第11章 视距传播.ppt

第11章视距传播 视距传播 收发天线在视线距离内 电波直接从发射点传到接收点的传播方式 视距传播可分为三类 地 地 中继通信 广播电视 移动通信地 空 地面 飞机 地面 卫星空 空 飞机间 宇宙飞行器间 地面及对流层大气对视距传播有一定的影响 11 1地面对视距传播的影响 1 光滑平面地条件下视距传播场强的计算 假设发射天线A的高度为H1 直接波的传播路径为r1 地面反射波的传播路径为r2 与地面之间的投射角为 收 发两点间的距离为d 接收点B的高度为H2 r2 r1为两条路径之间的路程差 它可以表示为 11 1 2 根据二项式定理 得 取前2项 接收点B场强应为直接波与地面反射波的叠加 11 1 1 为地面的反射系数 它与电波的投射角 电波的极化和波长以及地面的电参数有关 一般可表示为 设沿r1路径在接收点B处产生的场强振幅为E1 沿r2路径在接收点B处产生的场强振幅为E2 则B处的总场强为 11 1 3a 对于水平极化波 对于垂直极化波 11 1 3b 对于水平极化波来讲 实际地面的反射比较接近于理想导电地 特别是在波长较长或投射角较小的区域近似程度更高 因此在估计地面反射的影响时 可粗略地将实际地面等效为理想导电地 对于垂直极化波情况就比较复杂 垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值 对应此值的投射角称为布鲁斯特角 Brewster 记作 B 在 B两侧 反射系数的相角180 突变 尽管垂直极化波的反射系数随投射角的变化起伏较大 但在很低投射角时 仍然可以将其视为 1 海水的反射系数 海水和陆地的反射系数 图中V代表垂直极化 H代表水平极化 GHz GHz 干土的反射系数 水平极化波反射系数的模在低投射角约为1 相角几乎可以被看作180 常量 当 很小时 将 代入下式 合成场可以做如下简化 11 1 4 因此 波的干涉与天线的架高 电波波长及传播距离有关 垂直极化波在海平面的干涉效应 r 80 4 a f 0 1GHz H1 50m H2 100m b f 0 1GHz H1 50m d 7000m 下图是以 E E1 为纵坐标计算得到的垂直极化波在海平面上的干涉效应 则得到维建斯基反射公式 11 1 5 解地面反射波与直接波之间的相位差为 例 某通信线路 工作波长 0 05m 通信距离d 50km 发射天线架高H1 100m 若选接收天线架高H2 100m 在地面可视为光滑平面地的条件下 接收点的E E1 今欲使接收点场强为最大值 调整后的接收天线高度是多少 应使调整范围最小 所以接收点处的E E1 0 此时接收点无信号 若欲使接收点场强为最大值 可以调整接收天线高度 使得接收点处地面反射波与直接波同相叠加 接收天线高度最小的调整应使得 16 若令 可以解出H2 93 75m 接收天线高度可以降低6 25m 地面上的有效反射区 2 地面上的有效反射区 反射波的主要空间通道是以A 和B为焦点的第一菲涅尔椭球体 而这个椭球体与地平面相交的区域为一个椭圆 该区域内对反射波具有重要意义 这个椭圆也被称为地面上的有效反射区 11 1 6 该椭圆的长轴在y方向 短轴在x方向 11 1 7a 长半轴 短半轴 11 1 7b 根据第一菲涅尔椭球的尺寸 可以计算出该椭圆 有效反射区 的中心位置C的坐标为 不平坦地面的反射 3 光滑地面的判别准则 实际地面都是起伏不平的 光滑地面只是理想情况 电波在上 下两边界处反射时的波程差为 11 1 8 由此引起的附加相位差为 为了能近似地将反射波仍然视为平面波 即仍 有足够强的定向反射 要求 相应地要求 瑞利准则 11 1 9 瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据 当满足这个判别条件时 地面可被视为光滑 当不满足这个判别条件时 地面被视为粗糙 反射具有漫散射特性 反射能量呈扩散性 表11 1 1 h的实际计算数据 波长越短 投射角越大 越难视为光滑地面 地面起伏高度的影响也就越大 11 1 2光滑球面地情况 地球是球面体 在大多数情况下应该考虑到地球的曲率 首先受到影响的就是视线距离 如图11 1 7所示 在给定的发射天线和接收天线高度H1 H2的情况下 由于地球表面的弯曲 当收发两点B A之间的直视线与地球表面相切时 存在着一个极限距离 当H1 H2远小于地球半径R时 d0也就为B A之间的距离r0 1 视线距离 视线所能达到的最远距离 在通信工程中常常把由H1 H2限定的极限地面 距离 称为视线距离 11 1 10 11 1 11 由于常满足R H1 R H2 因此视线距离可写为 11 1 12 根据图11 1 7所示的几何关系 若C点为AB与地球的切点 则有 将地球半径R 6370km代入上式并且H1 H2均以米为单位时 11 1 13 在标准大气折射时 视线距离将增加到 11 1 14 在收 