1、电波传播理论电波传播理论6-1第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射电波传播理论电波传播理论6-2第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 尽管可以利用射线理论分析无线电波的传播，但是事实上尽管可以利用射线理论分析无线电波的传播，但是事实上无线电波是通过整个空间传播进行传播的；无线电波是通过整个空间传播进行传播的；以收发点为焦点的费涅尔椭球代表了电波传播所要求的空以收发点为焦点的费涅尔椭球代表了电波传播所要求的空间通道，特别是第一费涅尔椭球。间通道，特别是第一费涅尔椭球。如果在第一费涅尔椭球的空间区域内无线电波被地面和地如果在第一费涅尔椭球的空间区域内无线电波被地面和地面覆盖物所阻挡
2、，那末，无线电波的能量将要遭受严重的面覆盖物所阻挡，那末，无线电波的能量将要遭受严重的衰减，这就是无线电波的绕射现象。衰减，这就是无线电波的绕射现象。绕射会使接收点的信号电平永久性地偏低，能量产生重大绕射会使接收点的信号电平永久性地偏低，能量产生重大衰减，使通信的质量大大降低，甚至造成通信的中断，在衰减，使通信的质量大大降低，甚至造成通信的中断，在地面通信电路设计中应该尽量避免出现这种情况。地面通信电路设计中应该尽量避免出现这种情况。在地面通信中，不管是超短波还是微波通信，总是希望直在地面通信中，不管是超短波还是微波通信，总是希望直接射线与地面或地面覆盖物之间能保持有足够的距离，即接射线与地面
3、或地面覆盖物之间能保持有足够的距离，即传播余隙。传播余隙。电波传播理论电波传播理论6-3第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 射线离地面的距离（传播余隙）与大气状态之间的关系：射线离地面的距离（传播余隙）与大气状态之间的关系：在超折射在超折射(（出现大气波导）的情况下，（出现大气波导）的情况下，射线与地面之间具有最大的余隙；射线与地面之间具有最大的余隙；在标准折射（正常大气状态）的情况下，在标准折射（正常大气状态）的情况下，相应的射线相应的射线3离地面仍然有足够的余隙；离地面仍然有足够的余隙；在负折射（折射指数随高度增加的反常）在负折射（折射指数随高度增加的反常）的情况下，射线的余隙就
4、已经为零或负值的情况下，射线的余隙就已经为零或负值了，此时，电波传播的通道完全被阻塞，了，此时，电波传播的通道完全被阻塞，电波能量的衰减自然非常严重。电波能量的衰减自然非常严重。直接射线与地面之间的余隙随变化而变化。即使在正常的直接射线与地面之间的余隙随变化而变化。即使在正常的大气状态下有足够的余隙，但是，当出现严重的负折射时，大气状态下有足够的余隙，但是，当出现严重的负折射时，射线就可能很靠近地面了，以至不能保证有足够大的传播射线就可能很靠近地面了，以至不能保证有足够大的传播通道。通道。电波传播理论电波传播理论6-4第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 传播余隙对天线架设高度的影响：
5、传播余隙对天线架设高度的影响：除了要考虑大气折射之外，必须研究无线电波的绕射损耗除了要考虑大气折射之外，必须研究无线电波的绕射损耗与余隙之间的关系，也就是要研究无线电波的绕射传播现与余隙之间的关系，也就是要研究无线电波的绕射传播现象；象；如果天线架设得很高，比如，保证在正常情况下射线能高如果天线架设得很高，比如，保证在正常情况下射线能高出地面若干个第一费涅尔半径，那么，此时就可以完全不出地面若干个第一费涅尔半径，那么，此时就可以完全不考虑地面障碍对电波的阻挡（绕射）损耗了。考虑地面障碍对电波的阻挡（绕射）损耗了。工程设计不能仅仅考虑单一的技术因素，设计人员必须同工程设计不能仅仅考虑单一的技术因
6、素，设计人员必须同时兼顾通信质量的保证、经济上的节约和工程实施的可能时兼顾通信质量的保证、经济上的节约和工程实施的可能性等基本原则。收、发天线是架设在铁塔或天线杆上的，性等基本原则。收、发天线是架设在铁塔或天线杆上的，过高的铁塔或杆，会带来一系列技术上和工程实施上的问过高的铁塔或杆，会带来一系列技术上和工程实施上的问题，经济上也是昂贵的。题，经济上也是昂贵的。电波传播理论电波传播理论6-5第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 地面和地面覆盖物引起的绕射损耗的分析与计算：地面和地面覆盖物引起的绕射损耗的分析与计算：绕射损耗除与射线离障碍的高度有关外，还与障碍的形状、绕射损耗除与射线离障碍
