1、電波傳播理論5-1第5章地面反射基本要求：1.了解鏡反射和漫反射的基本概念；2. 掌握掌握反射點和地面費涅爾區的基本概念和計算方法；3.掌握各種反射系數的定義和關系。第5章 地面反射1電波傳播理論5-2第5章 地面反射地面及地面覆蓋物對無線電波的主要影響：超短波以上頻率的無線電波反射、繞射和散射超短波以下頻率的無線電波（地波）衰減和吸收地面及地面覆蓋物對無線電波的反射、繞射和散射：反射當無線電波在光滑地面（如水面、開闊的平地等）上傳播時，會出現鏡反射現象，即反射射線與直接射線在接收點相互干涉，合成場強可表現出強烈的衰落。散射（漫反射）當無線電波在粗糙地面上傳播時，地面會產生散射（漫反射）波，它

2、與直接射線之間不會形成干涉現象，只是功率相加，合成信號不會出現大幅度的衰落，只是表現為信號的閃爍與起伏。繞射地面及其覆蓋物對無線電波的阻擋將引起波的繞射現象，繞射可造成電波的額外衰減（下1章研究）。2電波傳播理論5-3第5章 地面反射從嚴格的波動觀點看來，地面反射是個邊值問題。來自初始輻射源的電磁波在地面上激起傳導電流和位移電流，致使地面成為二次輻射源，地面的每個元面都是二次波源。接收點的場強是初始輻射源在接收點建立的場強和與所有二次輻射源在接收點建立的場強，兩者合成的總效果。地面的兩種類型光滑地面和粗糙地面5.1 鏡反射和漫反射3電波傳播理論5-4第5章 地面反射光滑地面的反射對于光滑地面而

3、言，各個元反射面的取向是相同的，可以采用鏡反射的幾何光學方法處理地面對無線電波傳播的影響，即所謂的鏡像法。鏡像法T為初始輻射源，地面（平面）對接收點R場強的貢獻完全等效于初始源T的鏡像T的貢獻。只是注意，真實源T與虛擬波源T之間有一個相位差。鏡反射波是相干波，它與直接 射線之間的干涉疊加，可以使 接收信號出現很深的衰落，但 是會可對無線電通信的質量和 可靠性造成破壞性的影響。4電波傳播理論5-5第5章 地面反射粗糙地面的散射組成粗糙地面的諸多元面取向的隨機性使得入射波的能量可以被反射到各個方向，即散射。在接收點的場強就是直射波和粗糙表面在接收點的散射（漫反射）波的合成。地面每個元面產生的二次輻

4、射波的幅度和相位是隨機的。被各個小元面反射的電波的極化也是不一樣的。散射波與直接射線之間是非相干 的，不會形成很深的干涉衰落。散射（漫反射）對無線電通信的 質量與可靠性一般不會構成嚴重 的威脅，而是表現為信號的閃爍 與小幅度起伏。 5電波傳播理論5-6第5章 地面反射判斷地面光滑和粗糙的標準雷利準則地面的高度起伏 所導致的射線1與射線2之間，也就是射線1與射線2之間的程差 ，使得它們在接收點合成時產生相差 。當 趨于0時，則 和 也趨于0，接收點合成時表現出同相疊加，信號增強。當 增加使得相差 時，在接收點的表現出反相疊加，信號減弱。通常，采用雷利準則來判斷地面的類型，即當 或 時，地面是光滑

5、的，地面反射是鏡反射；當 或 時，地面是粗糙的，地面反射為漫反射。掠射角 6電波傳播理論5-7第5章 地面反射雷利準則及其應用：要使物理上粗糙的地面可被看成為鏡面的最大起伏 當 時，鏡反射占覺得優勢；當 時，漫反射占絕對優勢。它與波長和掠射角有關。同樣的粗糙地面，在低頻率和低掠射角時可以被看成是鏡面，而在高頻率和高掠射角時，則不能認為是鏡面。 更嚴格的標準實際的地面上不同點的高度可能是服從某種統計分布（比如，正態分布）的隨機變量，所以，上述的 應該理解為某點地面高度相對于反射面內平均高度的高度差，并且，把高度差的標準偏差作為雷利判據的 。（5.6）（5.7）7電波傳播理論5-8第5章 地面反射

