1、5.1数字微波通信概述数字微波通信概述5.1.1数字微波通信发展简述数字微波通信发展简述微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空间同时传送若干相互无关的信息，并且还能进行再生中继。它具有传输间同时传送若干相互无关的信息，并且还能进行再生中继。它具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短和维护方便等特点，容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短和维护方便等特点，得到了广泛的应用。而建立在微波通信和数字通信基础上的数字微波通得到了广泛的应用。而建立在微波通信和数字通信基础上的数字微波通信，同时具有数字
2、通信和微波通信的优点，更是受到各国的普通重视。信，同时具有数字通信和微波通信的优点，更是受到各国的普通重视。因此数字微波中继通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输因此数字微波中继通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。的三大主要手段。根据所传输基带信号的不同，微波通信又分为两种制式。用于传输频分根据所传输基带信号的不同，微波通信又分为两种制式。用于传输频分多路一调频多路一调频(FDM-FM)基带信号的系统叫作模拟微波通信系统基带信号的系统叫作模拟微波通信系统;用于传输用于传输数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统。数字基带信号的系统叫作数字微波通信系统。下一页返回
3、5.1数字微波通信概述数字微波通信概述后者又进一步分为后者又进一步分为PITH微波和微波和SDH微波通信两种体制。微波通信两种体制。SDH微波通信微波通信系统是今后微波通信系统发展的主方向。系统是今后微波通信系统发展的主方向。不管是模拟微波通信还是数字微波通信，其微波通信最基本的特点可以不管是模拟微波通信还是数字微波通信，其微波通信最基本的特点可以概括为概括为6个字个字:“微波、多路、接力微波、多路、接力”。“微波微波”是指射频为微波频率，特点是微波工作频段宽，波段频率为是指射频为微波频率，特点是微波工作频段宽，波段频率为300 MHz300 GHz,波长为波长为1 m1 mm，它包括了分米波
4、、厘米波和毫，它包括了分米波、厘米波和毫米波米波3个频段。这个频段宽度几乎是长波、中波、短波及特高频等各个个频段。这个频段宽度几乎是长波、中波、短波及特高频等各个频段总和的频段总和的1 000倍，所以它可容纳较其他频段多得多的话路，而且不倍，所以它可容纳较其他频段多得多的话路，而且不致互相干扰。致互相干扰。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述由于微波频率高，波长短，微波通信一般使用面式天线。当面式天线的由于微波频率高，波长短，微波通信一般使用面式天线。当面式天线的日面积给定后，增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成高增日面积给定后，增益与波长的平方成反比，故微波通信很
5、容易制成高增益天线。当波长比周围物体的尺寸小得多时，电磁波近似于光波特性，益天线。当波长比周围物体的尺寸小得多时，电磁波近似于光波特性，可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很强的天线。可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，得到方向性很强的天线。例如，直径例如，直径3m的抛物面天线，当工作波长为的抛物面天线，当工作波长为=7.5 cm，天线效率，天线效率=0.6时，其天线增益可达时，其天线增益可达40 dB，相当于无方向性天线的发射功率提高了，相当于无方向性天线的发射功率提高了10 000倍。倍。此外，在微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子的变化基本上不起此外，在微波频段，
6、天电干扰和工业干扰及太阳黑子的变化基本上不起作用，而这些干扰对短波通信的影响却十分严重，所以微波通信的可靠作用，而这些干扰对短波通信的影响却十分严重，所以微波通信的可靠性和稳定性可以做得很高。性和稳定性可以做得很高。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述“多路多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。例如，对得很宽。例如，对4 GHz的设备而言，其通频带按的设备而言，其通频带按1%计算，可达计算，可达40 MHz，其所提供的带宽正符合，其所提供的带宽正符合ISDN所要求的宽带传输链路的要求。所要求