7、的高度有关外，还与障碍的形状、大小和电气特性有关。引起绕射损耗的实际的地面、地物大小和电气特性有关。引起绕射损耗的实际的地面、地物是多种多样的，有陡峭的山峰，也有平坦的水面；有起伏是多种多样的，有陡峭的山峰，也有平坦的水面；有起伏的丘陵，也有平缓光秃的山头；在广大的农村地区有众多的丘陵，也有平缓光秃的山头；在广大的农村地区有众多的村庄和树丛，在城市地区则有高大的房屋建筑。的村庄和树丛，在城市地区则有高大的房屋建筑。研究绕射问题的主要理论方法，包括典型的波动法、几何研究绕射问题的主要理论方法，包括典型的波动法、几何光学法（光学法（GTD）和谱理论法（）和谱理论法（STD），还有一些近似计算），还
8、有一些近似计算和直观处理的方法。要对这些不同类型的障碍的绕射传播和直观处理的方法。要对这些不同类型的障碍的绕射传播现象都进行严格的理论计算实际上是困难的。在理论上仅现象都进行严格的理论计算实际上是困难的。在理论上仅能对一些理想化的障碍模型得到比较精确的解答，作为某能对一些理想化的障碍模型得到比较精确的解答，作为某些实际情况的近似。些实际情况的近似。本章在自己的大量实验测量数据的基础上，提出了常见的本章在自己的大量实验测量数据的基础上，提出了常见的多种地形、地物的绕射损耗预测模型。在实践中，这些模多种地形、地物的绕射损耗预测模型。在实践中，这些模型，实用而方便，大多数情况下都可采用。型，实用而方
9、便，大多数情况下都可采用。电波传播理论电波传播理论6-6第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 无线电通信电路设计的基础数据无线电通信电路设计的基础数据站点的位置座标、高站点的位置座标、高程以及地形剖面。程以及地形剖面。站点的位置座标即地理座标通常用地理经、纬度或站点的位置座标即地理座标通常用地理经、纬度或X-Y座座标表示，地理经纬度座标与标表示，地理经纬度座标与X-Y座标之间可以互相转换，座标之间可以互相转换，通常通常GIS系统提供有这种转换的软件工具。系统提供有这种转换的软件工具。站点的高程是指相对于标准海平面的海拔高度。站点的高程是指相对于标准海平面的海拔高度。地形剖面是指收、发站
10、之间各点的地形高程（相对于标准地形剖面是指收、发站之间各点的地形高程（相对于标准海平面的海拔高度）。海平面的海拔高度）。海平面是个确定的海平面，是所有地形高度的参考面，在海平面是个确定的海平面，是所有地形高度的参考面，在中国该海平面是指黄海的平均海平面。中国该海平面是指黄海的平均海平面。电波传播理论电波传播理论6-7第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 地理座标和高程的确定：地理座标和高程的确定：最简单的办法是借助卫星定位系统，如最简单的办法是借助卫星定位系统，如GPS系统，伽利略系统，伽利略系统等，现场测定站点的地理经纬度和高程。但是，通常系统等，现场测定站点的地理经纬度和高程。但是
11、，通常GPS的高程测量是不准确的。的高程测量是不准确的。如果没有卫星定位仪器，可以在现场根据周围的参考物，如果没有卫星定位仪器，可以在现场根据周围的参考物，如房屋、道路、桥梁、河流和山头等固定物体，确定站点如房屋、道路、桥梁、河流和山头等固定物体，确定站点在地图上的准确位置，并读取它们的准确座标与高程。在地图上的准确位置，并读取它们的准确座标与高程。这种地图可以是从国家测绘总局取得的书面地图，或者是这种地图可以是从国家测绘总局取得的书面地图，或者是电子地图，实用上地图的比例为电子地图，实用上地图的比例为1:50000是合适的，在这种是合适的，在这种比例尺的地图上，比例尺的地图上，2厘米长度代表
12、厘米长度代表1公里的实际距离。公里的实际距离。电波传播理论电波传播理论6-8第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 地形剖面数据的取得：地形剖面数据的取得：利用地理信息系统（利用地理信息系统（GIS系统）读取沿电路的地形高度。系统）读取沿电路的地形高度。如果没有如果没有GIS系统，则可以在系统，则可以在1:50000的纸质地图上人工读的纸质地图上人工读取地形高程数据。取地形高程数据。电路的地形高程数据可以排列成如表电路的地形高程数据可以排列成如表6.1所示的数据表格。所示的数据表格。电波传播理论电波传播理论6-9第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 地形剖面图地形剖面图沿通信电路