6、依據等效球面地球法計算地反射的幾何參數 ，這樣既計及了大氣折射的影響，而且計算也很簡便。地反射的幾何參數:三條線直射線、入射線和反射線四個面海平面、地面、反射面和等效反射平面幾個角度掠射角、不同射線的出射角或到達角、射線 之間的夾角、射線的地心張角. 幾個高度海拔高度、離地面的高度、相對于等效反射 平面的高度、相對于反射面的高度. 利用地反射的幾何參數可以確定反射點位置、反射面的費涅爾區、費涅爾反射系數、球面反射的擴散系數、等效反射系數、有效反射系數、反射損耗.5.2 地反射的幾何參數8電波傳播理論5-9第5章 地面反射三條線直射線、入射線和反射線四個面海面、地面、反射面和等效平面反射面:通過

7、反射點的等效球面等效反射平面：通過反射點P相切于反射面的平面 9掠射角直接射線的出射角 和到達角入射線的出射角地面反射線的到達角 入射線與直接射線的夾角 地反射線與直接射線的夾角入射線的地心張角地反射線的地心張角 電波傳播理論5-10第5章 地面反射幾個角度： 直接射線與等效反射平面的夾角 10電波傳播理論5-11第5章 地面反射在發射端的幾個高度： 發射站地面的海拔高度發射天線離發射端地面的高度發射天線的海拔高度發射天線相對于等效反射平面的高度發射天線相對于反射面的高度反射點（反射面）的海拔高度 11電波傳播理論5-12第5章 地面反射在接收端的幾個高度： 接收站地面的海拔高度接收天線離接收

8、端地面的高度接收天線的海拔高度接收天線相對于等效反射平面的高度接收天線相對于反射面的高度反射點（反射面）的海拔高度 12反射點到發射站的地面距離電波傳播理論5-13第5章 地面反射5.2.1 等效反射平面與等效高度等效反射平面：通過反射點P相切于反射面的平面發射天線等效高度 發射相對于等效反射平面的高度接收天線等效高度 接收相對于等效反射平面的高度當電路距離和天線高度等參數都遠遠小于地球半徑時 （5.8）（5.9）反射點到接收站的地面距離地球半徑等效地球半徑因子 13電路的距離電波傳播理論5-14第5章 地面反射5.2.2 地反射線的掠射角地反射射線的掠射角也就是反射線與等效反射平面的夾角。根

9、據反射定律，地反射射線的掠射角就等于入射射線與等效反射平面的夾角。兩者都可以簡稱為掠射角 。當電路距離和天線高度等參數都遠遠小于地球半徑時（5.10）14電波傳播理論5-15第5章 地面反射5.2.3 地反射射線的出射角和到達角入射線的出射角（俯仰角） 入射線與發射端地平線的夾角地反射線的到達角（俯仰角） 地面反射線與接收端地平線的夾角當電路距離和天線高度等參數都遠遠小于地球半徑時值得注意的是，以上公式算出的結果總是正值，這對應于俯角。（5.11）（5.12）15電波傳播理論5-16第5章 地面反射5.2.4 直接射線的出射角和到達角直接射線的出射角（俯仰角） 直接射線與發射端地平線的夾角直接

10、射線的到達角（俯仰角） 直接射線與接收端地平線的夾角當電路距離和天線高度等參數都遠遠小于地球半徑時等效地球半徑因子的出現說明了以上兩式包含了大氣折射的影響。 （5.13）（5.14）16電波傳播理論5-17第5章 地面反射視在俯仰角和真實俯仰角視在俯仰角 和 包含大氣折射的影響時直接射線的俯仰角真實俯仰角 和 在真實地球上（ ）直接射線的俯仰角當電路距離和天線高度等參數都遠遠小于地球半徑時射線的視在俯仰角是隨大氣折射指數空間分布的變化而變化的，而電路的真實俯仰角是與大氣的狀態無關，在收發點確定后它們都是個常數。（5.15）（5.16）17電波傳播理論5-18第5章 地面反射5.3 反射點的位置

