第8章--电波传播的基础知识...ppt

本课主要内容 电波传播的基础知识 地面波传播 天波传播 视距传播 地面移动通信中接收场强的预测 课程要求 1 掌握电波传播的基本概念 2 掌握电波传播的基本特点和规律 3 了解地面移动通信接收场强的预测方法 课程研究内容 无线电波传播的基本特性及其变化规律 第8章电波传播的基础知识 重点 自由空间电波传播 难点 电波传播的菲涅尔区 主要内容 8 1概述 8 2自由空间电波传播 8 3电波传播的菲涅尔区 第8章电波传播的基础知识 8 1概述 1 什么是电磁波 电磁波是电磁场的一种运动形态 变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场 这就是电磁场 而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波 3 无线电波 按序排列的频率分布 也称波谱 无线电波 红外线 可见光 紫外线 x射线 射线 把各波段按频率由低至高依次排列 分别是 2 频谱 频率从几十赫兹到3000GHz的电磁波 按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来 就是电磁频谱 无线电波频段的划分 电磁场理论发展简史 1 电磁场理论的建立 电 磁现象是一种重要的自然现象 也是最早被科学家们关心和研究的物理现象 19世纪以前 电 磁现象作为两个独立的物理现象 没有发现电与磁的联系 但这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础 库仑于1779年通过实验和采用类比方法归纳 导出了两个静止点电荷间的相互作用规律 即库仑定律 是静电学理论建立的实验基础 奥斯特从1807年开始研究电磁之间的关系 1820年 他发现电流以力作用于磁针 近于同时 安培发现磁力作用的规律 安培力公式 法拉第于1821年开始探索磁生电的实验 1831年他发现 当磁捧插入导体线圈时 导线圈中就产生电流 这表明 电与磁之间存在着密切的联系 法拉第发现了电磁感应定律 麦克斯韦在法拉第实验的基础上 总结了宏观电磁现象的规律 于1864年提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律 称为麦克斯韦方程组 是经典电磁场理论的基本方程 1887年 德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线 用另一个带隙的环状天线接收 证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言 这一重要的实验导致了后来无线电报的发明 从此开始了电磁场理论应用与发展时代 2 电磁场理论的应用和发展 无线电报 1895年 马可尼成功地进行了2 5公里距离的无线电报传送实验 1896年 波波夫进行了约250米距离的类似试验 1899年 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功 1901年 跨越大西洋的3200公里距离的试验成功 马可尼以其在无线电报等领域的成就 获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖 无线电报的发明 开始了利用电磁波时期 有线电话 1876年 美 A G 贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话 此后 有线电话便迅速普及开来 1906年 美 费森登用50千赫频率发电机作发射机 用微音器接入天线实现调制 使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐 1919年 第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成 次年 在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台 广播 电视 1884年 德 尼普科夫提出机械扫描电视的设想 1927年 英 贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上 兹沃霄金1923和1924年相继明了摄像管和显像管 1931年 他组装成世界上第一个全电子电视系统 雷达 1936年 英 瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行 有效地警戒了来自德国的轰炸机 1938年 美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达 1944年 能够自动跟踪飞机的雷达研制成功 1945年 能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明 使雷达更加完善 在整个第二次世界大战期间 雷达成了电磁场理论最活跃的部分 卫星通信 1958年 美国发射低轨的 斯科尔 卫星成功 这是第一颗用于通信的试验卫星 1964年 借助定点同步通信卫星首次实现了美 欧 非三大洲的通信和电视转播 1965年 第一颗商用同步卫星投入运行 1969年 大西洋 太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星 卫星地球站已遍布世界各国 这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通 全球定位系统 GPS 1957年卫星发射成功后 人们试图将雷达引入卫星 实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航 1958年底 美国开始研究实施这一计划 于1964年研究成功子午仪卫星导航系统 1973年美国提出GPS计划 其含义是利用导航卫星进行测时和测距 1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成 电磁波与我们的生活密切相关 无线电波的典型应用 地质结构探测 电离层与磁层研究 对潜通信 地震电磁辐射前兆检测 1 超低频 SLF 2 极低频 ELF 对潜通信 地下通信 全球通信 地下遥感 电离层与磁层研究 3 甚低频 VLF 超远程及水下相位差导航系统 全球电报通信及对潜指挥通信 时间频率标准传递 地质探测 远程脉冲相位差导航系统 时间频率标准传递 远程通信广播 4 低频 LF 广播 通信 导航 机场着陆系统 5 中频 MF 通信广播 超视距雷达 超视距地 空通信 6 高频 HF 7 米波 VHF 语音广播 移动 包括卫星移动 通信 接力通信 航空导航信标 电视广播 