1、電波傳播的基礎知識電波傳播的基礎知識地面波傳播地面波傳播天波傳播天波傳播視距傳播視距傳播地面移動通信中接收場強的預測地面移動通信中接收場強的預測2.2.無線電波：無線電波： 按序排列的頻率分布，也稱波譜。按序排列的頻率分布，也稱波譜。 無線電波、紅外線、可見光、紫外線、無線電波、紅外線、可見光、紫外線、x射線、射線、射線射線 把各波段按頻率由低至高依次排列，分別是：把各波段按頻率由低至高依次排列，分別是：1.1.頻譜：頻譜： 頻率從幾十赫茲到頻率從幾十赫茲到3000GHz的電磁波。的電磁波。 按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來，按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來，就是電磁頻譜。就是電磁頻譜

2、。一、電波傳播的基礎知識一、電波傳播的基礎知識無線電波頻段的劃分無線電波頻段的劃分 電波傳播：無線電波在媒質（如地表、地球大氣層電波傳播：無線電波在媒質（如地表、地球大氣層 或宇宙空間等）中的傳播過程。或宇宙空間等）中的傳播過程。幾種主要的電波傳播方式幾種主要的電波傳播方式1.地面波傳播：地面波傳播：優點：傳播信號質量好優點：傳播信號質量好缺點：頻率越高，地面對電波的吸收越嚴重。缺點：頻率越高，地面對電波的吸收越嚴重。地面波傳播地面波傳播 電波沿著地球表面傳播的方式為地面波傳播。電波沿著地球表面傳播的方式為地面波傳播。天波傳播天波傳播 2. 天波傳播：天波傳播： 發射天線向高空輻射的電波在電離

3、層內經過連發射天線向高空輻射的電波在電離層內經過連續折射而返回地面到達接收點的傳播方式稱為天波續折射而返回地面到達接收點的傳播方式稱為天波傳播。傳播。優點：傳播距離遠優點：傳播距離遠缺點：衰落現象比較嚴重缺點：衰落現象比較嚴重3.視距傳播視距傳播 電波依靠發射天線與接收天線之間的直視的傳播電波依靠發射天線與接收天線之間的直視的傳播方式稱為視距傳播。方式稱為視距傳播。視距傳播視距傳播 特點：特點： 直射波與地面反射波之間存在干涉現象，降直射波與地面反射波之間存在干涉現象，降雨和大氣對電波傳播有衰減及散射作用，山、建筑物雨和大氣對電波傳播有衰減及散射作用，山、建筑物和樹木對電波的散射和繞射作用顯著

4、。和樹木對電波的散射和繞射作用顯著。不均勻介質散射傳播散射傳播 4.散射傳播散射傳播 利用非均勻介質團利用非均勻介質團對電波具有散射特性來對電波具有散射特性來達到傳播的目的。達到傳播的目的。對流層散射對流層散射電離層散射電離層散射優點：距離遠，抗毀性好，保密性強。優點：距離遠，抗毀性好，保密性強。電波傳播特性的決定性因素電波傳播特性的決定性因素 媒質的電參數（媒質的電參數（ ）的空間分布）的空間分布和時間變化及邊界狀態。和時間變化及邊界狀態。、二、二、 自由空間電波傳播自由空間電波傳播 天線置于自由空間天線置于自由空間A處，其輻射功率為處，其輻射功率為Pr，方，方向系數為向系數為D，在最大輻射

5、方向上距離為，在最大輻射方向上距離為 r 的點的點M處處產生的場強振幅為產生的場強振幅為AMrPr60rP DEr 自由空間的電波傳播自由空間的電波傳播 自由空間傳播損耗：自由空間傳播損耗： 當發射天線與接收天線的方向系數都為當發射天線與接收天線的方向系數都為1時，時，發射天線的輻射功率發射天線的輻射功率Pr與接收天線的最佳接收功與接收天線的最佳接收功率率PL的比值，記為的比值，記為L0，即，即0010lgrLrLPLPPLdBP24ravPSrD=1的無方向性接收天線的有效接收面積為的無方向性接收天線的有效接收面積為24eA所以該接收天線的接收功率為所以該接收天線的接收功率為2()4Lave

