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1、天线天线 与电波传播与电波传播第第6章电波章电波传播概论传播概论 6.1电波传播的基本概念电波传播的基本概念 1.无线电波在自由空间的传播无线电波在自由空间的传播 天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为P瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为 功率流密度又可以表示为202(/)4pSw mrs（6-1-1）天线天线 与电波传播与电波传播2001Re()2120EsEHn由此,离天线为r处的电场强度E0值为 rPE300 又假设发射天线是一实际天线,其辐射功率仍为P,设它的输入功率为Pi,若以Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天线r处的最大辐射方向上的场强

2、为rGPEii300（6-1-2）（6-1-3）（6-1-4）天线天线 与电波传播与电波传播 如果接收天线的增益系数为GR,有效接收面积为Ae,则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率为44220RiieRGrGpASp 将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗:RiRibfGGrpPL14将上式取对数得 RibfppLlg10)()()(lg20)(lg2045.32dBGdBGkmrMHZfRi（6-1-5）（6-1-6）（6-1-7）天线天线 与电波传播与电波传播 由上式可见:若不考虑天线的因素,则自由空间中的传输损耗,是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩散而引

3、起的,它反映了球面波的扩散损耗。2.传输媒质对电波传播的影响传输媒质对电波传播的影响 (1)传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下,设接收点的实际场强E、功率PR，而自由空间的场强为E0、功率为PR，则信道的衰减因子A为天线天线 与电波传播与电波传播RRPpEEdBAlg10lg20)(0则传输损耗Lb为)(lg10lg10lg10dBALpPpPpPLbfRRRiRib 若不考虑天线的影响,即令G

4、i=GR=1,则实际的传输损耗为)()(lg20)(lg2045.32dBAkmrMHzfLb 式中,前三项为自由空间损耗Lbf；A为实际媒质的损耗。不同的传播方式、传播媒质,信道的传输损耗不同。（6-1-8）（6-1-9）（6-1-10）天线天线 与电波传播与电波传播表6-1 电磁干扰的分类天线天线 与电波传播与电波传播 (2)衰落现象 所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。根据引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收

5、作用。由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号的衰落。由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,如图 6-1(a)所示。慢衰落通常是指信号电平的中值（五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的起伏变化。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 1 衰落现象天线天线 与电波传播与电波传播 干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中,由于收、发两点间存在若干条传播路径,典型的如天波传播、不均匀媒质传播等，在这些传播方式中,传输媒质具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短,信号电平变化很快,故

6、称为快衰落,如图 6-1(b)所示。这种衰落在移动通信信道中表现得更为明显。快衰落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内观察时,前者表现明显,后者不易被察觉。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）来加以克服。天线天线 与电波传播与电波传播 (3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据一定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成分传播速度不同,

7、因而不能保持原来信号中的相位关系,引起波形失真。至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体信道的传输情况而定。天线天线 与电波传播与电波传播 多径传输也会引起信号畸变。这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。设接收点的场是两条路径传来的相位差为=的两个电场的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。对所传输信号中的每个频率成分,相同的值引起不同的相差。例如对f1，若1=1=,则因二矢量反相抵消,此分量的合成场强呈现最小值；而对f2,若2=2=2,则因二矢量同相相加,此分量的合成场强呈现最大值，如图6-

8、2(b)所示。其余各成分依次类推。显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。所以一般情况下,信号带宽不能超过1/。因此，引入相关带宽的概念，定义相关带宽:天线天线 与电波传播与电波传播图6-2 多径传输效应天线天线 与电波传播与电波传播1f (4)电波传播方向的变化 当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的:不同媒质的分界处将使电波折射、反射;媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号产生严

9、重的衰落。因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变化也是重要内容之一。天线天线 与电波传播与电波传播6.2 视距传播视距传播 所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。它主要用于超短波和微波波段的电波传播。1.视线距离视线距离 设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图6-3）,由于地球曲率的影响,当两天线A、B间的距离rrv时,两天线互相“看得见”,当rrv时,天线天线 与电波传播与电波传播图6-3 视线距离天线天线 与电波传播与电波传播 两天线互相“看不见”,距离rv为收、发天线高

