.1規(guī)則典型形狀繞射計算方法2.雙刃峰繞射模型考慮到兩個單刃峰障礙之間有距離b,計算時必須加上校正項Lc(dB)。Lc可以用下面公式進行估值若L1和L2中的每一個都超過大約15dB，則總繞射損耗由下面公式出§2.3

地形地物環(huán)境對電波傳播的影響142.3.1規(guī)則典型形狀繞射計算方法3.球面繞射模型由于天線架設(shè)不夠高，或者由于傳播距離太遠(yuǎn)，使得傳播電路成閉路狀態(tài)，也就是說接收點位于陰影區(qū)里，這時計算中值衰減必須考慮大地繞射的影響。球面地球的繞射損耗可以近似地表示為§2.3

地形地物環(huán)境對電波傳播的影響152.3.2植被影響計算方法植被計算模型適用于各種路徑幾何學(xué)情況下的多種植被類型，可用來計算信號通過此類植被類型時所產(chǎn)生的衰減，且適用于地面系統(tǒng)和地空系統(tǒng)。但是，由于植被葉片簇的狀態(tài)和類型范圍很廣，以至于很難開發(fā)通用的衰減預(yù)測程序。另外，還缺乏植被的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。該類模型適合于特定的頻率范圍和不同類型的路徑。圖2.13

傾斜路徑發(fā)射機處于林地之外，接收機在林地內(nèi)的一定距離d處，此時植被引起的超量衰減Aev可由下式給出

衰減損耗L采用以下模型§2.4

氣象環(huán)境對電波傳播的影響16無線電氣象環(huán)境因素影響產(chǎn)生的場地主要是在對流層內(nèi)，對流層在地球的不同區(qū)域高度是不一樣的，中緯度地區(qū)為12km左右、赤道地區(qū)為18km左右、極區(qū)為8km左右。對流層內(nèi)集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽，有強烈的垂直運動，有明顯的大氣湍流運動。對流層內(nèi)經(jīng)常發(fā)生著我們所熟悉的天氣現(xiàn)象：云霧、降雨、降雪、刮風(fēng)揚起的沙塵，春、夏、秋、冬的冷熱交替等。因此，對流層對電波傳播的影響，可主要歸結(jié)為三方面：一是大氣中H2O、O2對無線電波吸收效應(yīng)；二是大氣中的沉降物，如云霧、降雨、降雪、沙塵及冰雹等對無線電波產(chǎn)生的反射、散射及去極化效應(yīng)﹔三是垂直高度內(nèi)由于溫度、濕度、壓力不同而引起的折射效應(yīng)。相對于自由空間的傳播，計算地球-空間路徑的傳播損耗，需要重點考慮大氣衰減、晴空效應(yīng)、降水衰減、云霧衰減等效應(yīng)?！?.4

氣象環(huán)境對電波傳播的影響172.4.1大氣衰減1.逐線求和法大氣氣體引起的衰減完全源自吸收，主要與頻率、仰角、水平面上的高度以及水蒸氣密度（絕對濕度）等有關(guān)。對于10GHz以下頻段的大氣衰減通?？梢院雎?。對10GHz以上頻段的大氣衰減，這些因素影響逐漸增大，尤其是低仰角時更是如此。

在一個給定的頻率，氧氣對大氣吸收的貢獻相對是穩(wěn)定不變的。但是，水蒸氣密度和其垂直剖面卻經(jīng)常變化。在典型情況下，最大的氣體衰減發(fā)生在最大降雨的季節(jié)。所謂逐線求和法，是指在任意氣壓、溫度和濕度條件下，采用累加氧氣和水汽各自諧振線的方法，可以比較準(zhǔn)確地計算無線電波在大氣氣體中的特征衰減。特征大氣衰減率用γ表示，其計算方法如下：§2.4

氣象環(huán)境對電波傳播的影響182.4.1大氣衰減2.近似計算法在1GHz~350GHz頻率范圍的無線電波，若存在有限范圍的大氣條件和有限數(shù)量的幾何外形，則可采取簡化算法對無線電波在大氣氣體中的衰減進行近似估算。從海平面到10km高度的范圍內(nèi)，由干空氣與水汽造成的無線電波衰減率，可采用下列簡化算法進行估算。這一方法是基于逐線求和法計算的氧氣和水汽衰減率以及有效氧氣與水汽高度的，這些近似計算與逐線求和法計算擬合。但在高度超過10km且對精確度要求更高的情況下，應(yīng)采用逐線求和法。計算穿過地球大氣層的傾斜路徑的無線電波在大氣層的衰減，對于有角度傾斜路徑的衰減值為§2.4

氣象環(huán)境對電波傳播的影響192.4.2降雨引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對地面和傾斜路徑降雨衰減(簡稱雨衰減)的計算方法。雨散射信號的強度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計算相對簡單一些，沒有等效高度的問題，只有等效路徑長度的問題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測示意圖§2.4

氣象環(huán)境對電波傳播的影響202.4.3降雪引起的衰減

在1GHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)，已有了對地面和傾斜路徑降雨衰減(簡稱雨衰減)的計算方法。雨散射信號的強度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨強度、雨滴尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素有關(guān)。由于地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減的計算方法有重大的差別，因此使用兩套不同的計算公式。地面電路的仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計算相對簡單一些，沒有等效高度的問題，只有等效路徑長度的問題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路通常使用圓極化或橢圓極化。圖2.16地空路徑降水衰減預(yù)測示意圖本章小結(jié)本章綜合講述空間波傳播模式下電磁波在地表環(huán)境的傳播特性及基本理論。首先介紹光滑地面上的電波傳播路徑損耗計算方法，建立地表電磁場分布計算的基本原則。然后針對在無線通信系統(tǒng)建設(shè)中常用的雙徑反射模型進行詳細(xì)闡述，分別對反射的有效區(qū)域及平坦地面