1、電波傳播概論第1頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 7.1電波傳播的基本概念一、自由空間的基本傳輸損耗 1、定義： 自由空間中，收發天線相距r，載波頻率為f，輸入到發射天線的功率為Pi，從接收天線接收的功率為PR，則輸入功率與接收功率的比值定義為自由空間的基本損耗：和 分別為發射天線和接收天線的增益系數。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 2、分析： 如果忽略兩個天線的因素，自由空間的基本傳輸損耗為： 可見，自由空間的基本傳輸損耗是由于球面波在傳輸過程中，由于距離的增大，能量擴散而引起的，是球面波的擴散損耗。第3頁，共38頁，2022年，5月20

2、日，6點12分，星期五二、傳輸媒質對電波傳播的影響 1、傳輸損耗（信道損耗） 電波傳播時實際媒質并非自由空間。 因此，實際的傳輸損耗會在自由空間基本傳輸損耗的基礎上附加實際媒質產生的損耗。 這種能量損耗可能是由于大氣對電波的吸收或散射引起的, 也可能是由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射引起的。 A為實際媒質的損耗。第4頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 2、衰落現象 衰落的概念： 一般是指信號電平隨時間或空間位置的隨機起伏變化。衰落的產生原因：吸收型衰落和干涉型衰落 吸收型衰落 主要是大氣中的氧、水汽以及由水汽凝聚而成的云、霧、雨、雪等對電波的吸收而產生的衰落。吸收型衰落

3、與氣候條件密切相關。 吸收型衰落為慢衰落，引起信號電平中值的緩慢變化。 第5頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五第6頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 干涉型衰落 主要是由隨機多徑干涉現象引起的。 在傳播過程中，往往存在多條隨機的傳播路徑，行程的不同使信號到達接收天線時的相位隨機變化。 多個不同強度、不同相位的信號（多徑信號）在接收天線處相互迭加（干涉），引起接收的信號電平發生快速而深度的衰落，這種衰落稱為快衰落。 抗衰落措施 信號的衰落現象嚴重地影響電波傳播的穩定性和系統的可靠性，必要時可采取有效措施（如分集接收）加以克服。 第7頁，共38頁，202

4、2年，5月20日，6點12分，星期五 3、傳輸失真 定義 無線電波通過媒質時產生的信號畸變稱為失真，包括振幅失真和相位失真。 衰落和失真 如果只有信號衰落而沒有失真，理論上可以通過理想的放大器完全恢復原始信號。如果產生了失真，就不能實現。產生失真的原因：媒質的色散效應，隨機多徑傳輸效應。 色散效應 載有信號的無線電波都占據一定的頻帶，不同頻率的無線電波在媒質中的傳播速度有差別，因此到達接收天線時不能嚴格保持原來的相位關系，從而引起信號的失真。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 多徑效應 多徑效應使接收端獲得的是多個不同幅度、相位信號的迭加，因此會同時產生幅度和相位失真

5、。 設接收點的場是兩條路徑傳來的相位差為=的兩個電場的矢量和。最大的傳輸時延與最小的傳輸時延的差值定義為多徑時延。對所傳輸信號中的每個頻率成分, 相同的值引起不同的相差。例如對f1，若1=1=, 則因二矢量反相抵消, 此分量的合成場強呈現最小值；而對f2, 若2=2=2, 則因二矢量同相相加, 此分量的合成場強呈現最大值。 多徑效應引起信號的頻率選擇性衰落，如圖7-2。 顯然, 若信號帶寬過大, 就會引起較明顯的失真。所以一般情況下, 信號帶寬不能超過1/（相關帶寬）。第9頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五圖7-2 多徑傳輸效應第10頁，共38頁，2022年，5月20日，

6、6點12分，星期五 4、電波傳播方向的變化 電波在無限大的均勻、線性媒質內沿直線傳播。 然而電波傳播實際所經歷的空間場所是復雜多樣的： 不同媒質的分界處將使電波折射、反射； 媒質中的不均勻體如對流層中的湍流團使電波產生散射； 球形地面和障礙物將使電波產生繞射； 特別是某些傳輸媒質的時變性使射線軌跡隨機變化，使得到達接收天線處的射線入射角隨機起伏，使接收信號產生嚴重的衰落。 第11頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五7.2 視距傳播一、定義 視距傳播：依靠發射天線與接收天線之間的直射線進行的傳播方式。 主要用于超短波和微波波段的電波傳播。地面通信、衛星通信以及雷達等都可以采用

