微波与卫星通信第4章ppt课件

第4章微波传播,4.1自由空间的电波传播4.2地面反射对电波传播的影响4.3对流层对电波传播的影响4.4几种大气和地面效应造成的衰落4.5频率选择性衰落4.6抗衰落技术4.7卫星通信电波传播的特点,长波、中波采用此种方式,短波采用此种方式,微波采用此种方式,利用大气对流层进行传播反射、折射、散射,利用大气电离层进行传播反射、折射、散射,沿地球表面进行传播,1.电波与自由空间的概念微波是一种电磁波，微波射频为300MHz300GHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。电波也称电磁波，指一个高频交流电流周期，可视为以确定速度在导体内传播的波。,4.1自由空间的电波传播,自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间，现实中并不存在。空间中充满均匀、理想介质，其中：,导电率介电常数导磁系数,2.自由空间传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，也就是说，总能量没有被损耗。但是因为能量是向四面八方扩散的，所以存在着衰耗现象。将这种衰耗称为自由空间的传播损耗！,设发信设备位于球体中心，使用无方向性天线，以功率Pt向周围空间辐射电磁波，在半径为d的球面上接收点B的单位面积上的平均功率为：,由天线理论可知，一个各向均匀辐射的天线，其有效面积为:,这样，一个无方向性天线在B点收到的功率为:,传播损耗为:,或:,当距离d单位为km，频率f单位为GHz时:,当距离d单位为km，频率f单位为MHz时:,3.自由空间传播条件下收信电平的计算,微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线，当收发天线增益分别为Gr（dB）,Gt（dB）；收发两端馈线系统损耗分别为Lfr（dB）,Lft（dB）；收发两端分路系统损耗分别为Lbr（dB）,Lbt（dB）时，则在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为：,Pr（dBm）Pt（dBm）+（Gt+Gr）（LftLfr）（LbtLbr）Ls,【例4-1】已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，GtGr39dB，LftLfr2dB，LbtLbr1dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。解由已知条件站距d45km，工作频率f=3800MHz，可得自由空间传播损耗为Ls（dB）=32.4+20lg45+20lg3800137dB将Pt=1W换算成电平值：Pt=10lg1000mW30dBm,练习题：167页4-11,4.2地面反射对电波传播的影响,不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。,地面把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，与直射波信号产生干涉，并与直射波在收信点进行矢量相加，使得收信电平比自由空间传播条件下的收信电平增加或减小。,4.2.1费涅耳区的概念1.惠更斯费涅耳原理,惠更斯电磁波的波动学说,费涅耳提出“费涅耳区”的概念，并进一步解释了电波的反射、绕射现象。,惠更斯原理的基本思想：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。,当天线尺寸远小于站间距离的时候，可把天线近似看成一个点源,2.费涅耳区的概念,一,发信点,收信点,反射点P的轨迹：PT与PR之和为一常数，即椭球面,设TR间距离为d:当PT+PR为d+/2时，将P点的轨迹称为第一费涅耳椭球面当PT+PR为d+2/2时，将P点的轨迹称为第二费涅耳椭球面当PT+PR为d+n/2时，将P点的轨迹称为第n费涅耳椭球面如图A、B所示,费涅耳区：由T点发出且过P点的一系列球面波与一系列费涅耳椭球面交割，在交割面上得到一系列的圆和圆环，称之为费涅耳区。,3.费涅耳区半径将费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。第一费涅耳区半径用F1表示。,根据费涅耳区定义及上图所示，可得：,经公式推导，可近似得到：,同理可得第二费涅耳区半径：,第n费涅耳区半径：,若波长单位为米，距离单位为公里：,P点位置不同时，费涅耳半径大小也不同。当d1=d2时，第一费涅耳区半径有最大值，表示为F1m,求任意一点第一费涅耳区半径,4.