11、和反射面的費涅爾區減小地面反射影響的幾種方法：在無線網絡和傳播電路的設計中適當控制反射點的位置。粗糙地面對電波的反射比較光滑地面要弱得多。地面、地物對入射線和反射線得阻擋也可以大大削弱地反射的影響。減小地面反射影響的主要工作：必須估算反射點的的位置，而后才能加以調整。決定地面反射的費涅爾區以及反射的強弱。 18電波傳播理論5-19第5章 地面反射反射點的位置確定 確定反射點的位置的方程：（5.21）19電波傳播理論5-20第5章 地面反射地面反射的費涅爾區 在使用鏡像法處理地面對波傳播的影響時，發射源的鏡像可取代地面的作用。此時，在發射源和接收點之間以及發射源的鏡像與接收點之間的主要空間通道都

12、必須滿足費涅爾區（橢球）的要求。地面反射的費涅爾區以發射源的鏡像和接收點為焦點的費涅爾橢球與地面反射的等效平面相交在地面上截取的部分地面（橢圓面）。20電波傳播理論5-21第5章 地面反射地面反射的費涅爾區大小的確定橢圓的長軸和短軸 有效反射區的大小基本上由第一菲涅耳區或者23個菲涅耳區所決定。以發射源的鏡像和接收點為焦點的第n階費涅爾橢球被等效平面所截取橢圓中心C的坐標以及橢圓的的長半軸和短半軸近似為通常，對于地面通信電路而言，地面反射第一費涅爾區的長半軸可達數公里，短半軸卻比長軸小得多。 21電波傳播理論5-22第5章 地面反射5.4 費涅爾反射系數反射系數入射波場強與反射波場強之比?？山?/p>

13、似地把空氣看成是真空，即其介電常數和導磁率為 和 、相對介電常數為1的均勻介質；在局部范圍內，地球表面下的土壤或液態、固態水也可近似地看成是均勻介質；地球表面（地面或水面，水面又可以是海水或淡水）可以看成是平面。22電波傳播理論5-23第5章 地面反射地面的費涅爾反射系數（5.23）（5.24）（5.25）擦地角 入射波的極化 水平極化 垂直極化 地面介質的復相對介電常數 真空中的波長 地面介質的相對介電常數 地面介質的導電率 地反射系數的大小與電波的極化、波長（頻率）、入射線的擦地角以及地面的電氣特性有關。23電波傳播理論5-24第5章 地面反射對于兩種最典型的地面的反射系數24電波傳播理論

14、5-25第5章 地面反射地反射系數幅度的特點：對于水平極化波，反射系數隨擦地角的增加而降低；當擦地角小于1 時，反射系數非常接近于1；當擦地角大于1 時，反射系數在10.6之間變化。對于垂直極化波，存在一個特殊的擦地角，在這個角度上反射系數達到最小值，這個角度叫布勒斯特角。對于中等干燥土壤，布勒斯特角大約等于15，幾乎與頻率無關；而對于海水而言，當頻率從300MHz變到3000MHz時，布勒斯特角處在56.5之間，隨頻率增加而增加。對于垂直極化波，反射系數可從1變到幾乎接近于0。當擦地角小于布勒斯特角時，反射系數隨擦地角的增加而降低；當擦地角大于布勒斯特角時，反射系數隨擦地角的增加而增加。25

