第七讲近地区域中性介质内的电波传播 2.ppt

RadioWavePropagation 无线电波传播第七讲近地区域中性介质内的电波传播2 类似于光在不均匀大气中传播中的弯曲现象 电波在对流层传播中由于大气的不均匀也会发生弯曲 电波射线的弯曲程度与折射率值无关而与其梯度相关 在标准大气环境下 大气折射指数随海拔高度增高指数递减 此时折射率沿高度的分布是条单调递降的光滑曲线 然而在反常的大气环境下 大气折射率沿高度的分布可以分成若干个区段 在某些区段折射率梯度远远偏离正常值 使电波射线的弯曲程度加大 在一定气象条件下 以较低仰角发射的电波射线甚至会折向地面 使得电波射线不断返回下垫层 再次返向折射或反射向前传播 形成类似于金属波导的传播效应 被称之为大气波导传播 对流层传播研究过程中 为了解释对流层波导传播这样的反常传播 主要使用了三种从麦克斯韦方程组演化出来的基本理论 它们是波导模理论 抛物型方程理论以及几何光学理论 几何光学理论在对流层传播中被演化为射线描迹技术 通过对电波射线的准确描迹可以给出波导传播的明晰物理图景 利用较先进的计算程序射线描迹也可以将大气的不均匀分布考虑在内来模拟波导传播 4 6对流层中电波的折射 4 6 1对流层对电波传播的影响 1 气象三要素 温 压 湿的变化 导致大气密度 导电性能随高度或位置变化 引起电波折射指数的变化 2 天气现象 云 雨 雾的影响 引起电波散射与吸收 1 对流层中折射指数的局部起伏可引起电波能量的散射 2 折射指数水平分层时的突变可导致电波的反射 3 折射指数的大尺度的变化可引起电波的折射 特别是n的负梯度的出现会引起波导传播 上述影响的结果是使无线电波的能量远远超过正常的视距而传播 并产生各无线电路之间的干扰 折射指数变化对电波的具体影响 4 6 2对流层中的射线弯曲 根据几何光学的知识 大气折射指数随高度变化的一般后果是无线电波不再是直线传播 这是因为射线可能遭到连续折射以致弯曲 对流层的折射指数由下式给出 式中 p和e分别是总大气压和水汽压 T是温度 A和B是由实验确定的常数 大气折射率N也可采用公式 设大气是水平分层的 且其特性只随高度变化 每一薄层中的大气参数不变 密度 温度 水汽 并在每个薄层间的界面处用斯涅耳定律 如图 或一般表示为 如果用仰角表示 则 4 71 4 72 由上图 b 有 4 73 负号可以这样说明 因为我们选取的射线元是向上凸的 随着 s的增加仰角减小 而习惯上又称为正曲率 对 4 72 式求微商 4 75 在对流层中 对于低仰角射线 因此 射线的曲率半径为 4 76 可见折射率沿高度的梯度愈大 射线的曲率半径愈小 曲率愈大 研究电波在大气中的折射时 方便的是用几何方法得到等效地球或等效射线模型 这种方法认为电波在大气层中仍是直线传播 所不同的是不在实际地球上空 而是在等效地球上空 为使得二者等效 必须使得等效地球上空直线轨迹上的任一点到等效地球的距离与真实地面上空的弯曲射线上该点到真实地面的距离相等 如图 a 实际地球和实际射线 b 直线轨迹与等效地球半径 c 平面地球模型和等效射线半径 对于直线轨迹 由图4 24 a b 有 对于平面地球模型 由图4 24 a c 这里 前者的后者的 因此 4 77 即 两种等效方法所得的结果一致 4 78 4 79 标准大气的折射指数梯度为 计算求得等效地球半径因子为 4 6 3对流层中的射线描迹 射线描迹是对电波射线轨迹的描述 射线轨迹的求解 主要涉及到Snell折射公式 如图3一1所示 T为发射源位置 氏为电波射线的初始出射仰角 在己知地面折射指数n0 地球半径r0和的情况下 可用地面上的距离x和高度h的函数关系代表射线的轨迹方程 一组x和h的数据 唯一的确定射线上对应点的位置 现在来推导对应的轨迹方程 4 7对流层散射传播 4 7 1对流层散射机理 上世纪四十年代 人们从大气波导的实验中发现了微波的超视距传播现象 为了解释微波的超视距传播 人们提出了许多理论来研究对流层散射传播 即 湍流理论 非相干反射理论和相干反射理论 如图 a 表示对流层湍动结构的不相干散射 b 表示稳定层的相干反射 c 表示锐变层的非相干反射 前已指出 对流层中由于高的或低的温度和 或 