收信点场强与各费涅耳区参量的关系,经分析发现：相邻费涅耳区在收信点R产生的场强反相（相位相差180）。以第一费涅耳区为参考，奇数费涅耳区使收信场强增强，偶数费涅耳区使收信场强减弱。收信点场强是各个费涅耳区在R点所产生场强的矢量和，进行矢量相加的结果是收信点R在自由空间从所有费涅耳区得到的场强仅近似等于第一费涅耳区半区空间在该点产生的场强。,4.2.2地面反射对收信电平的影响,1.平坦地形对电波的反射下面所研究的环境不再是自由空间，是在真实大气中地面对电波的反射。在实际的微波通信过程中，收信点除了收到直射波外，还收到经地面反射并满足反射条件的反射波。,反射点,入射角,反射角,发端天线高度,收端天线高度,余隙：反射点到TR连线的铅垂距离，可正可负。,推导直射波和反射波在收信点的合成场强：,设E0为自由空间传播时（即直射波）电场强度的有效值，则瞬时值为,反射波场强的瞬时值为,经推导（略），合成场强的有效值为：,称合成场强与自由空间场强之比为考虑地面影响时的衰落因子V，表示为：,考虑地面影响后，实际收信电平为：,不考虑地面影响时的自由空间收信电平,2.用费涅耳区的概念分析地面反射影响,当投射角很小时（这符合实际情况），反射系数的相角接近180，此时：,表明衰落因子与相对余隙间存在定量关系,收信电平等于自由空间下的接收电平，称自由空间余隙，此时h0=0.577F1,hC=F1，即反射点位于第一费涅耳区边缘，此时衰减为正的最大值使收信点场强增加！,此时反射点位于第二费涅耳区边缘，出现深衰落,的取值参见书125页表4-1,结论：设计天线高度时应尽量使反射点落在奇数费涅耳区的边缘附近！,3.路径上刃形障碍物的阻挡损耗当传输路径上存在刃形障碍物时，使电波传播损耗增加，称此增加的损耗为附加损耗，使收信电平发生改变。,刃形障碍物的附加损耗,此时接近于自由空间接收电平,【例4-2】已知条件见例题4-1，且传播路径上有刃形障碍物，若余隙hc0，求收信电平。解（1）求刃形障碍物的阻挡损耗，由hc0，查图得VdB6dB（2）根据【例4-1】得出的结果，收信电平为pr（dBm）=35dBm，故实际的收信电平为pr（dBm）=35dBm（6）41dBm,4.微波线路的分类视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类：（1）hch0称为开路线路；（2）0hch0称为半开路线路；（3）hc0称为闭路线路。,h0为自由空间余隙，h0=0.577F1,对应于三种情况，衰落因子V的计算方法：（1）对于开路线路，粗略估算时可利用图，但因曲线族数量有限，作精确计算时使用公式：,（2）对刃形障碍物，V值可由图所示曲线查出。,（3）对于由较大高地、山岭等障碍物造成的半开路线路和闭路线路，衰落因子V应按绕射公式求出（下节讲述），也可由图左半部所示的曲线查出。,4.3对流层对电波传播的影响,从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离层以及逸散层。对流层特点：指自地面向上大约10km范围的低空大气层；大气密度不均匀，存在对流运动；集中了整个大气质量的四分之三。微波主要以空间波的方式进行传播，对流层对其产生主要影响，所以重点研究。,对流层对微波传播的影响，主要表现在以下几点：（1）由于气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收。(主要影响2cm以下的微波)（2）由雨、雾、雪引起对电磁波能量的吸收。(主要影响5cm以下的微波)（3）由于气象因素等影响，使对流层形成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中的不均匀结构，产生电波的折射现象。,4.3.1大气折射1.大气折射率电波在自由空间的传播速度为,在真实大气中，介电常数=0，因此大气中电波的传播速度为,设大气折射率为n，定义为电波自由空间的传播速度与大气的传播速度之比：,n值通常在1.0到1.00045之间，为了便于计算，有时采用折射指数N：N（n1）106在自由空间N0，在地球表面N300左右,2.折射率梯度折射率梯度表示折射率随高度的变化率，体现了不同高度的大气压力、温度及湿度对大气折射的影响，表示为。（1）0时，n随高度的增加而增加，因v与n成反比，故v随高度增加而减小。（2）0时，n随高度的增加而减小，使电波传播的轨迹向下弯曲。,大气折射对电波轨迹的影响,3.等效地球半径由于大气的折射作用，实际的电波以曲线进行传播，给设计带来很大麻烦，为解决这一问题引入等效地球半径的概念。此时：可把电波射线仍看成直线，而把地球半径a等效为ae。等效条件：电波轨迹与地面间的相对余隙相等，或等效前及等效后的电波路径与球形地面之间的曲率之差保持不变。