7、的宽带传输链路的要求。“接力接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。由于地球是是目前广泛使用于视距微波的通信方式。由于地球是i员员1的，的，加之地面上的地貌加之地面上的地貌(如山川如山川)所限，使得地球上两点所限，使得地球上两点(两个微波站两个微波站)间不被阻间不被阻挡的距离有限。为了可靠通信，一条长的微波通信线路就要在线路中间挡的距离有限。为了可靠通信，一条长的微波通信线路就要在线路中间设若干个中继站，采用接力的方式传输发送端的信息。设若干个中继站，采用接力的方式传输发送端的信息。近些年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，数字微波设备与近些年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，
8、数字微波设备与模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。而数字微波除了模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。而数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通信的特点。具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有数字通信的特点。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述(1)抗干扰性强，整个线路噪声不累积。经数字微波信道传输的数字信抗干扰性强，整个线路噪声不累积。经数字微波信道传输的数字信号，要经过微波中继站的多次转发，站上有对数字信号进行处理的再生号，要经过微波中继站的多次转发，站上有对数字信号进行处理的再生中继器。而再生中继器是采用抽样判决的办法来接
9、收每一个码元。经过中继器。而再生中继器是采用抽样判决的办法来接收每一个码元。经过一个中继段传输后，只要干扰噪声还没大到影响对信码错判的程度，经一个中继段传输后，只要干扰噪声还没大到影响对信码错判的程度，经过判决识别后，就可以把干扰噪声清除掉，再生出与发送端一样的过判决识别后，就可以把干扰噪声清除掉，再生出与发送端一样的“干干净净”波形，从而继续传输。这种再生作用使数字微波通信的线路噪声不波形，从而继续传输。这种再生作用使数字微波通信的线路噪声不逐站累积，提高了抗干扰性。而模拟微波通信的线路噪声是随线路长度逐站累积，提高了抗干扰性。而模拟微波通信的线路噪声是随线路长度增加而增加的，并且逐站累积的
10、。增加而增加的，并且逐站累积的。当然，一旦噪声干扰对数字信号造成了误码，在继续传输过程中被纠正当然，一旦噪声干扰对数字信号造成了误码，在继续传输过程中被纠正过来的可能性是很小的，所以误码被认为是逐站累积的。过来的可能性是很小的，所以误码被认为是逐站累积的。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述(2)保密性强，便于加密。数字信号本身就具有一定的保密性，又因为各保密性强，便于加密。数字信号本身就具有一定的保密性，又因为各种信号数字化后形成的信码，可采用不同的规律或方式，方便灵活地加种信号数字化后形成的信码，可采用不同的规律或方式，方便灵活地加进密码，在线路中传输，接收端再按相同的
11、规律解除密码，所以说这种进密码，在线路中传输，接收端再按相同的规律解除密码，所以说这种通信方式的保密性强。通信方式的保密性强。(3)器件位于固态化和集成化，设备体积小、耗电少。器件位于固态化和集成化，设备体积小、耗电少。(4)便于组成综合业务数字网便于组成综合业务数字网(ISDN)。数字微波的主要缺点是要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性数字微波的主要缺点是要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性衰落，其抗衰落技术比模拟微波中相应的技术要复杂。衰落，其抗衰落技术比模拟微波中相应的技术要复杂。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述5.1.2微波通信系统的组成微波通信系统
12、的组成1.系统组成系统组成一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波空一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及电波空间组成，如间组成，如图图5.1(a)所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号所示。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去或由电视台送来的视频及伴音信号，调制到微波频率上并发射出去;或者或者反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的反之，将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备，或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波视频信号及伴音