10、度分别为h2和h1时的视线极限距离,简称视距。图6-3 中,AB与地球表面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式:)(221hharv将地球半径a=6.370106m代入上式,即有32110)(57.3hhrv 式中，h1和h2的单位为米。视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电波产生折射与衰减。由于大气层是非均匀媒质,其压力、温度与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数。（6-2-1）（6-2-2）天线天线 与电波传播与电波传播 在标准大气压下,大气层的介电常数r随高度增加而减小，并逐渐趋近于1,因此大气层的折射率n=随高度的增加而减小。若将大气层分成许多薄片层,每一

11、薄层是均匀的,各薄层的折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图 6-4 所示。当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公式应修正为r)(10)(12.4)(232121mhhhharev 在光学上,rrv的区域称为照明区,rrv的区域称为阴影区。（6-2-3）天线天线 与电波传播与电波传播图 6-4 大气层对电波的折射天线天线 与电波传播与电波传播 于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学的观点划分区域。通常把r0.8rv的区域称为照明区,将r1.2rv的区域称为阴影区,而把0.8rvr

12、1.2rv的区域称为半照明半阴影区。2.大气对电波的衰减大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比。天线天线 与电波传播与电波传播 当工作波长短于5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,尤其当工作波长短于3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重。就云、雾、雨、雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最为严重,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可

13、观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。3.场分析场分析 在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图6-5所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 5 直射波与反射波dh1h2h1z天线天线 与电波传播与电波传播 设h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收、发天线间距,E为接收点场强,E1为直射波,E2为反射波。根据上面的分析,接收点的场强为 E=E1+E2 E1=E 0 f()rejkrE2=RE0f()rerjk 式中,R为反射点处的反射系数,R=|

14、R|e j,f()为天线方向函数。如果两天线间距离dh1,h2,则有（6-2-4）（6-2-5）天线天线 与电波传播与电波传播=FrefEaEjkr)(0)(1rrkjeRF式中，而dhhdhhdhhrr2121222122)(2)(将其代入式（6-2-7）得)/(2121dhhkjeRF当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有 RHRV1（6-2-7）（6-2-6）（6-2-8）（6-2-9）天线天线 与电波传播与电波传播式中,RH为水平极化波的反射系数;RV垂直极化波的反射系数。对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的（通常小于1）,所以有)2sin(2121/221dhheFdh

15、hjk 由上式可得到下列结论:当工作波长和收、发天线间距不变时,接收点场强随天线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间波动，如图 6-6 所示。当工作波长和两天线高度h1和h2都不变时,接收点场强随两天线间距的增大而呈波动变化,间距减小，波动范围减小，如图6-7所示。（6-2-10）天线天线 与电波传播与电波传播图 6 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 6 7 接收点场强随间距d的变化曲线天线天线 与电波传播与电波传播 当两天线高度h1和h2和间距d不变时,接收点场强随工作波长呈波动变化，如图 6-8 所示。总之,在微波视距通信设计中,为使接收点场强稳定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在

16、通信信道路径的设计和选择时,要尽可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波场强削弱或改变反射波的传播方向,使其不能到达接收点,以保证接收点场强稳定。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 8 接收点场强随工作波长的变化曲线天线天线 与电波传播与电波传播6.3 天波传播天波传播 天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,有时也称电离层电波传播,主要用于中波和短波波段。1.电离层概况电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为D,E,F1,F2

17、四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 6-9所示。电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照密切相关白天大,晚间小,而且晚间D层消失;电离层电子密度又随四季不同而发生变化。除此之外,太阳的骚动与黑子活动也对电离层电子密度产生很大影响。天线天线 与电波传播与电波传播图 6-9 电离层电子密度的高度分布 天线天线 与电波传播与电波传播 2.无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为28.801

18、fNer其折射率为18.8012fNne式中,f为电波的频率。（6-3-1）（6-3-2）天线天线 与电波传播与电波传播 当电波入射到空气电离层界面时,由于电离层折射率小于空气折射率,折射角大于入射角,射线要向下偏折。当电波进入电离层后,由于电子密度随高度的增加而逐渐减小,因此各薄片层的折射率依次变小,电波将连续下折,直至到达某一高度处电波开始折回地面。可见,电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。如图 6-10,在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1=ni sini式中,n0为空气折射率,n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。设电波在第i层