,定义K为等效地球半径系数K与折射率的关系为,6370km,K是反映对流层气象条件变化对电波传播影响的重要参数!,4.折射的分类根据电波受大气折射后的轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类。（1）无折射：当0时，N不随大气的垂直高度而变化，此时K1或aea。,（2）负折射：当0时，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，使电波传播轨迹向上弯曲。（3）正折射：当0时，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，使电波传播轨迹向下弯曲。,折射的分类,=,正折射,在温带地区的气候条件下，通过大量实验求得折射率梯度的平均值为：,代入K值计算公式，得：,此时，称为标准等效地球半径,4.3.2大气折射引起的余隙变化,电波传播时存在大气折射现象,电波传播路线发生弯曲,导致余隙增大或减小,引起反射衰减的变化,造成收信点的收信电平发生改变,1.地球的凸起高度当使用等效地球半径的概念后，虽然折射使电波射线弯曲，但仍可视电波射线为直线，而认为地球半径有了变化，即由实际半径a变为等效半径ae。,无折射时，设地球半径为a，余隙为hc，地球突起高度为h，则一个中继段之间任意一点地球突起高度为：,当考虑电波折射时后，地球等效半径为ae，等效后地球突起高度为：,2.余隙的变化与选取设地球凸起高度的变化为he，在数值上余隙的变化就是地球凸起高度的变化，即：,令等效后余隙为hce，则：,由上式可知：K1（正折射）时，等效的余隙hce增大；K1（负折射）时，等效的余隙hce减小；,4.3.3复杂球形地面引起电波衰落的计算1.路径中地势最高点为反射点时VdB的计算,当已知反射点位置时，考虑气象条件后，反射点余隙表达式为：,【例4-3】设微波通信频率为8GHz，站距为50km，若路径为真实的光滑球形地面，求：（1）当不计及气象影响时（he=0），为保证h0的自由传播空间不受阻挡，收、发天线高度Hmin为多少米（设收发天线等高）？（2）当K2/3时，即考虑气象条件对电波传播影响，且要求hch0时，收、发信天线高度至少应为多少米？,解（1）根据题意，所给地形为光滑球面，故可设线路中点为地球凸起高度最高点和反射点，因设收、发天线等高（H1H2），可画出图根据上面的假设，d1d225km，自由空间余隙为,(2)考虑气象条件影响，K2/3时，地球凸起高度为,2.平原地区反射点的确定及VdB计算当天线高度已经确定，路径基本属于平原地形时，欲求出地面反射对电波传播的影响，首先应求出反射点。,3.余隙较小时绕射衰落的计算当hc很小或为负值时，电路呈半开路或闭路线路状态。对绕射公式的理论推导相当麻烦，这里只讲工程上对绕射衰落的近似计算方法，用下述三种情况加以说明。,V0dB为hc=0时衰减因子的电平值,4.4几种大气和地面效应造成的衰落,4.4.1概述大气中有对流、平流、端流以及雨雾等现象，它们都是由对流层中一些特殊的大气环境造成的，并且是随机产生的。,4.4.2衰落的种类1.大气吸收衰耗众所周知，任何物质的分子都是由带电的粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。2.雨雾引起的散射衰耗雨雾中的小水滴能散射电磁波能量而造成散射衰耗。,3.K型衰落这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。,4.波导型衰落由于各种气象条件的影响，如地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区，都会形成大气层中的不均匀结构。5.闪烁衰落对流层中的大气常常发生体积大小不等现象。无规则的漩涡运动，称为大气湍流。,4.4.3衰落的统计特性1.衰落特性的表示方法描述衰落的统计特性可以有不同的方法。例如可用连续记录收信场强（或收信电平）随时间变化的时间分布曲线；也可将场强记录中低于某一场强的时间加起来，再除以总时间，得到低于该场强的时间百分数或概率，绘出收信场强的累积分布曲线等。,2.瑞利衰落概率的经验公式当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件时，衰落的瑞利概率为式中，d为站距（km）；,f为微波工作频率（GHz）；K为环境条件因子；Q为地形条件因子；W0为无衰落时的接收功率；W为有衰落时的接收功率；,3.衰落深度的计算衰落深度又叫衰落储备，但数字微波通信中的衰落储备与模拟微波中的衰落储备值不同。