13、信号送往电视台。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站信号的转发和分路，所以中继站又分为中间站(不能上、下话路不能上、下话路)、分路、分路站和枢纽站站和枢纽站(能上、下话路能上、下话路)，如图，如图5.1(b)所示。所示。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述 2.微波收发信设备的组成微波收发信设备的组成(1)发信设备的组成。发信设备的组成。从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机(使用微波使用微波调相器调相器)和变频式发信机。中小容量的数字微波和变频式发信机。中小容量的数字
14、微波(480路以下路以下)设备可用前设备可用前一种方案。一种方案。下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如下面以一种典型的变频式发信机为例加以说明，如图图5.2所示。所示。发信设备的主要性能指标如下。发信设备的主要性能指标如下。工作频段。从无线电频谱的划分来看，通常把频率为工作频段。从无线电频谱的划分来看，通常把频率为0.3300 GHz的的射频称为微波频率。射频称为微波频率。输出功率。输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。输出功率。输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述频率稳定度。发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频
15、频率稳定度。发信机的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用率，用f0表示。表示。(2)收信设备的组成。收信设备的组成。数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两个部分。只包括射频和中频两个部分。数字微波通信系统的收信设备一般都采用超外差接收方式，其组成如数字微波通信系统的收信设备一般都采用超外差接收方式，其组成如图图5.3所示。所示。(3)收信设备的主要性能指标。收信设备的主要性能指标。工作频段。收信机是与发信机配合工作的。工作频段。收信机是与发信机配合工作的。收信本振的频率稳定度。接收
16、的微波射频的频率稳定度是由发信机决收信本振的频率稳定度。接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。定的。上一页 下一页返回5.1数字微波通信概述数字微波通信概述噪声系数。数字微波收信机的噪声系数一般为噪声系数。数字微波收信机的噪声系数一般为2.5 7 dB，比模拟微，比模拟微波收信机的噪声系数小波收信机的噪声系数小5 dB左右。左右。通频带。收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱通频带。收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱(的主要的主要成分成分)要占有一定的带宽。要占有一定的带宽。选择性。对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对选择性。对某个波道的收信机而言，要
17、求它只接收本波道的信号，对邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制邻近波道干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够的抑制能力，这就是收信机的选择性。能力，这就是收信机的选择性。收信机的最大增益。天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信收信机的最大增益。天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。机。由于受衰落的影响，收信机的输入电平在随时变动。自动增益控制范围。以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收自动增益控制范围。以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落信电平高于基准电平时，
18、称为上衰落;低于基准电平时，称为下衰落。低于基准电平时，称为下衰落。上一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播5.2.1无线电波频段的划分与传播方式无线电波频段的划分与传播方式发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达发射天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程，就称为无线电波传播。无线电波与可见光、接收天线的过程，就称为无线电波传播。无线电波与可见光、X射线及射线及Y射线一样都同属于电磁波，它们都是以电场和磁场为其特征的一种电磁射线一样都同属于电磁波，它们都是以电场和磁场为其特征的一种电磁振动。在电磁波频谱中，电磁波的频谱范围