19、处到达最高点,然后即开始折回地面,则将i=90代入上式得（6-3-3）天线天线 与电波传播与电波传播图610 电离层对电波的连续折射天线天线 与电波传播与电波传播208.801sinfNnii0sec8.80iNf 上式揭示了天波传播时,电波频率f(Hz)与入射角0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。由此引入下列几个概念:（1）最高可用频率 由式（6-3-5）可求得当电波以0角度入射时,电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为0maxmaxsec8.80Nf（6-3-5）（6-3-4）（6-3-6）天线天线 与电波传播与电波传播式中,Nmax为电离层的最大电子密度。也就

20、是说,当电波入射角0一定时,随着频率的增高,电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时,由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度,因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，见图 6-11 所示,这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。（2）天波静区 由式（6-3-4）可得电离层能把频率为f(Hz)的电波“反射”回来的最小入射角0 min为天线天线 与电波传播与电波传播图 611 0 一定而频率不同时的射线0f1f2f3 fmaxf3 f2 f1天线天线 与电波传播与电波传播2maxmin08.801arcsinfN 这就是说，当电波频率一定时,射线对电离层的入射角0越小,电波

21、需要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来,且通信距离越近，如图 6-12 的曲线“1”、“2”所示；但当0继续减小时,通信距离变远,如图 6-12 中的曲线“3”;当入射角00 min时,则电波能被电离层“反射”回来所需的电子密度超出实际存在的Nmax值,于是电波穿出电离层,如图6-12中的曲线“4”。由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,使得以发射天线为中心的、一定半径的区域内就不可能有天波到达,从而形成了天波的静区。（6-3-7）天线天线 与电波传播与电波传播图 6 12 频率一定时通信距离与入射角的关系 0静区23 11 2 3 44天线天线 与电波传播与电波传播 （3）多

22、径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线,各根射线的入射角稍有不同,它们将在不同的高度上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点（图 6-13）,这种现象称为多径传输。电离层的电子密度随气候不时发生起伏,引起各射线路径也不时变化,这样,各射线间的波程差也不断变化,从而使接收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点场强的起伏变化称为多径效应。正如本章前面所述,多径效应造成了信号的衰落。（4）最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量,使电波发生衰减,但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 13 多径效应天线天线 与电波传播与电波

23、传播 因此，为了减小电离层对电波的吸收,天波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作频率过高时,电波需到达电子密度很大的地方才能被“反射”回来,这就大大增长了电波的电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减。为此,通常取最佳工作频率fopt为 fopt=0.85fmax 还需要注意的是,电离层的D层对电波的吸收是很严重的,夜晚,D层消失,致使天波信号增强,这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。总之,天波通信具有以下特点:（6-3-8）天线天线 与电波传播与电波传播 频率的选择很重要,频率太高,电波穿透电离层射向太空;频率太低,电离层吸收太大,以致不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必

24、须选择在最佳频率附近。而这个频率的确定,不仅与年、月、日、时有关,还与通信距离有关。同样的电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,最高可用频率高。显然,为了通信可靠,必须在不同时刻使用不同的频率。但为了避免换频的次数太多,通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。天波传播的随机多径效应严重,多径时延较大,信道带宽较窄。因此,对传输信号的带宽有很大限制,特别是对于数字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必须采用相应的抗多径措施。天线天线 与电波传播与电波传播 天波传播不太稳定,衰落严重,在设计电路时必须考虑衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。电离层所能反射的频率范围是有限

25、的,一般是短波范围。由于波段范围较窄,因此短波电台特别拥挤,电台间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸收减小,电波传播条件有所改善,台间干扰更大。由于天波传播是靠高空电离层的反射,因而受地面的吸收及障碍物的影响较小,也就是说这种传播方式的传输损耗较小,因此能以较小功率进行远距离通信。天波通信,特别是短波通信,建立迅速，机动性好,设备简单,是短波天波传播的优点之一。天线天线 与电波传播与电波传播6.4 地地 波波 传传 播播 无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播,当天线低架于地面,且最大辐射方向沿地面时,这时主要是地面波传播。在长、中波波段和短波的低频段（103106 Hz)均可用这种