6、rPS APrD=1的無方向性發射天線產生的功率密度為的無方向性發射天線產生的功率密度為于是自由空間傳播損耗為于是自由空間傳播損耗為 0410lg20lgrLPrLdBP或或 032.4520lg()20lg ()121.9820lg ()20lg ()Lf MHzr kmr kmcm 當電波頻率提高當電波頻率提高1 1倍或傳播距離增加倍或傳播距離增加1 1倍時，自由倍時，自由空間傳播損耗分別增加空間傳播損耗分別增加6dB6dB。dB6301. 0202lg20衰減因子：衰減因子：0EAE相應的衰減損耗為相應的衰減損耗為 0120lg20lgFELAEE：實際情況下的接收點的場強：實際情況下的

7、接收點的場強E0：自由空間傳播的場強：自由空間傳播的場強 A與工作頻率、傳播距離、媒質電參數、地貌與工作頻率、傳播距離、媒質電參數、地貌地物、傳播方式等因素有關。地物、傳播方式等因素有關。基本傳輸損耗：基本傳輸損耗：0bFLLLdB 如果發射天線的輸入功率為如果發射天線的輸入功率為Pin，增益系數為，增益系數為Gr，接收天線的增益系數為，接收天線的增益系數為GL，則相應的功率密，則相應的功率密度和最佳接收功率分別為度和最佳接收功率分別為22224()4inravLaveinrLP GSArPS AP A G G衰減損耗衰減損耗自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗22041()inLrLFrLPrL

8、PA G GLLLGGdB 在路徑傳輸損耗在路徑傳輸損耗Lb為客觀存在的前提下，降為客觀存在的前提下，降低傳輸損耗低傳輸損耗L的重要措施就是提高收、發天線的的重要措施就是提高收、發天線的增益系數。增益系數。電道的傳輸損耗：電道的傳輸損耗： 發射天線輸入功率與接收天線輸出功率（滿足發射天線輸入功率與接收天線輸出功率（滿足匹配條件）之比，即匹配條件）之比，即【例例】設微波中繼通信的段距為設微波中繼通信的段距為r =50km，工，工作波長為作波長為7.5cm，收發天線的增益系數都為，收發天線的增益系數都為 45dB，饋線及分路系統一端損耗為饋線及分路系統一端損耗為 3.6dB，該路徑的衰減，該路徑的

9、衰減因子因子A=0.7。若發射天線的輸入功率為。若發射天線的輸入功率為 10W，求其，求其收信電平。收信電平。L0=121.98+20lgr(km) 20lg(cm) =121.98+20lg5020lg7.5 =121.98+33.9817.5 =138.46dB解：解： 考慮到饋線及分路系統一端損耗后，該電道的考慮到饋線及分路系統一端損耗后，該電道的總傳輸損耗總傳輸損耗L為為LL0LFGrGL23.6 138.4620lg0.7245+23.6 58.8dB 因為因為 Pin=10W=40dBm（分貝毫瓦）（分貝毫瓦）于是收信電平即接收天線的輸出功率為于是收信電平即接收天線的輸出功率為PL

10、Pin L40 58.8 18.8dBm 菲涅爾帶菲涅爾帶r1RRRRr2r0PAN1N2N3N4(a)(b)S三、三、 電波傳播的菲涅爾區電波傳播的菲涅爾區 空間空間A處有一球面波源，做一個與之同心、半徑為處有一球面波源，做一個與之同心、半徑為R的球面，的球面，P點與點與A點相距點相距d=R+r0，將球面，將球面S分成許多環形帶分成許多環形帶Nn(n=1,2,3,)，并使相鄰兩帶的邊緣到觀察點的距離相差半個波長（物理學上并使相鄰兩帶的邊緣到觀察點的距離相差半個波長（物理學上稱這種環帶為菲涅爾帶稱這種環帶為菲涅爾帶)。菲涅爾帶：菲涅爾帶：1020022()2()2nRrRrRrRrRrRrnr