19、极其宽阔，其频谱从几赫兹振动。在电磁波频谱中，电磁波的频谱范围极其宽阔，其频谱从几赫兹到到3 000 GHz(波长从几十兆米到亚毫米波长从几十兆米到亚毫米)，无线电波频段的划分如，无线电波频段的划分如表表5.1所示。其中，频率从所示。其中，频率从300 MHz3 000 GHz(波长从波长从1 m到到0.1 mm)的无线的无线电波是微波波段。电波是微波波段。任何一种信号传播系统都是由发送端、接收端和传输媒质几部分组成的。任何一种信号传播系统都是由发送端、接收端和传输媒质几部分组成的。无线电波从发送端到接收端必定要经历一定的传输媒质，这个经历的过无线电波从发送端到接收端必定要经历一定的传输媒质，
20、这个经历的过程也就是无线电波传播的过程。程也就是无线电波传播的过程。下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播最基本的传输媒质是地球及其周围附近的区域，主要有地表、对流层、最基本的传输媒质是地球及其周围附近的区域，主要有地表、对流层、电离层等。这些媒质的电特性对不同频段的无线电波的传播有着不同的电离层等。这些媒质的电特性对不同频段的无线电波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将无影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将无线电波的传播方式分为下列几种。线电波的传播方式分为下列几种。(1)地面波传播。无线电波沿着地球表面的传播
21、，称为地面波传播。其特地面波传播。无线电波沿着地球表面的传播，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，电波频率愈高，地回波随距离的增加衰减愈快。因点是信号比较稳定，电波频率愈高，地回波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。(2)天波传播。天波传播是指电波由高空电离层反射回来而到达地面接收天波传播。天波传播是指电波由高空电离层反射回来而到达地面接收点的这种传播方式。短波是利用天波进行远距离通信的。点的这种传播方式。短波是利用天波进行远距离通信的。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播(3)散射传播。散射
22、传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星散射传播。散射传播是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现远距离传播的。这种通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现远距离传播的。这种传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。(2)视距传播。视距传播是指在发射天线和接收天线间能相互视距传播。视距传播是指在发射天线和接收天线间能相互“看见看见”的的距离内，电波直接从发射端传送到接收端距离内，电波直接从发射端传送到接收端(有时包括有地面反射波有时包括有地面反射波)的一的一种传播方式，又称为直接波或空间波传播。微波波
23、段的无线电波就是以种传播方式，又称为直接波或空间波传播。微波波段的无线电波就是以视距传播方式来进行传送的。因为微波波段频率很高，波长很短，沿地视距传播方式来进行传送的。因为微波波段频率很高，波长很短，沿地面传播时衰减很大，投射到高空电离层时会穿过电离层而不能被反射回面传播时衰减很大，投射到高空电离层时会穿过电离层而不能被反射回地面。视距传播大体上可分为地面。视距传播大体上可分为3类情况。第一类是指地面上类情况。第一类是指地面上(如移动通信如移动通信和微波接力传输等和微波接力传输等)的视距传播的视距传播;第二类是指地面上与空中目标之间第二类是指地面上与空中目标之间(如与如与飞机、通信卫星等飞机、
24、通信卫星等)的视距传播的视距传播;第三类是指空间通信系统之间第三类是指空间通信系统之间(如飞机之如飞机之间、宇宙飞行器之间等间、宇宙飞行器之间等)的视距传播。的视距传播。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播5.2.2无线电波的基本性质无线电波的基本性质众所周知，无线电波是由随时间变化的电场和磁场组成的，电场与磁场众所周知，无线电波是由随时间变化的电场和磁场组成的，电场与磁场相互依存、相互转化，形成统一的时变电磁场体系。时变电磁场是以波相互依存、相互转化，形成统一的时变电磁场体系。时变电磁场是以波动的形式在空间存在和运动的，因此称为电磁波或无线电波。电磁波作动的形式在