26、传播方式。设有一直立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿地面传播时,若大地是理想导体,则接收天线接收到的仍是垂直极化波（图 6-14）。实际上,大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变为椭圆极化波,如图 6-15所示。显然,波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸收程度。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 14 理想导电地面的场结构天线天线 与电波传播与电波传播图 6 15 非理想导电地面的场结构天线天线 与电波传播与电波传播 从以上知识可以得

27、到如下结论:垂直极化波沿非理想导电地面传播时,由于大地对电波能量的吸收作用,产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高,Ez1越大,说明传播损耗越大。因此,地面波传播主要用于长、中波传播,短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时,只能进行几千米或十几千米的近距离通信。海水的电导率比陆地的高,因此在海面上要比陆地上传得远的多。地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合,由于受到条件的限制,也可以采用低架水平天线接收。天线天线 与电波传播与电波传

28、播 地面波由于地表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化,并且基本上不受气候条件的影响,因此信号稳定,这是地面波传播的突出优点。应该指出,地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关系。大多数地质情况下,大地的磁导率0,很难存在横电波模式，因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的。根据横磁波存在的各场分量Ex1,Ez1,Hy1,其电场分量在入射平面内,故称为垂直极化波。换句话说,只有垂直极化波才能进行地面波传播。天线天线 与电波传播与电波传播表6-2 地面的电参数天线天线 与电波传播与电波传播表6-3 各种地质（）值060/r 天线天线 与电波传播与电波传播6.5 不均匀媒质的散射传播不均匀

29、媒质的散射传播 除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播。电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射,散射波的一部分到达接收天线处（图6-16）,这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。电离层散射主要用于 30100MHz频段,对流层散射主要用于100 MHz以上频段。就其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性；就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。天线天线 与电波传播与电波传播图 6 16 不均匀媒质传播天线天线 与电波传播与电波传播 对流层是大气的最低层,通常是指从

30、地面算起至高达135千米的区域,在太阳的辐射下，受热的地面通过大气的垂直对流作用,对流层升温。一般情况下,对流层的温度、压强、湿度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小尺度起伏,形成了不均匀的介质团。当超短波、短波投射到这些不均匀体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,将入射的电磁能量向四面八方再辐射。于是电波就到达不均匀介质团所能“看见”但电波发射点却不能“看见”的超视距范围。电磁波的这种无规则、无方向的辐射,即为散射,相应的介质团称为散射体,如图 7-16 所示。对于任一固定的接收点来说,其接收场强就是收发双方都能“看见”的那部分空间收、发天线波束相交的公共体积中的所

31、有散射体的总和。通过上述分析,可以看出对流层散射传播具有下列特点:天线天线 与电波传播与电波传播 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,一般超过200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随机的。这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落。这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。这种传播方式的优点是:容量大,可靠性高,保密性好,单跳跨距达300800 km,一般用于无法建立微波中继站的地区,如

32、用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。天线天线 与电波传播与电波传播天线天线 与电波传播与电波传播第第6章章 电波传播电波传播 无线电波是通过发射天线和接收天线之间的大气媒质进行传播的。大气媒质的情况,和讨论天线时情况并不一样。大气媒质实际上是非理想的对流层,平流层,电离层等,并且以导电的地球表面作为它的边界。大气层和地表面的各种情况对于电波的传播产生着各种不同的影响。电波可以有下列几种传播方式(见图61):天线天线 与电波传播与电波传播 (1)表面波传播:电波沿着地球表面传播到接收点。(2)自由空间传播:忽略地面的效应,电波由发射天线直接传播到接收点,由于媒质的不均匀性,传播路线可以有某

33、些弯曲。(3)空间波传播:地面的效应反映为存在地面反射波,到达接收点的电波是由空间直射波和地面反射波共同作用相干涉的结果。(4)天波传播:电波通过高空电离层的反射传播到接收点。(5)散射波传播:电波通过空间大气对流层或电离层中介质的不均匀性对电波的散射作用而传播到接收点。天线天线 与电波传播与电波传播 图61 天线天线 与电波传播与电波传播 图61 天线天线 与电波传播与电波传播 一,表面波传播 地表面像导电体一样,也有引导电磁波传播的能力。表面波就是沿着地表面传播的电磁波。表面波在传播的过程中能量被地面所吸收。吸收衰减速度的大小与电磁波的频率,极化,土壤的性质(海水,干土,湿土等)以及传播距