13、的各数据点上相应的参考海平沿通信电路的各数据点上相应的参考海平面的凸起高度（地球凸起）。面的凸起高度（地球凸起）。数据点的地球凸起高度数据点的地球凸起高度 地球凸起的最大高度地球凸起的最大高度 （传播电路的中点的凸起高度）（传播电路的中点的凸起高度）在工程实践中，通常总是使用等效球面地球法来包含大气在工程实践中，通常总是使用等效球面地球法来包含大气折射的复杂影响，进行各种工程设计计算与分析。所以我折射的复杂影响，进行各种工程设计计算与分析。所以我们要讨论等效地球的凸起。们要讨论等效地球的凸起。（6.1）（6.2）电波传播理论电波传播理论6-10第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 发射
14、点的地理经纬度和方位角发射点的地理经纬度和方位角 接收点的地理经纬度和方位角接收点的地理经纬度和方位角 电路距离电路距离 地心角地心角电路对地心的张角电路对地心的张角（6.3）（6.4）电波传播理论电波传播理论6-11第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 方位角方位角在球面上从正北沿顺时针方向转过的角度在球面上从正北沿顺时针方向转过的角度 发射站的电路方位角发射站的电路方位角 接收站的电路方位角接收站的电路方位角 其中其中（6.5）（6.6）电波传播理论电波传播理论6-12第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 传播余隙与电路余隙：传播余隙与电路余隙：传播余隙传播余隙是指直接射线
15、离地面或地面覆盖物的距离，是指直接射线离地面或地面覆盖物的距离，也即在直接射线以下未被地面阻挡的空间高度间隔。也即在直接射线以下未被地面阻挡的空间高度间隔。电路余隙电路余隙具有最小传播余隙的主障碍处的传播余隙。具有最小传播余隙的主障碍处的传播余隙。电路余隙是决定绕射损耗与通信质量的关键参数关键。电路余隙是决定绕射损耗与通信质量的关键参数关键。电波传播理论电波传播理论6-13第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 直接射线上某一确定点直接射线上某一确定点 的传播余隙：的传播余隙：（6.9）电波传播理论电波传播理论6-14第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 传播余隙的特点：传播余隙
16、的特点：传播余隙除与收、发站的天线高度有关外，自然还与地面、传播余隙除与收、发站的天线高度有关外，自然还与地面、地物等障碍物的高度以及地球的凸起高度直接相关。地物等障碍物的高度以及地球的凸起高度直接相关。在传播电路上，传播余隙是变化的，即传播余隙是座标的在传播电路上，传播余隙是变化的，即传播余隙是座标的函数。函数。由于在垂直于射线的不同横截面上同阶费涅尔半径的大小由于在垂直于射线的不同横截面上同阶费涅尔半径的大小是不一样的，费涅尔带被阻挡的程度也是不一样的。所以是不一样的，费涅尔带被阻挡的程度也是不一样的。所以单从传播余隙本身无法直接判断无线电波在电路的哪个位单从传播余隙本身无法直接判断无线电
17、波在电路的哪个位置上受到最严重的阻挡，主要障碍是哪一个。置上受到最严重的阻挡，主要障碍是哪一个。为了解决这个问题，引入与费涅尔半径有关的传播余隙来为了解决这个问题，引入与费涅尔半径有关的传播余隙来度量电波通道被阻塞的程度。度量电波通道被阻塞的程度。电波传播理论电波传播理论6-15第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 传播余隙或归一化余隙传播余隙或归一化余隙 直接射线上某一确定点的直接射线上某一确定点的传播余隙传播余隙 与同一横截面上的第一费涅尔半径与同一横截面上的第一费涅尔半径 之比，即之比，即 障碍点的相对余隙就是判断传播电路上哪个位置是主障碍障碍点的相对余隙就是判断传播电路上哪个位
18、置是主障碍位置、哪个障碍是主障碍的标准参数。位置、哪个障碍是主障碍的标准参数。根据费涅尔带的分析，在传播电路上，具有最小传播余隙根据费涅尔带的分析，在传播电路上，具有最小传播余隙位置上的障碍对无线电波的阻塞最严重。位置上的障碍对无线电波的阻塞最严重。在传播电路上，相对余隙最小的障碍点就是主障碍点，该在传播电路上，相对余隙最小的障碍点就是主障碍点，该位置上的障碍就是主障碍。位置上的障碍就是主障碍。（6.16）电波传播理论电波传播理论6-16第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 半无限屏半无限屏物理模型及其性质物理模型及其性质 采用半无限屏采用半无限屏物理模型的道理物理模型的道理 采用次级