25、空间存在和运动的，因此称为电磁波或无线电波。电磁波作为一种物质形式具有能量，当电磁波以波动的形式在空间运动和传播时，为一种物质形式具有能量，当电磁波以波动的形式在空间运动和传播时，电磁能量以能流的形式在空间中运动和转移，从而将信息能量从一点传电磁能量以能流的形式在空间中运动和转移，从而将信息能量从一点传到另一点。到另一点。无线电波的电场、磁场及电磁能流之间具有以下一些基本关系和基本性无线电波的电场、磁场及电磁能流之间具有以下一些基本关系和基本性质。质。(1)电场、磁场和能流传输方向电场、磁场和能流传输方向(即电波传输方向即电波传输方向)相互垂直，它们之间是相互垂直，它们之间是一个右手螺旋的关系
26、。一个右手螺旋的关系。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播即如果将右手除大拇指外的四个指头并拢从电场即如果将右手除大拇指外的四个指头并拢从电场E的方向转到磁场的方向转到磁场H的方的方向，则大拇指所指的方向就是电磁波传播的方向，也就是能流密度向，则大拇指所指的方向就是电磁波传播的方向，也就是能流密度5的的传输方向。传输方向。(2)电场强度电场强度E的大小与磁场强度的大小与磁场强度H的大小的比值是一个固定值，该值称的大小的比值是一个固定值，该值称为媒质的特性阻抗为媒质的特性阻抗(或波阻抗或波阻抗)，记为，记为ZC，即，即:(5.1)式中式中媒质的导磁率媒质的导磁率;媒质
27、的介电常数。媒质的介电常数。对于真空媒质，其特性阻抗约为对于真空媒质，其特性阻抗约为377。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播(3)电磁能流密度。空间任一点的能流密度电磁能流密度。空间任一点的能流密度S定义为定义为:某一时刻某一时刻t穿过该点穿过该点单位面积的功率。对于随时间做简谐变化的电磁波，经常使用平均能流单位面积的功率。对于随时间做简谐变化的电磁波，经常使用平均能流密度的概念。它是对能流密度在一个周期内求平均值。因此空间任一点密度的概念。它是对能流密度在一个周期内求平均值。因此空间任一点平均能流密度平均能流密度Say的定义为的定义为:在单位时间里通过单位面积
28、的平均功率在单位时间里通过单位面积的平均功率(W/m2),Say大小为大小为:(5.2)式中式中|E|电场强度的振幅值电场强度的振幅值;|H|磁场强度的振幅值。磁场强度的振幅值。(4)无线电波具有一定的极化形式。波的极化是指电场强度矢量在空间的无线电波具有一定的极化形式。波的极化是指电场强度矢量在空间的取向。波有取向。波有3种不同的极化形式。种不同的极化形式。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播直线极化。指电场在空间的取向不随时间变化，保持在一直线上。直线极化。指电场在空间的取向不随时间变化，保持在一直线上。圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端点轨迹随时间在一个圆上
29、旋圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端点轨迹随时间在一个圆上旋转。根据旋向的不同，存在两种圆极化转。根据旋向的不同，存在两种圆极化:如果电场矢量旋转的方向与电磁如果电场矢量旋转的方向与电磁波传播方向构成右手螺旋关系，称右旋圆极化波波传播方向构成右手螺旋关系，称右旋圆极化波;反之，当电场矢量旋转反之，当电场矢量旋转的方向与电磁波传播方向构成左手螺旋关系，则称为左旋圆极化波。的方向与电磁波传播方向构成左手螺旋关系，则称为左旋圆极化波。椭圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端点轨迹随时间在一个椭圆椭圆极化。指电场在空间的取向，其矢量端点轨迹随时间在一个椭圆上旋转。直线极化波和圆极化波都可看作椭圆极化波
30、的特例。上旋转。直线极化波和圆极化波都可看作椭圆极化波的特例。(5)无线电波的辐射。无线电波是由天线向空间辐射所产生的。辐射后的无线电波的辐射。无线电波是由天线向空间辐射所产生的。辐射后的无线电波在空间传播，在远离天线一段距离后的空间是远场区，在该区无线电波在空间传播，在远离天线一段距离后的空间是远场区，在该区的场又称辐射场。的场又称辐射场。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播对辐射场，电场强度对辐射场，电场强度E和磁场强度和磁场强度H的振幅随离开天线的距离的振幅随离开天线的距离:的增加而的增加而按按1/r的因子减小，辐射场的等相面的因子减小，辐射场的等相面(或称波
31、阵面，波前或称波阵面，波前)是以是以r为半径的球为半径的球面。面。5.2.3自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗无线电波在自由空间中的传播就称为自由空间传播。自由空间，严格来无线电波在自由空间中的传播就称为自由空间传播。自由空间，严格来说是指真空，是一种理想情况，实际上是不可能达到这种情况的。通常说是指真空，是一种理想情况，实际上是不可能达到这种情况的。通常自由空间是指充满均匀、无损耗媒质的无限大空间，即该空间具有电导自由空间是指充满均匀、无损耗媒质的无限大空间，即该空间具有电导率为零、相对介电常数和相对磁导率均恒为率为零、相对介电常数和相对磁导率均恒为1等特点。无线电波在自由等特点。无线电波