34、离等有关。图62所示为地面上垂直短振子天线辐射1kW功率的电磁波并沿着地面传播时,电场强度随距离的变化曲线。图中横坐标是离发射机的距离(km),纵坐标是信号电场强度有效值相对于1V/m的分贝数,即()20lg(/)E dBEV m(61)天线天线 与电波传播与电波传播 当辐射功率或天线性能变化时,可按下式计算EE PD(62)式中E是辐射功率为1kW时,垂直短振子 天线辐射时的电场强度值 P是实际辐射功率的千瓦数 D是实际天线相对于垂直短振子天线的 方向性系数。天线天线 与电波传播与电波传播 图 62(=4=0。01m)天线天线 与电波传播与电波传播 二,电波在自由空间的传播 1。自由空间通信

35、系统的最大通信距离 在图63(a)或(b)的通信线路中,在T点设有通信发射机,R点设有通信接收机(不考虑地面效应),PT为发射机输出功率,天线和发射机匹配。发射天线的增益为GT,归一化方向性函数fT(T,T),则在接收方向离T为r处的能流密度为 22(,)4TTSTTTP GPfr(63)天线天线 与电波传播与电波传播图 63 天线天线 与电波传播与电波传播 若R处接收天线增益为GR,归一化方向性函数fR(R,R),有效面积为se,工作波长为,则由24ReGs(64)可得电路匹配时,输往接收机的功率PR为222(,)(,)(4)TTRTTTTRRRP G GfPr (65)天线天线 与电波传播

36、与电波传播 最大通信距离应保证这一输出功率大于接收机的灵敏度即大于接收机能接收的最小输入功率PRmin,并使接收机输入端有足够的信号噪声比。因此由条件 PRPrmin (66)可求出最大通信距离 maxmin(,)(,)4TTTRRRTTRrfFPrG GP(67)天线天线 与电波传播与电波传播 2。自由空间雷达站的最大作用距离 在图64(a)或(b)为定位系统中,T点设有雷达站,距离为r处的A点存在目标,f(,)为天线的归一化方向性函数,则在目标位置处功率流密度为22(,)4rsPGfPr(68)天线天线 与电波传播与电波传播天线天线 与电波传播与电波传播 目标可视为再辐射体,由目标物向雷达

37、站来波方向的散射面积参量用来表示(常称后向散射面积),这时,我们把目标的辐射场看作是假想功率为Ps(Ps到达目标处的功率流密度)的不定向辐射体的再辐射场,它在雷达站位置上所建立的功率流密度与目标所建立的功率流密度是一致的。因此返回到雷达站的功率密度Ps可写为 24SsPPr(69)天线天线 与电波传播与电波传播 通常雷达站的接收天线和发射天线由同一付天线完成,因此接收有效面积仍可由发射时天线的参量G来表示 24sGS(610)可得输往接收机的功率为224222(,)(,)4(4)TRSeP GfPP S fr (611)这一公式称为雷达方程。天线天线 与电波传播与电波传播 雷达站的最大作用距离

38、应保证输入到接收机的功率大于接 收机的灵敏度PRmin,可解出最大作用距离:224max3min(,)64TRP GfP (612)由此可见,由于雷达站收发共用一付天线,提高天线的增益对增加作用距离的效果,将比单独提高发射机功率或接收机灵敏度更为有效。173()(,)()TTTTP kW GEkm(613)天线天线 与电波传播与电波传播 式中GT(T,T)代表天线在(T,T)方向的增益系数,当媒质不是理想的自由空间,还存在各种因素引起的其他衰减时,将式(613)乘上一个衰减因子F,即173()(,)()TTTTP kW GEFr km(614)在通信线路的设备中,还常把式(65)写为 241(

39、)TrTRPrPG G(615)天线天线 与电波传播与电波传播 对于通信系统可认为fT,fR值均为1,当主向不对准时,式(6 1 5)仍 可 成 立,只 要 把 GT,GR理 解 为GT(T,T)GR(T,T)即可,对式(615)两边取对数用分贝数表示时可写为410lg20lg()()sTRrLFGdBGdB(616)当通信系统还存在各种其它因素引起的效应时,可把式(614)中的衰减因子也取用分贝数(20lgF)。式(616)应为420lg20lg()()sTRrLFGdBGdB(617)天线天线 与电波传播与电波传播 三,空间波传播 当发射机发出的电波,经地面反射到接收点处的场强值可与直射波