飞机导航 着陆 警戒雷达 卫星导航 卫星跟踪 数传及指令网 蜂窝无线通信 8 分米波 UHF 9 厘米波 SHF 多路语音与电视信道 雷达 卫星遥感 卫星通信 10 毫米波 EHF 通信 雷达 卫星遥感 11 亚毫米波 短路径通信 电波传播 无线电波在媒质 如地表 地球大气层或宇宙空间等 中的传播过程 8 1 2几种主要的电波传播方式 1 地面波传播 优点 传播信号质量好 缺点 频率越高 地面对电波的吸收越严重 地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播 天波传播 2 天波传播 发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播 优点 传播距离远 缺点 衰落现象比较严重 3 视距传播 电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播 视距传播 特点 直射波与地面反射波之间存在干涉现象 降雨和大气对电波传播有衰减及散射作用 山 建筑物和树木对电波的散射和绕射作用显著 散射传播 4 散射传播 利用非均匀介质团对电波具有散射特性来达到传播的目的 对流层散射 电离层散射 优点 距离远 抗毁性好 保密性强 电波传播特性的决定性因素 媒质的电参数 的空间分布和时间变化及边界状态 8 2自由空间电波传播 天线置于自由空间A处 其辐射功率为Pr 方向系数为D 在最大辐射方向上距离为r的点M处产生的场强振幅为 自由空间的电波传播 8 2 1 自由空间传播损耗 当发射天线与接收天线的方向系数都为1时 发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值 记为L0 即 8 2 2 8 2 3 D 1的无方向性接收天线的有效接收面积为 8 2 4 所以该接收天线的接收功率为 8 2 5 D 1的无方向性发射天线产生的功率密度为 于是自由空间传播损耗为 8 2 6 或 8 2 7 当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时 自由空间传播损耗分别增加6dB 衰减因子 8 2 8 相应的衰减损耗为 8 2 9 E 实际情况下的接收点的场强 E0 自由空间传播的场强 A与工作频率 传播距离 媒质电参数 地貌地物 传播方式等因素有关 基本传输损耗 8 2 10 如果发射天线的输入功率为Pin 增益系数为Gr 接收天线的增益系数为GL 则相应的功率密度和最佳接收功率分别为 8 2 11 8 2 12 衰减损耗 自由空间传播损耗 8 2 13 8 2 14 在路径传输损耗Lb为客观存在的前提下 降低传输损耗L的重要措施就是提高收 发天线的增益系数 电道的传输损耗 发射天线输入功率与接收天线输出功率 满足匹配条件 之比 即 例8 2 1 设微波中继通信的段距为r 50km 工作波长为7 5cm 收发天线的增益系数都为45dB 馈线及分路系统一端损耗为3 6dB 该路径的衰减因子A 0 7 若发射天线的输入功率为10W 求其收信电平 L0 121 98 20lgr km 20lg cm 121 98 20lg50 20lg7 5 121 98 33 98 17 5 138 46dB 解 考虑到馈线及分路系统一端损耗后 该电道的总传输损耗L为 L L0 LF Gr GL 2 3 6 138 46 20lg0 7 2 45 2 3 6 58 8dB 因为Pin 10W 40dBm 分贝毫瓦 于是收信电平即接收天线的输出功率为 PL Pin L 40 58 8 18 8dBm 菲涅尔带 8 3电波传播的菲涅尔区 空间A处有一球面波源 做一个与之同心 半径为R的球面 P点与A点相距d R r0 将球面S分成许多环形带Nn n 1 2 3 并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长 物理学上称这种环带为菲涅尔带 菲涅尔带 8 3 1 在这种情况下 相邻两带的对应部分的惠更斯源在P点的辐射将有 2的波程差 因而有180 的相位差 起着互相削弱的作用 可以证明 当r0 时各带的面积大致相等 设第n个菲涅尔半波带在P点产生的场强振幅为En n 1 2 3 由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样 因此有以下的关系式 8 3 2 8 3 3 如果将上式的奇数项拆成两部分 即En En 2 En 2 则式 8 3 3 可以重新写为 8 3 4 从平均角度而言 相邻两带对P点的贡献反相 于是P点的合成场振幅为 仔细观察上式 如果总带数足够大 利用下式 8 3 2 的结论 8 3 5 可以认为 8 3 2 上式给我们一个重要的启示 尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波 从波动光学的观点看 可以认为是通过许多菲涅尔区传播的 但起最重要作用的是第一菲涅尔区 作为粗略近似 只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡 就能得到自由空间传播时的场强 8 3 5 令第一菲涅尔区的半径为F1 根据第一菲涅尔区半径的定义 8 3 6 通常d1 F1 d2 F1 将上式作一级近似 可得 8 3 7 显然 该半径在中点d1 d2 d 2处达到最大值 8 3 8 划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的 因此当球面半径R变化时 尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化 但是它们的几何定义不变 而它们的几何定义恰恰就是以A P两点为焦点的椭圆定义 菲涅尔椭球 如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性 不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收 发两点为焦点的旋转椭球 称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道 即使在地面上的障碍物遮住收 发两点间的几何射线的情况下 由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住 因此接收点仍然可以收到信号 这种现象称为电波绕射 电波绕射 不同波长的绕射能力 在地面上的障碍物高度一定的情况下 波长越长 电波传播的主要通道的横截面积越大 相对遮挡面积就越小 接收点的场强就越大 因此 频率越低 绕射能力越强 电波 媒质效应 衰减损耗 衰落 干扰和噪声 极化偏转 反射 折射 散射 时