第13章--电波传播综述.ppt

第13章电波传播 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 2 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 1 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 一 电波传播的基础知识 无线电波频段的划分 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 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 二 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 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 D 1的无方向性接收天线的有效接收面积为 所以该接收天线的接收功率为 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 或 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 相应的衰减损耗为 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 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 衰减损耗 自由空间传播损耗 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 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 三 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 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 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 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 可以认为 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 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 通常d1 F1 d2 F1 将上式作一级近似 可得 显然 该半径在中点d1 d2 d 2处达到最大值 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 时域 频域畸变 这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产生严重影响 因此各种媒质中各频段电磁波的传播效应是电波传播研究的主要对象 电波传播的基本特性 电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 衰落特性移动通信信道基站天线 移动用户天线和两付天线之间的传播路径衰落的原因复杂的无线电波传播环境无线电波传播方式直射 反射 绕射和散射以及它们的合成衰落的表现传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移 考虑问题衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础基本方法理论分析方法 如射线跟踪法 应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型现场测试方法 如冲激响应法 在不同的传播环境中做电波实测实验 通过对测试数据进行统计分析 来建立预测模型 电波传播特性的研究 基本电波的传播机制 反射 理想介质表面的反射极化特性多径信号两径传播模型多径传播模型 两径传播模型接收信号功率简化后其中 相位差 多径传播模型其中 N为路径数 当N很大时 无法用公式准确计算出接收信号的功率 必须用统计的方法计算接收信号的功率 地面二次效应可忽略 直射波 反射波 地表面波可忽略 直射波 反射波 图2 2两径传播模型 发射天线 接收天线 多径信号 绕射 惠更斯 菲涅尔原理 菲涅尔区 基尔霍夫公式 惠更斯 菲涅尔原理 原理波在传播过程中 行进中的波前 面 上的每一点 都可作为产生次级波的点源 这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前 面 绕射由次级波的传播进入阴影区而形成 阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和 说明在P 点处的次级波前中 只有夹角为 即 的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的 角 将在0 到180 之间变化 越大 到达接收点辐射能量越大 图2 3对惠更斯 菲涅尔原理说明 菲涅尔区基尔霍夫公式 菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大的连续区域接收点信号的合成n为奇数时 两信号抵消n为偶数时 两信号叠加菲涅尔区同心半径第一菲涅尔区半径 n 1 特点在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区 则大部分能量可以达到接收机 基尔霍夫公式从波前点到空间任何一点的场强式中 ER是波面场强 是与波面正交的场强导数 图2 4菲涅尔区截面 散射 起因无线电波遇到粗糙表面时 反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定表面平整度的参数高度平面上最大的突起高度h 粗糙表面下的反射场强散射损耗系数式中 为表面高度h的标准差 h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量 用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强 阴影衰落的基本特性 阴影衰落 慢衰落 移动无线通信信道传播环境中的地形起伏 建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点衰落与传播地形和地物分布 高度有关表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中 r移动用户和基站之间的距离 由于阴影产生的对数损耗 dB 服从零平均和标准偏差 dB的对数正态分布m路径损耗指数实验数据表明m 4 标准差 8dB 是合理的 阴影衰落传播的基本特性 什么是阴影衰落 由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏 建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场半盲区长期慢衰落 大尺度衰落 阴影效应 阴影衰落过大 无法接收信号 阴影衰落传播的基本特性 阴影损耗的标准偏差特点 电平起伏相对缓慢衰落与地形 地物的分布和高度有关 多径衰落的基本特性 幅度衰落接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落空间角度模拟通信系统的主要考虑对象原因本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落时延扩展接收信号中脉冲的宽度扩展时间角度数字通信系统的主要考虑对象原因信号的传播路径不同 所以到达接收端的时间也就不同 导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号 多普勒频移 原因移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒 Doppler 频率漂移表达式多普勒频移cos 式中v移动速度 波长vx 入射波与移动台移动方向之间的夹角 最大多普勒 Doppler 频移 入射电波 描述多径信道的主要参数 由于多径环境和移动台运动等影响因素 使得移动信道对传输信号在时间 频率和角度上造成了色散 通常用功率在时间 频率以及角度上的分布来描述这种色散多径信道的主要参数定量描述这些色散时常用的一些特定参数 功率延迟分布PDP 时间色散 多普勒功率谱密度DPSD 角度谱PAP 频率色散 角度色散 衰落的分类及判定 判定由信道和信号两方面决定 数字通信系统 信号带宽小于信道相关带宽Bs Bc 信号带宽远大于信道相关带宽Bs Bc 平坦衰落 频选衰落 码间干扰 多径衰落信道的分类 平