发天线架高一定的条件下 实际通信距离d与r0相比 有如下三种情况 1 d 0 7r0 接收点处于亮区 2 d 1 2r0 接收点处于阴影区 3 0 7r0 d 1 2r0 接收点处于半阴影区 在实际的视距传播工程应满足亮区条件 否则地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗 天线的等效高度 2 天线的等效高度 过反射点C作地球的切面 把球面的几何关系换成平面地 此时由A B向切平面作垂线所得的H 1 H 2就称为天线的等效高度或折合高度 11 1 15 11 1 16 假定反射点C的位置已经确定 沿地面距离d d1 d2 r10 r20 r10 r20就是天线架高为 H1 H2时的极限距离 11 1 17 11 1 18 因此 天线的等效高度为 在视距传播的有关计算公式中 若将天线的实际高度置换成等效高度 就是对球面地条件下的修正之一 球面地的扩散 3 球面地的扩散因子 由于球面地的反射有扩散作用 因而球面地的反射系数要小于相同地质的平面地的反射系数 扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量 定义球面地的扩散因子 如果平面地反射时的场强为Er 球面地反射时的场强为Edr 入射波场强为Ei 为平面地反射系数的模值 则 11 1 19 11 1 20 在引进扩散因子之后 如将视距传播的有关计算公式中的反射系数 替换成Df 就完成了球面地条件下的另一个修正 扩散因子的具体表示式为 11 2对流层大气对视距传播的影响 在前述的分析中 尽管讨论了由平面地到球面地的修正 但是都假定电波按直线传播 这种情况只有在均匀大气中才可能存在 实际的对流层大气 压力 温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化 因此是不均匀的 会使电波产生折射 散射及吸收等物理现象 11 2 1电波在对流层中的折射 1 大气的折射率 实验证实大气折射率n近似满足下面的关系式 11 2 1 P为大气压强 毫巴 即mb 1mb 100Pa T为大气的绝对温度 K e为大气的水汽压强 mb 表11 2 1折射指数数据 年平均值 2 大气折射及类型 由于对流层的折射率随高度而变 因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射 从而导致轨迹弯曲 这种现象称为大气折射 nsin n dn sin d 11 2 3 当电波由折射率为n的一层传播到n dn的一层时 电波发生了折射 沿曲线AC传播 假设电波在点A的入射角为 折射角为 d 则按照折射定律 将方程的右边展开并略去二阶无穷小量并整理后得 11 2 4 由图所示的几何关系 射线的曲率半径 应为 11 2 5 在 ABC中 11 2 6 由于d 很小 cos d cos 并将式 11 2 4 代入上式得 11 2 7 考虑到n 1 并且对大多数情况而言 90 因此射线的曲率半径 11 2 8 大气折射分为三类 1 零折射 电波射线为直线 2 负折射 电波射线上翘 3 正折射 电波射线向下弯曲 dn dh 4 10 81 m 射线的曲率半径 2 5 107m dn dh 15 7 10 81 m 电波射线与地球同步弯曲 dn dh 15 7 10 81 m 标准大气折射 临界折射 超折射 折射类型 3 等效地球半径 电波在大气层内传播轨迹是弯曲的 但习惯上仍把电波射线当作沿直线传播 因此引入等效地球半径因子来修正 等效地球半径Re 保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率不变 使地球半径改变到电波射线为直线时的地球半径 图11 2 3等效地球半径 a 实际地球上的电波射线 b 等效地球上的电波射线 地球半径 电波射线曲率半径 等效地球半径 等效电波射线曲率半径 11 2 9 式中 Re为等效地球半径 由此 11 2 10 由图11 2 3的几何关系 得 将式 11 2 8 半径代入上式 则低仰角情况下的等效地球半径为 11 2 11 定义等效地球半径因子K为 11 2 12 等效地球半径Re与实际地球半径R之比 11 2 2大气衰减 1 云 雾 雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子 氧分子对电波的谐振吸收 大气是一种成分不均匀的半导电媒质 大气对电波的衰减有两方面 2 云 雾 雨等小水滴对电波的散射 导致对原方向传播的电波衰减 氧和水汽的衰减系数 水分子的谐振吸收发生在1 35cm与1 6mm的波长上 氧分子的谐振吸收发生在5mm与2 5mm的波长上 60GHz 118GHz 22GHz 183GHz 在选择工作频率时 要注意避开这些谐振吸收频率 工作于吸收最小的频率附近 通常将这些频率称为大气窗口 热吸收与小水