19、源为平面由惠更斯原理得到的绕射场的严格解采用次级源为平面由惠更斯原理得到的绕射场的严格解 发射点球面波的幅度发射点球面波的幅度 次级源平面法向的单位矢量次级源平面法向的单位矢量 接收点接收点R到元面的矢径的单位矢量到元面的矢径的单位矢量（6.17）电波传播理论电波传播理论6-17第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 绕射场的近似解：绕射场的近似解：绕射损耗：绕射损耗：不存在吸收屏的情况下不存在吸收屏的情况下 接收点的场强接收点的场强 费涅尔积分及其性质费涅尔积分及其性质式（式（6.25）-（6.28）（6.18）电波传播理论电波传播理论6-18第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕
20、射 半无限吸收屏绕射损耗的计算结果半无限吸收屏绕射损耗的计算结果图图6.6 当当 时，时，随随 的变化类似于阻尼振荡；的变化类似于阻尼振荡；当当 时，时，；当当 时，时，；当当 时，时，是是 的精确的线性函数。的精确的线性函数。电波传播理论电波传播理论6-19第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 只要天线的高度能保证只要天线的高度能保证 时，障碍对电波的衰减便等时，障碍对电波的衰减便等于零，接收点的接收电平便等于自由空间传播时的电平。于零，接收点的接收电平便等于自由空间传播时的电平。考虑到大气折射的影响，正常情况下的余隙应该满足：考虑到大气折射的影响，正常情况下的余隙应该满足：如果如果
21、 考虑地反射的因素，情况还要复杂一些，有时需要采考虑地反射的因素，情况还要复杂一些，有时需要采用空间分集措施，使用两个架设高度不同的天线。用空间分集措施，使用两个架设高度不同的天线。究竟多大的电路余隙对于地面通信才是合适的，既能保证究竟多大的电路余隙对于地面通信才是合适的，既能保证通信的质量指标又能最省投资，这是个专门的问题。各个通信的质量指标又能最省投资，这是个专门的问题。各个国家在这方面也不尽统一，对于不同的业务也有不同的要国家在这方面也不尽统一，对于不同的业务也有不同的要求，但在地面微波通信中，多数意见还是认为，在正常传求，但在地面微波通信中，多数意见还是认为，在正常传播条件下取相对余隙
22、大约等于播条件下取相对余隙大约等于1为宜。为宜。电波传播理论电波传播理论6-20第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 严格意义上说，式（严格意义上说，式（6.22）仅能适用于半无限吸收屏的绕）仅能适用于半无限吸收屏的绕射损耗计算。但是，该式也适用于山峰绕射的计算。射损耗计算。但是，该式也适用于山峰绕射的计算。计算山峰的绕射损耗近似公式计算山峰的绕射损耗近似公式 计算单屏障碍的绕射损耗近似公式计算单屏障碍的绕射损耗近似公式 半无限吸收屏绕射损耗的线性表达式半无限吸收屏绕射损耗的线性表达式6.4.4节节（6.29）（6.30）（6.31）电波传播理论电波传播理论6-21第第6章章 地面障碍
23、物的绕射地面障碍物的绕射 半无限导体屏模型及其性质半无限导体屏模型及其性质 绕射区（绕射区（A区）、照明区（区）、照明区（B区）和反射区（区）和反射区（C区）区）导体屏绕射场强导体屏绕射场强 =入射波场强入射波场强+反射波场强反射波场强+入射波绕射场强入射波绕射场强+反射波绕射场强反射波绕射场强 （6.36）电波传播理论电波传播理论6-22第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 四种障碍类型四种障碍类型准球面地球、村庄、山峰和房屋。准球面地球、村庄、山峰和房屋。测试损耗测试损耗-天线高度线的三种方法天线高度线的三种方法A测试测试发、收天线一确定的高度差，同步升降；发、收天线一确定的高度差
24、，同步升降；B测试测试发射天线固定，接收天线升降；发射天线固定，接收天线升降；C测试测试接收天线固定，发射天线升降。接收天线固定，发射天线升降。绕射损耗预测模型在第绕射损耗预测模型在第11章中将有详细的介绍。章中将有详细的介绍。电波传播理论电波传播理论6-23第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 绕射是指在电磁波传播路径上，当尺寸相当大（与波长相绕射是指在电磁波传播路径上，当尺寸相当大（与波长相比）的障碍物产生遮挡时，在障碍物背后的阴影区中产生比）的障碍物产生遮挡时，在障碍物背后的阴影区中产生电磁波的问题。电磁波的问题。它和衍射在物理实质上并没有原则区别，都是电磁波波动它和衍射在物理实