7、這種傳播方式。二、視線距離 1、地球曲率對視線距離的影響 設發射天線高度為h1、接收天線高度為h2，由于地球曲率的影響，兩個天線之間的視線距離（相互看得見）為： 第12頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五圖7-3 視線距離第13頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 2、大氣折射率對視線距離的影響 大氣層是非均勻媒質，介電常數和折射率是高度的函數，隨高度的增加而減小。 大氣折射率的變化使電波射線向下彎曲，有利于電波實現更遠距離的傳播。 如果考慮大氣折射率的影響，視距傳輸距離需要修正。第14頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五三、大氣對電

8、波的衰減 大氣對電波的衰減主要來自兩個方面： 1、熱吸收和諧振吸收：云、霧、雨等小水滴對電波的熱吸收與小水滴的濃度有關；水分子、氧分子對電波的諧振吸收與工作波長有關。 2、散射衰減：云、霧、雨等小水滴對電波的散射, 散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比，與波長的四次方成反比。 工作波長短于5cm時，就應該考慮大氣層對電波的衰減，工作波長短于3cm時，大氣層對電波的衰減將趨于嚴重。 第15頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五四、反射波的影響 1、概念 視距傳播中，除了直射波外，還存在從發射天線經由地面反射到達接收天線的反射波，接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。 當波長較大、

9、投射角很小時，光滑地面的反射系數接近于1。 2、結論 當工作波長和收、發天線間距不變時, 接收點場強隨天線高度h1和h2的變化在零值與最大值之間波動。第16頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 工作波長和天線高度h1和h2都不變時, 接收點場強隨兩天線間距的增大而呈波動變化，間距減小，波動范圍減小。衰減因子天線高度距離接收點場強隨天線高度和距離的變化曲線第17頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 當兩天線高度h1和h2和間距d不變時, 接收點場強隨工作波長呈波動變化。 衰減因子接收點場強隨工作波長的變化曲線第18頁，共38頁，2022年，5月20日，6點

10、12分，星期五五、總結 總之，在微波視距通信設計中，為使接收點場強穩定，希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路徑的設計和選擇時，要盡可能地利用起伏不平的地形或地物，使反射波場強削弱或改變反射波的傳播方向，使其不能到達接收點，以保證接收點場強穩定。 第19頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五7.3 天波傳播一、概念 天波傳播：指發射天線發出的電波在高空被電離層反射后到達接收點的傳播方式，主要用于中波和短波波段。 二、大氣層介紹第20頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五第21頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五三、電離層概況 1、產生

11、 電離層主要是由于高層大氣分子吸收太陽輻射能量后電離而產生的，主要電離源是太陽紫外線。 電離特性可用電子密度衡量。 2、電子密度分布特性 電離層的高度從60km到1000km，電子密度分布不均勻：電子密度先隨著高度的增加而增大，隨后逐漸減小。電子密度的分布與空氣分子密度相關。第22頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 3、電離層的變化規律 太陽是電離層的主要能源，電離層的狀態與陽光照射情況密切相關。 日夜變化：日出后電子密度不斷增加，到正午后達到最大值，以后又逐漸減小。夜間沒有照射，電子和正離子復合使D層消失。 季節變化：夏季的電子密度大于冬季（ F2層例外）。 隨太陽黑子

12、11年周期的變化：黑子數目增加時，太陽輻射的能量增強，因而各層電子密度增大 。 隨地理位置變化：地理位置不同，太陽光照強度也不相同。赤道附近電子密度最大，越靠近兩極電子密度越小。第23頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五四、 無線電波在電離層中的傳播 1、反射的原理 由公式可得：電波進入電離層后，隨著高度的增加，電子密度增加，折射率減小。 電波每通過一層薄片就發生一次折射，當薄片數目無限增多時，電波傳播的軌跡變成一條光滑的曲線。 電波連續下折，直至到達某一高度處電波開始折回地面。 電離層對電波的反射實質上是電波在電離層中連續折射的結果。第24頁，共38頁，2022年，5月2

13、0日，6點12分，星期五圖 7 10 電離層對電波的連續折射第25頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 2、電離層反射能力與頻率的關系 由公式可得：頻率越低，折射率隨電子密度的變化越顯著。電離層反射能力越強。入射角一定時，頻率越低越容易反射 。 頻率越低，電波進入電離層的深度就越小： 長波在D層反射，由于夜晚D層消失，長波將在E層反射； 中波在E層反射，由于白天D層對中波吸收較大，故中波僅在夜間由E層反射； 短波將在F層反射； 超短波、微波則可以穿透電離層。因此存在最高可用頻率。第26頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 3、電離層反射與入射角的關系 當