40、的场强值相比拟时,地面的效应必须考虑,这时接收点上的场强值可认为是直射波场强和地面反射波场强相干涉的结果。把地面看成是平坦地面时,空间波传播的线路如图65所示。此时应满足下述条件:天线的架设高度h1,h2远大于波长,使表面波成分可以忽略通信距离r远大于天线的架设高度h1,h2。天线天线 与电波传播与电波传播图 65 天线天线 与电波传播与电波传播 现在我们来引出空间波传播时的场强计算公式。为此先计算直射波和反射波的路程差。直射波路线 长度应为(见图65)TR2212()TRrhh(618)反射波路线长度 应为 TOR2212()TORrhh(619)因此路程差r为221 2122291)2hh

41、h hrrr(620)天线天线 与电波传播与电波传播 路程差引入的相位差为221 212224(1)2rhhhhrr(621)当h1,h2r时 1 24 hhr(622)天线天线 与电波传播与电波传播 其次讨论反射波在反射点“o”处的地面效应。由于实际工作时,角极小,并且假定地面为理想导体,对入射波的垂直极化分量(ER),它的反射系数同水平极化分量(ER)一致,也是“-1”,反射点处的效应仅仅是引入了相位差。最后也是由于极小,在接收点R处入射波和反射波的极化方向对垂直极化波也可看成完全一致,于是接收处的电场强度的方向与入射波方向相一致,合成场强值为1 24/()1jh hrdrdEEEEe(6

42、23)天线天线 与电波传播与电波传播 式中Ed为直射波电场强度值Er为反射波电场强度值E为干涉波合成电场强度值。当h1,h2r/18时,式(624)中正弦值可用宗量代替,可得出计算接收点电场强度的公式为122()()2.18()(/)()()h m h mEP kW DmV mrkmm(625)式中P为辐射功率D为发射天线的方向性系数。天线天线 与电波传播与电波传播图 66 天线天线 与电波传播与电波传播 四,对流层对空间波传播的影响 从地球表面起高度约810km的大气层称为对流层,对流层是均匀理想的介质。实际上在对流层中由于温度,气压及湿度等均随高度而变化,使介质的相对介电常数也将随高度而变

43、化,这样引起在其中传播的电波发生折射,使电波传播线路发生弯曲。对流层大气的相对介电常数比1略大万分之几,因此,它对真空的折射率n也略大于1,把n与1的差值放大一百万倍,称为折射指数N,即 N=(n-1)106 (628)天线天线 与电波传播与电波传播 大气的折射指数约在260460之间变化,和气压P,绝对温度T,绝对湿度e有关系,关系式为77.64180()eNPTT(629)P,e,T值在正常大气层中都随高度而减小,故N值也随高度而减小,在标准大气层结构下(dN/dh)值为0.04/dNmdh(630)不同dN/dh情况时,引起电波折射的情况如表61及图67所示。天线天线 与电波传播与电波传

44、播表 61 天线天线 与电波传播与电波传播图 67 天线天线 与电波传播与电波传播 在分析各类折射问题中,常引用等效地球半径的概念,即保持电波射线与地面之间的相对曲率不变,将电波射线改为直线时,地球半径应有的大小。分析得出在标准折射时等效地球半径值为8500km,相当于地球半径值放大4/3倍,把这数值代入式(627)可得标准折射时的视距r0值为0124.12()()()rh mh mkm(631)对流层中的水汽对22。23GMz无线电信号有强吸收氧气对60GMz和120GMz的无线电信号有强吸收。天线天线 与电波传播与电波传播 五,天波传播 天波传播是指电波通过高空电离层的反射到达接收点的传播