32、在自由空间的传播过程中不产生波的吸收、散射和反射等现象。空间的传播过程中不产生波的吸收、散射和反射等现象。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播在微波通信中，天线的方向性是很强的，站间的距离很大在微波通信中，天线的方向性是很强的，站间的距离很大(与波长相比与波长相比)，由辐射源发出的电波虽然是球面波，但达到接收天线时已经完全可以认由辐射源发出的电波虽然是球面波，但达到接收天线时已经完全可以认为是平面波了，所以在讨论微波通信的电波传输时，均按平面波的情况为是平面波了，所以在讨论微波通信的电波传输时，均按平面波的情况来分析。电波由发射天线辐射后，能量是向周围空间扩散的，达
33、到接收来分析。电波由发射天线辐射后，能量是向周围空间扩散的，达到接收天线的能量仅是其中的一小部分，距离越远，接收天线收到的能量越少，天线的能量仅是其中的一小部分，距离越远，接收天线收到的能量越少，这就是电波在自由空间传播过程中的衰减，也称为自由空间的传播损耗，这就是电波在自由空间传播过程中的衰减，也称为自由空间的传播损耗，如如图图5.4所示。所示。如果把发射天线放置在如果把发射天线放置在A点，发射功率为点，发射功率为Pt，把接收天线及设备放在，把接收天线及设备放在B点，点，所接收到的功率为所接收到的功率为Pt,A、B间的距离为间的距离为d，则可以以，则可以以A点为球心，以点为球心，以d为为半径
34、作一球面，其球面积为半径作一球面，其球面积为4 d2。B点在球面上，因此，在球面上任点在球面上，因此，在球面上任一点的单位面积所接收到的功率为一点的单位面积所接收到的功率为Pt.，把接收天线及设备放在，把接收天线及设备放在B点，所点，所接收到的功率为接收到的功率为Pt/(4 d2)。上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播如果发射天线和接收天线均无方向性，则无方向性接收天线所能接收的如果发射天线和接收天线均无方向性，则无方向性接收天线所能接收的有效面积为有效面积为2/4，为所传电波的波长。所以，在为所传电波的波长。所以，在B点的无方向性接收点的无方向性接收天线所收到的功
35、率为天线所收到的功率为:（5.3）于是可定义自由空间的衰减系数为于是可定义自由空间的衰减系数为:（5.4）或或 （5.5）上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播当当d的单位为的单位为km,f的单位是的单位是GHz时，时，LS=92.4+20lgd+20lgf(dB)(5.6)5.2.4自由空间传播条件下收信电平的计算自由空间传播条件下收信电平的计算实际上，用于数字微波接力通信设备的天线，不是向周围空间均匀辐射实际上，用于数字微波接力通信设备的天线，不是向周围空间均匀辐射的无方向性天线，而是具有很强的方向性，它能把辐射能量在很大程度的无方向性天线，而是具有很强的方向性，
36、它能把辐射能量在很大程度上向正前方向上向正前方向(主射束方向主射束方向)集中，这种集中程度用发射天线增益集中，这种集中程度用发射天线增益Gt来表来表示。通过主射束方向单位面积的功率为示。通过主射束方向单位面积的功率为PtGt/4d2。如果接收天线的有效接收面积为如果接收天线的有效接收面积为上一页 下一页返回5.2电波在自由空间的传播电波在自由空间的传播式中式中Gr接收天线的增益。接收天线的增益。此接收天线所截获的功率此接收天线所截获的功率Pre为为:（5.7）式式(5.7)就是当天线与接收机匹配时送至接收机的输入功率或收信电平。就是当天线与接收机匹配时送至接收机的输入功率或收信电平。实际微波通
37、信中，馈线系统均具有损耗，设收发两端馈线系统损耗分别实际微波通信中，馈线系统均具有损耗，设收发两端馈线系统损耗分别为为Lfr、Lft，收发两端分路系统损耗分别为，收发两端分路系统损耗分别为Lbr、Lbt，则在自由空间传播，则在自由空间传播条件下，最后接收机的收信功率电平为条件下，最后接收机的收信功率电平为:（5.8）式式(5.8)中各量除表明的外用分贝表示。中各量除表明的外用分贝表示。上一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法5.3.1惠更斯一菲涅耳原理惠更斯一菲涅耳原理当需要估计从发射天线到接收天线之间传输功率的主要空间时当需要估计从发射天线到接收天线之间传输功率的主要空间时.就要