11、1RRRRr2r0PAN1N2N3N4(a)(b)S 在這種情況下，相鄰兩帶的對應部分的惠更斯在這種情況下，相鄰兩帶的對應部分的惠更斯源在源在P點的輻射將有點的輻射將有/2的的波程差波程差，因而有，因而有180的的相相位差位差，起著互相削弱的作用。，起著互相削弱的作用。 可以證明，當可以證明，當r0時各帶的面積大致相等。設時各帶的面積大致相等。設第第 n 個菲涅爾半波帶在個菲涅爾半波帶在 P點產生的場強振幅為點產生的場強振幅為En(n=1,2,3,.)，由于每個菲涅爾半波帶的輻射路徑，由于每個菲涅爾半波帶的輻射路徑不一樣，因此有以下的關系式不一樣，因此有以下的關系式1231nnEEEEE123

12、4EEEEE 如 果 將 上 式 的 奇 數 項 拆 成 兩 部 分 ， 即如 果 將 上 式 的 奇 數 項 拆 成 兩 部 分 ， 即En=En/2+En/2，則式（，則式（83 3）可以重新寫為）可以重新寫為1133557246()()()2222222EEEEEEEEEEE 從平均角度而言，相鄰兩帶對從平均角度而言，相鄰兩帶對P點的貢獻反相，點的貢獻反相，于是于是P點的合成場振幅為點的合成場振幅為1133557246()()()2222222EEEEEEEEEEE 仔細觀察上式，如果總帶數足夠大仔細觀察上式，如果總帶數足夠大:12EE 可以認為可以認為1231nnEEEEE 上式給我們

13、一個重要的啟示，盡管在自由空上式給我們一個重要的啟示，盡管在自由空間從波源間從波源A輻射到觀察點輻射到觀察點P的電波，從波動光學的的電波，從波動光學的觀點看，可以認為是通過許多菲涅爾區傳播的，觀點看，可以認為是通過許多菲涅爾區傳播的，但起最重要作用的是但起最重要作用的是第一菲涅爾區第一菲涅爾區。作為粗略近。作為粗略近似，只要保證第一菲涅爾區的一半不被地形地物似，只要保證第一菲涅爾區的一半不被地形地物遮擋，就能得到自由空間傳播時的場強。遮擋，就能得到自由空間傳播時的場強。12EE 令第一菲涅爾區的半徑為令第一菲涅爾區的半徑為F1，根據第一菲涅爾，根據第一菲涅爾區半徑的定義區半徑的定義222211

14、122FdFdd通常通常d1F1,d2F1，將上式作一級近似，可得，將上式作一級近似，可得121d dFdRr1F1N1d1d2d顯然，該半徑在中點顯然，該半徑在中點d1=d2=d/2處達到最大值處達到最大值1max12Fd 劃分菲涅爾半波帶的球面是任意選取的，因此劃分菲涅爾半波帶的球面是任意選取的，因此當球面半徑當球面半徑R R變化時，盡管各菲涅爾區的尺寸也在變化時，盡管各菲涅爾區的尺寸也在變化，但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定變化，但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定義恰恰就是以義恰恰就是以A A、P P兩點為焦點的橢圓定義。兩點為焦點的橢圓定義。菲涅爾橢球菲涅爾橢球 AP2F1

15、如果考慮到以傳播路徑為軸線的旋轉對稱性，如果考慮到以傳播路徑為軸線的旋轉對稱性，不同位置的同一菲涅爾半波帶的外圍輪廓線應是一不同位置的同一菲涅爾半波帶的外圍輪廓線應是一個以收、發兩點為焦點的旋轉橢球。個以收、發兩點為焦點的旋轉橢球。稱第一菲涅爾橢球為電波傳播的主要通道。稱第一菲涅爾橢球為電波傳播的主要通道。 即使在地面上的障礙物遮住收、發兩點間的幾何即使在地面上的障礙物遮住收、發兩點間的幾何射線的情況下，由于電波傳播的主要通道未被全部遮射線的情況下，由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住，因此接收點仍然可以收到信號，這種現象稱為擋住，因此接收點仍然可以收到信號，這種現象稱為電波繞射。電波繞射。電