湿度的局部起伏 会引起折射指数的小尺度变化 如果n的不均匀性足够强 他们将散射无线电波能量 对流层中 当一种空气流运动到另一气流上 或潮湿和热气团的垂直运动等 导致一种气团完全进入有不同湿度和温度的区域 这种气团的运动 不同n值较大尺度的空气团因为风切变进一步被破碎 由这种非均匀体所散射的电波 可以到达从散射体上所能看到的所有接收点 例如 当散射体位于地面上空10km高度时 其地面覆盖半径可达700km 如考虑对流层的折射 其传播距离更远 对流层散射特性依赖于非均匀体的几何尺寸和电波的频率 波长 通常要求 还有一种理论认为散射电波是由大气层中折射指数大的垂直梯度所引起的部分反射 也就是前面提出的所谓稳定的相干反射和锐变层的不相干反射 4 7 2对流层散射传播损耗的理论计算 散射体所在处的能流密度 接收点散射能流密度 这里 是有效散射截面 设天线的有效面积为 则接收天线输入端的功率为 由此得出对流层散射的传输损耗 4 98 特别地 当散射体位于线路中点且其高度远小于通信距离D时 可认为 于是 有 4 99 与自由空间传播损耗相比 有两点差别 1 散射传播损耗正比于距离的4次方 而不是平方 即散射传播时 随距离的增加 损耗要比自由空间大得多 2 散射传播损耗反比于 即有效散射面积愈小 损耗愈大 而自由空间传播中没有这个参数 4 7 3对流层散射通信的工程应用 1 通信距离 300 500公里频段 100MHz 10GHz范围 话音 数据 电视可靠性 99 9 2 空间探测 3 散射通信的特点 a 不怕原子弹爆炸b 不受太阳黑子 磁暴 极光 雷电等骚扰影响c 传输容量大d 不怕高山 湖泊 沙漠等自然障碍e 通信保密性较好 中间站不多 较灵活机动f 需大功率发射机 大天线和高灵敏度接收机 4 散射传播损耗的工程计算 4 8气象对传播的影响 4 8 1引言 超高频 SHF 和极高频 EHF 雨雾等拦截无线电波能量而产生小的位移电流 引起二次辐射 散射 和吸收 因加热作用 具体表现如下 a 波长大于雨滴尺寸 如超高频段 吸收衰减是主要的 b 波长小于雨滴尺寸 如极高频段 散射衰减是主要的 实验观测结果表明 a 氧和水汽引起的吸收呈现出一系列分子谐振吸收峰 b 在10 50GHz 暴雨 大雨和浓雾的衰减占主导地位 c 高于50GHz的频段 云雾吸收迅速增大 4 8 2降雨和云的特征 雨的形成 1 山地雨 高山的迎风面一侧 2 对流雨 夏季7 8月份的午后 3 气旋雨雨的分类 a 强对流性暴雨型降雨b 层状云形成的连续性降雨 雨滴特征 雷阵雨和暴雨 雨滴大而稀 由于空气阻力的作用 雨滴的形状是短轴接近垂直方向的扁球体 连续降雨或小雨则雨滴小而密 形状呈球形降落 雨滴数谱分布单位体积 m3 内直径为D mm 与雨滴直径的每单位增量 mm 中的雨滴数N D 之间的关系 它称为雨滴谱分布 N0是单位体积内最小雨滴直径处单位直径增量的雨滴数 因此 单位体积内中的总雨滴数为 降雨速率R 这里 v D 是直径为D的雨滴落速 米 秒 4 8 3降雨对电波的衰减 降雨衰减公式 是衰减系数 是电波频率 温度和雨滴谱分布有关的参数 R为降雨速率 由图4 44 a 可见 1 当频率低于100GHz时 衰减随频率的增加而快速增大 2 在200GHz附近 衰减达到最大 3 超过200GHz后 衰减略有下降 直到光波频段几乎为常数 图4 44 a 中的曲线是根据实验数据 由雨滴谱分布 雨的落速和20 C时水的复折射指数n的数据计算得出的 对球状小雨滴 这些曲线精确成立 而对于大的扁球雨滴 有10 20 的误差 这里是半径为D的球形雨滴的消光截面 是D到D dD范围单位体积中的雨滴数 因此 功率密度的衰减又可由下式描述 功率密度衰减 衰减系数 显然 在上述公式中 消光截面可用球形雨滴的矢量波动方程的二次散射解来计算 雨滴谱分布可以测量 且近似为普阿松分布 图4 44 b 是由不同降雨速率计算得到的每公里衰减 计算结果表明 除很小的降雨速率外 这些曲线都近似于直线 云 雾的衰减 a 云 雾是由小水滴构成的 b 直径比0 1mm略小 c 对于高于100GHz的电磁波 雨滴谱分布近似为瑞利分布 冰的衰减 对于小于35GHz的频段 由于冰粒云