38、用到就要用到惠更斯一菲涅耳原理。惠更斯一菲涅耳原理。该原理认为该原理认为:波在传播过程中波在传播过程中.波面上的每一点都是一个进行二次辐射的波面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波波源球面波波源.而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波波面的包而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波波面的包络面。如络面。如图图5.5所示所示.在时刻在时刻t的波面为的波面为A.经过经过t时间后的波面为时间后的波面为B.这个波这个波面面B是原来波面是原来波面A上无数个小波源上无数个小波源a1,a2,a3在时刻在时刻t发出的球面波发出的球面波.经经t时间之后到达时间之后到达b1,b2,b3点所形成的包络面
39、。点所形成的包络面。其后其后.菲涅耳发展了这个原理菲涅耳发展了这个原理.他认为波在传输过程小他认为波在传输过程小.空间任一点上的辐空间任一点上的辐射场射场.是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点互相是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点互相干涉叠加的结果。干涉叠加的结果。下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法从电磁波的观点来看从电磁波的观点来看.这个原理是容易理解的这个原理是容易理解的.因为包围波源的任一个曲因为包围波源的任一个曲面上都分布着电场和磁场面上都分布着电场和磁场.场的结构可以用电力线和磁力线的分布来表不场的结构可以用电力线和磁力线的分布
40、来表不.线上的每一点都有与之相切的电场矢量和磁场矢量线上的每一点都有与之相切的电场矢量和磁场矢量.如图如图5.5所不。这样所不。这样每一个点的电场和磁场都可以当作小的电偶极子和磁偶极子每一个点的电场和磁场都可以当作小的电偶极子和磁偶极子.电磁波的传电磁波的传播是这些偶极子不断地产生和再辐射的过程。播是这些偶极子不断地产生和再辐射的过程。所以所以.曲面上的地磁矢量都是曲面外任一点辐射场的波源曲面上的地磁矢量都是曲面外任一点辐射场的波源.通常把它叫作通常把它叫作二次波源二次波源.或惠更斯源。场中任一点的强度或惠更斯源。场中任一点的强度.就是无数的以这些小电磁辐就是无数的以这些小电磁辐射源辐射的波射
41、源辐射的波.在空间相互干涉叠加的合成场强在空间相互干涉叠加的合成场强.从电磁场的基本定律出从电磁场的基本定律出发发.通过曲面积分通过曲面积分.可以导出空间任一点可以导出空间任一点P的数学表达式的数学表达式:（5.9）上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法式中式中A一次源的幅度一次源的幅度;k单位长度上的相位变化单位长度上的相位变化;一次源到一次源到S曲面上的二次点源的距离曲面上的二次点源的距离;r S曲面上的二次点源到曲面上的二次点源到P点的距离。点的距离。表达式中略去了时间因子。表达式中略去了时间因子。虽然利用上式可以计算出点源虽然利用上式可以计算出点源Q以外空间任意点
42、以外空间任意点P处的场强，可是计算处的场强，可是计算复杂，而且难以解释物理概念。采用菲涅耳近似计算法，可使问题简化。复杂，而且难以解释物理概念。采用菲涅耳近似计算法，可使问题简化。5.3.2电波传播的菲涅耳区电波传播的菲涅耳区假定有一个微波中继段发信点为假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为，收信点为R，站间距为，站间距为d，平面上一，平面上一个动点个动点P到两个定点到两个定点(T,R)的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传
43、播的描述方法对于电波传播对于电波传播.当这个常数为当这个常数为d+/2时，得到的椭球面称为第一菲涅耳椭时，得到的椭球面称为第一菲涅耳椭球面球面;常数为常数为d+2/2时时.得到的椭球面称为第二菲涅耳椭球面得到的椭球面称为第二菲涅耳椭球面;常数为常数为d+N/2时时.得到的椭球面称为第得到的椭球面称为第N菲涅耳椭球面。菲涅耳椭球面。如果前述定义的一系列菲涅耳椭球面，与我们从如果前述定义的一系列菲涅耳椭球面，与我们从T或或R点出发认定的某一点出发认定的某一波面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是波面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一菲涅
44、耳区。一个圆，称为第一菲涅耳区。其外的圆环其外的圆环(外圆减内圆得到的圆环外圆减内圆得到的圆环)称为第二个菲涅耳区，再往外的圆称为第二个菲涅耳区，再往外的圆环称为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区环称为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区第第N菲涅耳区。菲涅耳区。这些圆和环，我们可以把它们近似地看成垂直于地面且垂直于这些圆和环，我们可以把它们近似地看成垂直于地面且垂直于T与与R间射间射线的平面区域图形。线的平面区域图形。上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法经有关研究知道经有关研究知道:(1)由第一菲涅耳区在接收点的场强，接近于全部有贡献的菲涅耳区在接由第一菲涅耳区在接收点的场强，接近于全