16、波繞射：電波繞射：AP12不同波長的繞射能力不同波長的繞射能力 在地面上的障礙物高度一定的情況下，在地面上的障礙物高度一定的情況下，波長越長，電波傳播的主要通道的橫截面積波長越長，電波傳播的主要通道的橫截面積越大，相對遮擋面積就越小，接收點的場強越大，相對遮擋面積就越小，接收點的場強就越大。就越大。因此，頻率越低，繞射能力越強。因此，頻率越低，繞射能力越強。 電波電波 媒質效應媒質效應 衰減損耗、衰落衰減損耗、衰落 干擾和噪聲干擾和噪聲 極化偏轉極化偏轉 反射、折射、散射反射、折射、散射 時域、頻域畸變時域、頻域畸變 這些媒質效應對信息傳輸的質量和可靠性常常產這些媒質效應對信息傳輸的質量和可靠

17、性常常產生嚴重影響，因此各種媒質中各頻段電磁波的傳播效生嚴重影響，因此各種媒質中各頻段電磁波的傳播效應是電波傳播研究的主要對象。應是電波傳播研究的主要對象。 基站天線、移動用戶天線和兩付天線之間的傳播路徑基站天線、移動用戶天線和兩付天線之間的傳播路徑 復雜的無線電波傳播環境復雜的無線電波傳播環境 直射、反射、繞射和散射以及它們的合成直射、反射、繞射和散射以及它們的合成傳播損耗和彌散傳播損耗和彌散陰影衰落陰影衰落多徑衰落多徑衰落多普勒頻移多普勒頻移衰落的物理機制衰落的物理機制功率的路徑損耗功率的路徑損耗接收信號的變化和分布特性接收信號的變化和分布特性傳播預測模型的建立傳播預測模型的建立為實現信道

18、仿真提供基礎為實現信道仿真提供基礎（如射線跟蹤法）（如射線跟蹤法） 應用電磁傳播理論分析電波在移動環境中的傳播特性來建立預應用電磁傳播理論分析電波在移動環境中的傳播特性來建立預 測模型測模型（如沖激響應法）（如沖激響應法） 在不同的傳播環境中做電波實測實驗，通過對測試數據進行統在不同的傳播環境中做電波實測實驗，通過對測試數據進行統 計分析，來建立預測模型計分析，來建立預測模型 兩徑傳播模型兩徑傳播模型多徑傳播模型多徑傳播模型 接收信號功率接收信號功率 簡化后簡化后 其中，相位差其中，相位差 ， 其中，其中，N為路徑數。當為路徑數。當N很大時，無法用公式準確計算出接很大時，無法用公式準確計算出接

19、收信號的功率，必須用統計的方法計算接收信號的功率收信號的功率，必須用統計的方法計算接收信號的功率 2tr2tr.Ae)R1(Re1GGd4PP 地面二次效應直射波反射波地表面波可忽略可忽略2tr2trRe1GGd4PP l2 ()lACCBAB 2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP 直射波反射波圖2-2 兩徑傳播模型發射天線接收天線 波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次波在傳播過程中，行進中的波前（面）上的每一點，都可作為產生次級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。級波的點源，這些次級波組合起來形成傳播方向上新的波前（面）。繞射由次

20、級波的傳播進入陰影區而形成。陰影區繞射波場強為圍繞阻繞射由次級波的傳播進入陰影區而形成。陰影區繞射波場強為圍繞阻擋物所有次級波的矢量和。擋物所有次級波的矢量和。在在P點處的次級波前中，點處的次級波前中， 只有夾角為只有夾角為（即（即 ） 的次級波前能到達接收點的次級波前能到達接收點R每個點均有其對應的每個點均有其對應的角，角， 將在將在0 到到180180之間變化之間變化越大，越大，到達接收點輻射能量越大到達接收點輻射能量越大TPR圖圖2-3 對惠更斯菲涅爾原理說明對惠更斯菲涅爾原理說明 從發射點到接收點次級波路徑長度直接路徑長度大的連續區域從發射點到接收點次級波路徑長度直接路徑長度大的連續區