【例4-4】某平原地区的数字微波通信线路用于数据传输，线路长度为1000km，通信频率为7GHz，全线路误码率为10-6时的中断概率为0.01，该中继段站距为40km。求衰落深度。,4.5频率选择性衰落,4.5.1电波的多径传播现象1.基本概念由本章前几节讨论的内容知道，对一个中继段而言，收信点除可以收到直射波外，还会收到来自路径某点的反射波。,2.对多径传播的进一步分析可把多径传播归纳为两种类型：一种是直射波与反射波形成的多径；另一种是低空大气层大气效应造成的几种途径并存的多径。3.频率选择性衰落若固定某一时刻，A（，t）和T（，t）就变成只是频率的函数了，相应的幅频特性A（f）和时延特性T（f）曲线如图4-24所示。,图4-24两条射线信道的传输特性,4.5.2频率选择性衰落对微波通信系统传输质量的影响1.引起带内失真带内失真会导致解调后数字信号的波形失真，波形失真又会造成码间干扰。有关资料表明，在信号的通频带内，56dB的振幅起伏就会使数字微波通信系统产生不能允许的高误码率，使系统性能变坏。,决定频率选择性衰落程度的基本参数是两条射线的振幅比r和路径时延差0。当0一定时，r越接近1，衰落越严重；当r一定时，0越大，信号的色散越严重。2.使交叉极化鉴别度下降,3.使系统原有的衰落储备值下降这里所指的衰落储备值下降，往往指数字微波的有效衰落储备。数字微波通信系统经常用到有效衰落储备的概念：它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时，为了在不超过门限误码率时系统仍能工作，所必须留有的电平余量。,4.6抗衰落技术,4.6.1概述对抗衰落的技术措施可以从两个方面去考虑：一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，另一个方面是对已建成微波电路的衰落严重接力段的考虑。,1.准备建设的微波电路首先要按设计程序选好路由，为了防止地面反射造成的干涉型K型衰落，应避免使线路穿越水网、湖面或海面等强反射区域。,2.已建成的微波电路（1）分集技术与种类目前在微波通信和卫星通信系统中，抗衰落的主要手段是采用分集技术。分集就是指通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。,（2）分集改善效果分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果（好处）。分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比。,4.6.2微波通信常用的空间分集接收方式空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统，本书以空间分集接收为例说明这种技术。空间分集接收是指在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。,下面列举的几种空间分集均为二重空间分集接收方式。1.同相合成分集接收同相合成又叫最大功率合成，有微波同相合成和中频同相合成两种形式。,2.最小振幅偏差合成分集接收（1）工作原理如图4-27所示为最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图。（2）与同相合成性能比较如图4-28所示的为最小振幅偏差合成与同相合成在改善带内失真方面的性能比较，合成过程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示。,图4-27最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图,图4-28同相与最小振幅偏差合成性能比较,3.基带开关分集接收这种分集接收方式是把上、下两天线接收的信号分别经过各自的接收机，变成中频信号并解调成基带信号后，由分集开关盘进行选择倒换，选择误码率较低的一路作为基带信号输出。4.分集改善效果在数字微波通信系统中，不管采用哪一种空间分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强，还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。,4.6.3自适应均衡技术1.频域自适应均衡器在模拟微波通信系统中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是该均衡器仅作静态特性的补偿。图4-30（a）左边部分示出了因多径传播造成的频率选择性衰落时，凹陷点的频率及其陡度（特性会随时变化）。图4-30（b）所示的是这种频域均衡器的原理电路。,