14、電波頻率一定時，反射與入射角的關系： 入射角較大時：角度越大，越易反射，反射后可到達的距離越遠。 入射角較小時：角度越小，進入電離層的深度就越大，傳輸距離越遠。當小于某一臨界角時，電波將穿透電離層。 因此，在以發射天線為中心，一定半徑的區域內，不能有天波到達，稱為天波靜區。第27頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 4、多徑效應 不同角度入射的電波，入射深度不一樣，在不同高度被反射，可能到達同一接收點，稱為多徑傳輸。 多徑傳輸使接收場強為多個場強的迭加，引起多徑衰落。 5、最佳工作頻率 為了減小電波傳播過程中電離層的吸收損耗，希望使用較高的工作頻率。 但工作頻率過高時，入射

15、到電離層的深度很大，大大增加了電離層中的傳播距離，增大了電離層對電波的衰減。 通常選擇最佳工作頻率為：fopt=0.85fmax。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 總之，天波傳播有以下特點： 頻率的選擇很重要, 頻率太高, 電波穿透電離層射向太空; 頻率太低, 電離層吸收太大, 以致不能保證必要的信噪比。 因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個頻率的確定, 不僅與年、月、日、時有關, 還與通信距離有關。 同樣的電離層狀況, 通信距離近的, 最高可用頻率低, 通信距離遠的, 最高可用頻率高。顯然, 為了通信可靠, 必須在不同時刻使用不同的頻率。 但為了避免換頻

16、的次數太多, 通常一日之內使用兩個（日頻和夜頻）或三個頻率。 天波傳播的隨機多徑效應嚴重, 多徑時延較大, 信道帶寬較窄。因此, 對傳輸信號的帶寬有很大限制, 特別是對于數字通信來說, 為了保證通信質量, 在接收時必須采用相應的抗多徑措施。 第29頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 天波傳播不太穩定, 衰落嚴重, 在設計電路時必須考慮衰落影響, 使電路設計留有足夠的電平余量。 電離層所能反射的頻率范圍是有限的, 一般是短波范圍。 由于波段范圍較窄, 因此短波電臺特別擁擠, 電臺間的干擾很大，尤其是夜間；由于電離層吸收減小, 電波傳播條件有所改善, 臺間干擾更大。 由于天波

17、傳播是靠高空電離層的反射, 因而受地面的吸收及障礙物的影響較小, 也就是說這種傳播方式的傳輸損耗較小, 因此能以較小功率進行遠距離通信。 天波通信, 特別是短波通信, 建立迅速，機動性好, 設備簡單, 是短波天波傳播的優點之一。 第30頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五7.4 地 面 波 傳 播一、概念 無線電波沿地球表面傳播的傳播方式稱為地面波傳播。 當天線低架于地面，且最大輻射方向沿地面時，主要是地面波傳播。 在長、中波和短波的低頻段(幾K幾MHz)常用這種傳播方式。 二：地面波不宜采用水平極化方式 電場為水平極化時，電場平行地面，傳播中在地面上引起較大的感應電流，致

18、使電波產生很大的衰減。 一般只采用垂直極化方式。第31頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五三、波前（等相位面）傾斜現象 一直立天線輻射垂直極化波，電波能量沿z軸方向即沿地表面傳播，其輻射電磁場為E1x和H1y。 某一瞬間E1x位于A點時，地面上必然感應出電荷。當波向前傳播時，便產生了沿z方向的感應電流，由于大地是半導電媒質，有一定的地電阻，故在z方向產生電壓降，也即在z方向產生新水平分量E2z。 由于邊界電場切向分量連續，即存在E1z，這樣靠近地面的合成場E1就向傳播方向傾斜。 坡印廷矢量的方向向地面發生傾斜，出現了垂直于地面向地下傳播的功率流密度S1x，這部分電磁能量被大

19、地所吸收引起衰減。地面吸收越大，S1x越大，傾斜將越嚴重。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五第33頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五四、地表面波傳播的特點 1、損耗特性 垂直極化波沿非理想導電地面傳播時，由于大地對電波能量的吸收作用，產生了沿傳播方向的電場縱向分量Ez1，因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況； 地面的電導率越小或電波頻率越高，Ez1越大，損耗越大； 地面波傳播主要用于長、中波傳播； 短波和米波小型電臺采用這種傳播方式工作時，只能進行幾千米或十幾千米的近距離通信。 海水的電導率比陸地的高，因此在海面上要比陸地上傳得遠的多。第34頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五 2、波前傾的應用 由于Ex1遠大于Ez1，故在地面上采用直立天線接收較為適宜。但在某些場合，由于受到條件的限制，也可以采用低架水平天線接收。 3、傳輸質量穩定 由于地表面的電性能及地貌、地物等并不隨時間很快地變化，并且基本上不受氣候條件的影響, 因此信號穩定, 這是地面波傳播的突出優點。第35頁，共38頁，2022年，5月20日，6點12分，星期五7