无线电波的传播特性1.ppt

2.1 无线电波的传播特性,2.1.1 电波的传播方式 2.1.2 直射波 2.1.3 大气中的电波传播 2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 2.1.5 反射波,学习目标,理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由 空间、自由空间传播等概念。 初步了解大气中电波传播损耗的估算。,2.1.1 电波的传播方式,图2-1 典型的电波传播通路,2.1.2 直射波,电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直 射波可近似按自由空间传播来考虑。 自由空间的传播衰耗lts定义为：,(式2-1),式中，是电磁波的波长，d是收发天线间距离。,直射波的传播途径如图2-1中路径2所 示。直射波传播距离一般限于视距范围。 在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短 波和微波通信就是利用直射波传播的。,2.1.3 大气中的电波传播, 自由空间传播的场强计算 ： 电波在自由空间中的传播模型可用图2-2来模拟。,图2-2 各向同性辐射器在自由空间的辐射,在O点有一个各向同性的辐射器，假设其辐射功 率为Pt，从电磁场理论知道，在距离波源为d处的功 率密度如下：,（式2-2）,同时，功率密度可写成：,（式2-3）,式中，Em、Hm分别为电场强度和磁场强度的振 值；Eo、Ho分别为电场强度和磁场强度的有效值。 因（式2-2）和（式2-3）相等，故可得：,（式2-4）,式中Pt和d的单位分别为W和m。,通常场强以分贝（dB）表示，并取场强1v/m 为0参考点（dBv/m，简称dB），则：,（式2-5）,式中，Pt为辐射功率（W），d为距离（km）。,以上的辐射器为各向同性辐射器，若辐射器有 方向性，则可设其方向性系数为Dt，有：,（式2-6）,或,（式2-7）,自由空间的传播损耗,传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率Pt与收信机输入功率Pr 之比，即：,（式2-8）,自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，两者之间的传播损耗。,电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信点，由式（2-2）可计算其功率密度S值。收信天线接收的功率为：,（式2-9）,式中A为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线来说，,（式2-10）,式中为工作波长（m）。,由式（2-1）可得自由空间传播损耗为：,（式2-11）,该式若以dB表示，则：,（式2-12）,式中，f为工作频率（MHz），d为传播距离（Km）。,按上式画出频率为150MHz、450MHz和900MHz的 自由空间传播损耗Lo与距离d的关系，如图2-3所示：,图2-3 自由空间,由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离 呈现直线关系。 同时，由（式2-12）可，自由空间的电波传播损 耗只与工作频率f和传播距离d有关。 由（式2-12）可推算出，在该公式的适用范围 内，若将f或d增大一倍，则损耗将分别增加6dB。, 大气折射,在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介 质折射率n与相对介电系数r的关系为：,（式2-13）,众所周知，大气的相对介电系数r不是恒定 的，它与温度、湿度和气压有关。因此，大气高 度不同，r也不同，即dn/dh也是不同的。,根据折射定律，设c为光速，则电波传播 速度v与大气折射率n成反比，即：,（式2-14）,这种由大气折射率引起电波传播方向发生 弯曲的现象，称为大气对电波的折射。,我们用“地球等效半径”来表征大气折射对电 波传播的影响，即认为电波依然按直线方向行进， 只是地球的实际半径Ro（6.37106m）变成了等效 半径Re，Re与Ro之间的关系为：,（式2-15）,式中，k称作地球等效半径系数。,显然（式2-15）中，若当dn/dh1，ReRo。在 标准大气折射情况下，即当dn/dh410-8 （1/m），等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径 Re=8500km。, 视距传播,视距传播的极限距离可由图2-4计算：,图2-4 视距离传播极限距离,设发射与接收天线的高度分别为ht和hr，两个天 线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径 Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到 切点C的距离d1为：,（式2-16）,同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为：,（式2-17）,可见，视线传播的极限距离d为：,（式2-18）,在标准大气折射情况下，Re=8500km，故：,（式2-19）,式中，ht和hr的单位是m，d的单位是km。,2.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,绕射损耗： 电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑 等障碍物，这些障碍物会引起除了自由空间传播损 耗外的附加损耗，这种附加损耗称为绕射损耗。,设障碍物与发射点T、接收点R的相对位置如图 2-5所示。图中x表示障碍物顶点P至连线TR的距 离，在传播理论中称作费涅尔余隙。,图2-5 障碍物与余隙,由费涅尔绕射理论可得障碍物引起的绕射损耗 与费涅尔余隙的关系如图2-6所示：,图2-6 绕射损耗与余隙关系,图中横坐标为x/x1，其中x1称为费涅尔半径， 并由下式（2-20）求得：,（式2-20）,式中d1、d2如图2-6所示， 为电波波长。,2.1.5 反射波,不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义 为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为：,（式2-21）,