45、部有贡献的菲涅耳区在接收点的自由空间场强的收点的自由空间场强的2倍。倍。(2)由第二菲涅耳区在接收点的场强，比第一菲涅耳区在接收点的场强小由第二菲涅耳区在接收点的场强，比第一菲涅耳区在接收点的场强小些，但相位相反。些，但相位相反。(3)在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当菲涅耳区数趋近于无在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当菲涅耳区数趋近于无限多时，就接近于自由空间场强。限多时，就接近于自由空间场强。(4)相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反。相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反。(5)若以第一菲涅耳区为参考，则奇数区产生的场强是使接收点的场强增若以第一菲涅耳区为参考，
46、则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强，偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。强，偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法这样，从这样，从Q点到尸点的电磁能量基本上是通过以点到尸点的电磁能量基本上是通过以Q和和P为焦点的一些菲涅为焦点的一些菲涅耳区来传播的。所以，为了获得自由空间传播，只要保证一定的菲涅耳耳区来传播的。所以，为了获得自由空间传播，只要保证一定的菲涅耳区不受障碍就可以了。这个区域是电波在自由空间传播时起主要作用的区不受障碍就可以了。这个区域是电波在自由空间传播时起主要作用的空间区域，它被空间区域，它被S0平面所截的面积是对
47、接收场强起主要作用的二次源分平面所截的面积是对接收场强起主要作用的二次源分布面积。布面积。我们把菲涅耳区上的任意一点到我们把菲涅耳区上的任意一点到R-T连线的距离称为菲涅耳区半径，用连线的距离称为菲涅耳区半径，用F表示。如表示。如图图5.6所示。当这一点为第一菲涅耳区上的点时，此半径称为所示。当这一点为第一菲涅耳区上的点时，此半径称为第一菲涅耳区半径，记为第一菲涅耳区半径，记为F1。当这一点为第。当这一点为第n菲涅耳区上的点时，此半菲涅耳区上的点时，此半径称为第径称为第n菲涅耳区半径，记为菲涅耳区半径，记为Fn。上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法一般情况下一般情况下.
48、d1和和d2远大于菲涅耳区半径远大于菲涅耳区半径Fn可以算出可以算出.对第一菲涅耳区面对第一菲涅耳区面上的点上的点.有有:（5.10）因为因为d1+d2=d，所以，所以:（5.11）上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法由此可以算出第一菲涅耳区半径由此可以算出第一菲涅耳区半径:式中式中.距离距离d的单位为的单位为km.频率频率f的单位为的单位为GHz,算出的算出的F1的单位为的单位为m。同理同理.第第n菲涅耳区半径菲涅耳区半径:公式表明公式表明.波长愈短波长愈短.距离距离d愈短愈短.菲涅耳区半径越小菲涅耳区半径越小.波长和距离一定时波长和距离一定时.菲菲涅耳区半径与涅耳区
49、半径与S0的位量有关的位量有关.如选在中点如选在中点.则菲涅耳区半径最大。则菲涅耳区半径最大。上一页 下一页返回5.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法设想设想S0是一个不透明的屏是一个不透明的屏.围绕着零点开圆孔围绕着零点开圆孔.先开一个孔与第一个菲先开一个孔与第一个菲涅耳区圆面积一样大涅耳区圆面积一样大.则接收点的场强振幅将为自由空间值的则接收点的场强振幅将为自由空间值的2倍倍.逐渐逐渐开大孔开大孔.就会得到场强起伏变化。同时还可看出就会得到场强起伏变化。同时还可看出.所开的圆孔只要相当所开的圆孔只要相当于第一个菲涅耳区面积的于第一个菲涅耳区面积的1/3左右时左右时.就能得到自由空间场强
50、。也就是就能得到自由空间场强。也就是说要得到合成场振幅为自由空间场振幅八的最小菲涅耳区半径说要得到合成场振幅为自由空间场振幅八的最小菲涅耳区半径F0。上。上例中例中.传播传播路径中点处的路径中点处的F0=F1的孔就能在接收点得到自由空间传播的信号场的孔就能在接收点得到自由空间传播的信号场强。强。第一个菲涅耳半径第一个菲涅耳半径F1和最小菲涅耳半径和最小菲涅耳半径F0。是微波电路勘探设计中常。是微波电路勘探设计中常用的两个重要物理量。用的两个重要物理量。上一页 下一页返回315.3微波传播的描述方法微波传播的描述方法5.3.3地形对电波传播的影响地形对电波传播的影响地形对大气中电波传播的影响主要