25、质上并没有原则区别，都是电磁波波动性的必然结果，在英语中是同一单词（性的必然结果，在英语中是同一单词（Diffraction)，但两，但两者的物理过程和处理方法上是不尽相同的。者的物理过程和处理方法上是不尽相同的。衍射应指波经屏上的孔向外空间扩散。如均匀平面波向开衍射应指波经屏上的孔向外空间扩散。如均匀平面波向开孔平面屏上投射或波导壁上开缝使波向外漏泄的情况。这孔平面屏上投射或波导壁上开缝使波向外漏泄的情况。这是一类边值问题。用光学上的惠更斯原理可以作为这种衍是一类边值问题。用光学上的惠更斯原理可以作为这种衍射问题的物理解释。射问题的物理解释。在障碍物体不大时，虽然还是边界条件问题，但是不能明
26、在障碍物体不大时，虽然还是边界条件问题，但是不能明确地划分出阴影区，这类问题可以归为散射问题。确地划分出阴影区，这类问题可以归为散射问题。绕射和散射之间也没有原则的区别，但它们的处理方法仍绕射和散射之间也没有原则的区别，但它们的处理方法仍各有特点。因此，之所以要把问题分为衍射、绕射和散射，各有特点。因此，之所以要把问题分为衍射、绕射和散射，是因为它们的处理方法都各不相同。是因为它们的处理方法都各不相同。电波传播理论电波传播理论6-24第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 边缘的绕射射线边缘的绕射射线 电波传播理论电波传播理论6-25第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 尖顶和凸
27、曲面的绕射射线尖顶和凸曲面的绕射射线 电波传播理论电波传播理论6-26第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 几何绕射理论（几何绕射理论（GTD）和一致性劈绕射理论（）和一致性劈绕射理论（UTD）绕射场绕射场指偏离了几何光学的散射场指偏离了几何光学的散射场 绕射场的严格求解绕射场的严格求解根据麦克斯韦方程及其边界条件根据麦克斯韦方程及其边界条件 绕射场的近似计算（边缘）绕射场的近似计算（边缘）几何绕射理论（几何绕射理论（GTD）和）和一致性劈绕射理论（一致性劈绕射理论（UTD）几何绕射理论（几何绕射理论（GTD）凯勒等人在凯勒等人在1957年提出的几何年提出的几何绕射理论是通过引入绕射射
28、线来描述绕射现象的。它消除绕射理论是通过引入绕射射线来描述绕射现象的。它消除了几何光学射线在阴影边界上引起的场的不连续性，并对了几何光学射线在阴影边界上引起的场的不连续性，并对阴影区的场进行了适当的修正。绕射场也是借助绕射系数阴影区的场进行了适当的修正。绕射场也是借助绕射系数来计算的，只是绕射系数是个并矢，要用一个来计算的，只是绕射系数是个并矢，要用一个33的二阶的二阶张量来表示。凯勒的解具有非一致性的缺点，即在几何光张量来表示。凯勒的解具有非一致性的缺点，即在几何光学的过渡区中是失效的。学的过渡区中是失效的。电波传播理论电波传播理论6-27第第6章章 地面障碍物的绕射地面障碍物的绕射 一致性
29、劈绕射理论（一致性劈绕射理论（UTD）R.G.Kouyoymjian等人在等人在1974年提出了适合于过渡区边缘绕射场的一致性劈绕射理年提出了适合于过渡区边缘绕射场的一致性劈绕射理论，导出了边缘绕射场的表示式。在边缘绕射问题中，毗论，导出了边缘绕射场的表示式。在边缘绕射问题中，毗邻阴影遮挡边界处及反射边界处的场变化将特快，这些区邻阴影遮挡边界处及反射边界处的场变化将特快，这些区域被称为过渡区。在过渡区中散射场的大小是和入射场或域被称为过渡区。在过渡区中散射场的大小是和入射场或反射场可比拟的。由于这些场在边界上不连续，而总的场反射场可比拟的。由于这些场在边界上不连续，而总的场在那里是连续的，所以散射场在阴影和反射边界必然是不在那里是连续的，所以散射场在阴影和反射边界必然是不连续的。一致性劈绕射理论就是根据这一点提出了一致性连续的。一致性劈绕射理论就是根据这一点提出了一致性劈绕射系数。通过采用过渡函数来修正凯勒的非一致性，劈绕射系数。通过采用过渡函数来修正凯勒的非一致性，使之适用于过渡区和几何光学边界，从而得到了绕射场的使之适用于过渡区和几何光学边界，从而得到了绕射场的一致性解。一致性解。