21、域vn為奇數時，兩信號抵消為奇數時，兩信號抵消vn為偶數時，兩信號疊加為偶數時，兩信號疊加 v在接收點處第一菲涅爾區的場強是全部場強的一半在接收點處第一菲涅爾區的場強是全部場強的一半v發射機和接收機的距離略大于第一菲涅爾區，則大部分能發射機和接收機的距離略大于第一菲涅爾區，則大部分能量可以達到接收機。量可以達到接收機。 從波前點到空間任何一點的場強從波前點到空間任何一點的場強 式中，式中，ER是波面場強，是波面場強， 是與波面正交的場強導數。是與波面正交的場強導數。1212nn d drdd圖2-4 菲涅爾區截面 14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrnsEn 無線電波遇到粗糙表面時，反

22、射能量散布于所有方向無線電波遇到粗糙表面時，反射能量散布于所有方向 表面平整度的參數高度表面平整度的參數高度 平面上最大的突起高度平面上最大的突起高度 h 散射損耗系數散射損耗系數 式中，式中， 為表面高度為表面高度h的標準差，的標準差，h是具有局部平均值的是具有局部平均值的高斯分布的隨機變量。高斯分布的隨機變量。 用粗糙表面的修正反射系數表示反射場強用粗糙表面的修正反射系數表示反射場強 表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8 sincih2sinexp8hisroughsh（慢衰落慢衰落） 移動無線通信信道傳播環境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對電波移動無線通信信道傳播環境中的地形起伏、建筑物

23、及其它障礙物對電波傳播路徑的阻擋而形成的電磁場陰影效應傳播路徑的阻擋而形成的電磁場陰影效應 衰落與傳播地形和地物分布、高度有關衰落與傳播地形和地物分布、高度有關 傳播路徑損耗和陰影衰落傳播路徑損耗和陰影衰落 分貝式分貝式 式中式中, r 移動用戶和基站之間的距離移動用戶和基站之間的距離 由于陰影產生的對數損耗（由于陰影產生的對數損耗（dB），服從零平均和標準偏差），服從零平均和標準偏差 dB的對數正態分布的對數正態分布 m 路徑損耗指數路徑損耗指數 實驗數據表明實驗數據表明m4，標準差，標準差8dB，是合理的，是合理的1 0(,)1 0mlrr10log ( , )10logl rmr陰影衰落

24、傳播的基本特性v什么是陰影衰落？由移動無線通信信道傳播環境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對電波路徑的阻擋而形成的電磁場半盲區長期慢衰落 / 大尺度衰落 /陰影衰落過大，無法陰影衰落過大，無法接收信號接收信號( )ads de衰減：陰影衰落傳播的基本特性陰影損耗的標準偏差特點：v電平起伏相對緩慢v衰落與地形、地物的分布和高度有關多徑衰落的基本特性多徑衰落的基本特性 接收信號的幅度將隨著移動臺移動距離的變動而衰落接收信號的幅度將隨著移動臺移動距離的變動而衰落 空間角度空間角度模擬通信系統的主要考慮對象模擬通信系統的主要考慮對象原因原因v本地反射物所引起的多徑效應表現為快衰落本地反射物所引起的多徑效應表現為快衰落v地形變化引起的衰落以及空間擴散損耗表現為慢衰落地形變化引起的衰落以及空間擴散損耗表現為慢衰落 接收信號中脈沖的寬度擴展接收信號中脈沖的寬度擴展時間角度時間角度數字通信系統的主要考慮對象數字通信系統的主要考慮對象原因原因 信號的傳播路徑不同，所以到達接收端的時間也就不同，信號的傳播路徑不同，所以到達接收端的時間也就不同，導致接收信號包含發送脈沖及其各個延時信號導致接收信號包含發送脈沖及其各個延時