45、方式,主要用于沟通短波无线电通信。本节只简单的介绍电离层的一些大致情况,以及对短波,超短波,微波传播的影响。天线天线 与电波传播与电波传播 对流层的上层为平流层,高度约为2080km,在这一层里大气的组成比较稳定,其中传播的电波可视为自由空间的直线传播。高度再增加时,大气的状况又发生了较大的变化,最主要的特征是气体分子或原子中的束缚电荷因太阳紫外线等照射后,被激发产生自由电子,构成了电离层。大气电离的程度以每单位体积内自由电子数来计算称为电子密度N。天线天线 与电波传播与电波传播 实际上,大气被电离后因存在的自由电荷而缺少了电子的正离子后,又因热运动使负离子再和正离子相撞而复合,所以电子密度N

46、值是指电离和复合实现动态平衡时的数值。由于大气成分及温度随高度的变化,以及产生电离因素的多样性,使得大气中电子密度的极大值发生在几个不同的高度上,每一极大值所在的范围叫做一层,分别用D,E,F1(常在夏季白天出现),F2层来表示。各层的大致情况见表62。天线天线 与电波传播与电波传播表 62 天线天线 与电波传播与电波传播 在了解电离层大致情况后,我们来定性介绍一下电波进入电离层后,电离层中的自由电子,将受电场力的作用而形成徙动电流,使得电离层的介电常数发生变化,分析得出电离后的相对介电常数为2180.8rNf(632)可见r和电离层各位置上电子密度相关,还和进入到电离层中电波频率有关,因此电

47、离层是一个不均匀的色散的媒质。天线天线 与电波传播与电波传播 电离层中的电子密度随高度而变化,所以无线电波在其中传播的路线不是直线,而是曲线。假定电离层是由许多厚度极薄的平行的薄片所组成,在每一薄片层中,电子密度是均匀的(见图68)。设第一层的电子密度为N1,第二层为N2,等等。且有0N1N2NnNmax,又设在电离层最下层,经过平流层向电离层投射的电波其频率为f1,入射角为0,电离层第n层的折射率为2180.8nnNnf(633)天线天线 与电波传播与电波传播 在层与层之间的分界面上,逐层应用折射定律得到 sin0=n1sin1=n2sin2=nnsinn (634)设在第n层入射角到达90

48、,即n=90时,这时电波将折向下行,下行轨迹和上行的入射轨迹相对称,可见在某n层上实现这一折射时,应满足关系式为02220200180.8sin180.880.8seccos9secnnnnNnfNfNcfN(635)(636)(637)天线天线 与电波传播与电波传播 由式可见,当入射角0固定时,随着频率的升高能使电波折射回来所需的N值逐渐增大,折射位置越来越深入到电离层N值较大的地方,最后穿透该电离层向更高的空间传播,如图69所示。由式还可见,当频率固定时,0值越小,也即电波对地面的仰角越大,能使电波折射回来所需的N值也越大,若要求的N值比电离层实际的最大电子密度值更大,则电波将穿透这一电离

49、层向更高的空间传播。如图610所示。天线天线 与电波传播与电波传播天线天线 与电波传播与电波传播天线天线 与电波传播与电波传播图 610 天线天线 与电波传播与电波传播 由图610还可见,对于某一通信距离OB,在某一确定频率时,一般情况下可由两条射线来沟通通信。但是这一频率对于另一通信距离OA却只存在一条射线,对于OA这一通信距离,降低入射角或升高入射角得到的通信距离会更远,如同时再升高频率的话当然也将更远。这一频率称为OA通信距离时的最高可用频率。天线天线 与电波传播与电波传播 在最大电子密度为Nmax的电离层上,能使电波折射回来的无线电波应满足max09cosNf(638)实现地面对于电离

50、层以上的空间通信,选用的频率就应满足 max09cosNf(639)天线天线 与电波传播与电波传播 六,散射波通信 散射波传播是近60年才发展起来的一种新的传播方式。一般认为是利用大气层中各种因素(温度,湿度,压力,电子密度)的局部剧烈的变化(湍流),从而崐出现介电常数的局部不均匀性而激发起来的。但由这种假定推出的结论和实践测出的数据不能完全相一致,而有待进一步的研究。天线天线 与电波传播与电波传播 散射通信的大致情况列于表63,和微波接力通信比较起来散射波通信有传播距离远,中继站少,可靠性高等优点,但相应需用大功率发射机,高增益天线,高灵敏度的接收机等。天线天线 与电波传播与电波传播表 63