15、電波傳播理論5-26第5章 地面反射地反射系數相位的特點：對水平極化波，反射系數的相位非常接近于180，幾乎與頻率、擦地角和地面電氣特性無關。也就是說，在水平極化的情況下，入射波經地面反射之后，反射波相對于入射波有180的相位突變（增加）。對于垂直極化波，反射系數的相位可從180（低擦地角為0）單調降低到0（擦地角為90）。擦地角低于1和高于20時，反射系數相位隨擦地角的變化比較緩慢，但是，在布勒斯特角附近反射系數的相位隨擦地角的增加而十分迅速地減少。26電波傳播理論5-27第5章 地面反射5.5 球面反射的擴散系數鏡像法只能適用于反射面是平面時的情況。而地球表面實際上是個球面，所以，必須考慮

16、球面反射產生的擴散。平面反射與球面反射之間明顯的差別就是兩者對波束的擴散不一樣。由源發出的的錐形波束使得能量沿射線傳播不會逸出波束外，所以在離源點不同距離的波束橫截面內流過的能量的能流密度就不一樣。它反比于橫截面的面積。由于球形地面對反射波的擴散作用，便產生了球面反射引起的附加擴散損耗。27電波傳播理論5-28第5章 地面反射球形地面對反射波的擴散對于平面反射而言，由波源發射的圓錐波束可以等效于波源的鏡像發出的圓錐波束，所以這個波束經地面反射后不會變形，截面仍然是圓。對于球面反射而言，橫截面為圓形的入射波束經地面反射后成為橫截面為橢圓的波束，因為反射點在入射面內的射線擴散較大，反射點不在入射面

17、內的射線擴散較小。因此，費涅爾橢圓的長軸在入射面內。 28電波傳播理論5-29第5章 地面反射球面反射的擴散系數擴散系數 在接收點處經球面反射后的場強 與經平面反射后的場強 之比。 （5.26）（5.27）電路的距離（程度） 只有在低擦地角的情況下，擴散系數才有明顯小于1的值。29電波傳播理論5-30第5章 地面反射5.6 等效反射系數、有效反射系數與反射損耗費涅爾反射系數只是表達了光滑、平面地面的理想條件下的反射情況，它僅是一個參考值，通常可以把它看成為真實地面反射系數的可能的最大值。真實地球表面是個球面，與平面地面比較，球面將會引起的波束擴散從而帶來擴散損耗。當無線電波投射到粗糙地面時，除

18、要考慮鏡反射波和折射波之外，還存在所謂的散射問題。30電波傳播理論5-31第5章 地面反射5.6.1 等效反射系數考慮到粗糙地面散射的等效反射系數 （5.28）（5.29）粗糙地面引起的 地反射射線的減弱因子 再考慮到球面地面擴散的等效反射系數球形地面的擴散系數 31電波傳播理論5-32第5章 地面反射等效反射系數 的說明：等效反射系數更真實地反映球形粗糙地面的的綜合反射能力。減弱因子無法有效計算出來的，也很難實際測量擴散系數理論上可以計算，但實際上也是無法單獨測量出來的。有效反射系數 是可以測量出來的。 32電波傳播理論5-33第5章 地面反射5.6.2 有效反射系數有效反射系數 考慮到天線

19、方向性圖以及地面對反射射線的阻擋時間接收點的反射線場強與直接射線場強之比（5.28-29）天線方向性圖對反射場的減弱地面阻擋對反射場的減弱33電波傳播理論5-34第5章 地面反射5.6.3 場的疊加、相干和非相干場的疊加當兩列或兩列以上的波在相同的空間中傳播時，空間中每一點的合成場強是這些波在該點的場強的矢量和，即合成總場。場的相干疊加相互疊加的場強是一些極化、相位和幅度都是確定的、以非隨機的方式改變的波。由于相干波在任何時刻的相位和幅度是確定的，所以它們的合成場強可以按通常的矢量相加的辦法確定。此時合成場強的空間分布會出現明顯的強弱變化。波的相干現象在光學上可以直接用肉眼感知。34電波傳播理論5-35第5章 地面反射場的非相干疊加相互疊加的場強是一些極化、相位和幅度都是以隨機的方式改變的波。此時，總場強的在空間的分布也是隨機的，不會形成在某些空間點上合成場強明顯加強或削弱的相干現象。甚至