微波技术与天线 第7章.ppt

7.1无线电波传播的基本概念；7.2视线传播；7.3天线传播；7.4地面波传播；7.5非均匀介质的散射传播；7.1无线电波传播的基本概念； 如果发射功率为p瓦，则远离天线r的球面上的功率流密度为：卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡(7-1-4)接收天线的增益系数为GR，有效接收面积为Ae， 当使用(7-1-5)个输入功率与接收功率之间的比率定义为自由空间中的基本传输损耗3360，并且以对数形式表示时，(7-1-6)和(7-1-7)，在不考虑天线单元的情况下，自由空间中的传输损耗可以为： 可知在球面波传播过程中，随着距离变大，能量自然扩散，由此反映出球面，2 .传输介质对电波的传播产生的影响(1)传输损失(信道损失)，卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6该能量损失由于大气对电波的吸收和在传播距离、工作频率、发送天线、输入功率、接收天线都相同情况下，若设接收点的实际的电场强度e、功率pr ，自由空间的电场强度为E0、功率pr，则信道的衰减系数a为(7-1-8)，传输损耗Lb考虑天线的影响，若设Gi=GR=1，则实际的传输损耗Lb为不同传播方式、传播介质，信道的传输损失不同。 卡； (7-1-9)、(7-1-10 )、(2)衰落现象可卡可卡可卡可卡可引起6衰落的原因分类可大致分为：吸收型衰落：吸收型衰落主要根据传输介质的电参数的变化，信号在介质中的衰减大气中的氧气、水蒸气、后者凝结的云、雾、雨、雪等对电波有吸收作用。 由于天气的随机性，该吸收的强弱也起伏，形成信号的衰退。 由这种原因引起的信号电平的变化较慢，因此如图7-1(a )所示，称为慢衰落。 慢衰落通常是指信号电平的中央值(5分钟的中央值、时间的中央值、月份的中央值等)以长的时间间隔变动。 图7-1衰落现象、干扰型衰落：干扰型衰落主要是随机多路径干扰现象引起的。 在一些传输方式中，由于在发送接收的两个点之间存在若干传播路径，所以典型地是天线传播、不均匀介质传播等，因为传播介质是随机的，所以到达接收点的各个路径的延迟随机地变化，合成信号的振幅和相位随机地变化。 该起伏的周期短，信号电平的变化快，因此如图7-1(b )所示，被称为快衰落。 该衰落在移动通信信道中更为明显。 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡信号衰落现象严重影响无线电波传播的稳定性和系统的可靠性，且有必要采取有效的措施(例如分集接收)来克服。 57348； (3)传输失真电波通过介质除了传输损失之外，还产生失真的振幅失真和相位失真。 失真的原因是由于不同频率的无线电波在不同介质中的传播速度的不同而造成的信号失真。 当载置信号的电波全部占据一定频带时，电波在介质中传播并到达接收点，由于各频率成分的传播速度不同，因而无法保持本来的信号的相位关系，波形发生失真。根据具体信道的传输状况，确定由于色散效应导致的信号失真的程度。 随机多径传输效应：多径传输也引起信号失真。 这是因为，当发射电波时，电波通过两条或更多条不同长度的路径到达接收点，并且接收天线所拾取的信号是来自若干不同路径的电场强度之和。 在接收点的情况下，设来自两个路径的相位差为=的两个电场的矢量和。 最大传输延迟与最小传输延迟之间的差值被定义为多路径延迟。 相同的值对于发送信号的每个频率分量不同。 例如，如果相对于f1，1=1=，则两向量相反地相抵消，所以关于该分量的合成电场强度表示最小值的f2，如果2=2=2，则两向量进行同相相加，所以该分量的合成电场强度表示最大值，在图72(b )中示出。 其馀各成分按顺序类推。 显然，信号带宽过大会引起显着的失真。 因此，通常信号带宽不应当超过1/。 因此，引入相关带宽的概念，当相关带宽：图7-2的多径传输效果，(4)无限大的均匀性地在直线介质中传输无线电波传播方向上的改变的无线电波时，辐射线沿着该直线传输。 但是，电波传播实际经历的空间场所复杂、多样、在：个不同介质的边界折射、反射电波的介质中的不一致，例如对流层的湍流团或使电波散射的球形地面和障碍物使电波衍射的某个传输介质的时变性使放射线轨迹随机变化，使到达接收天线的放射线入射角随机变化因此，在研究实际传输介质对电波传播的影响时，电波传播方向的变化也是重要内容之一。 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡地面通信、卫星通信、雷达等都可以采用这种传播方式。 它主要用于超短波和微波波段的电波传播。 电波在地球周围的大气中传播，大气在电波中产生折射和衰减，视距为图7-3视线距离，地球半径a=6.370106m。 由于大气是不均匀的介质，压力、温度、湿度随高度变化，大气的介电常数是高度的函数。 在标准大气压下，大气的介电常数r随高度增加而减小，接近1，因此随着大气的折射率n=高度增加而减小。 如果将大气分成多个切片层，则各切片层均匀，各切片层的折射率n随着高度的增加而减少。 这样，电波在大气中依次通过各薄层界面时，放射线发生偏转，电波线如图7-4所示形成向下弯曲的弧。 此外，考虑到大气不均匀性对电波传播轨迹的影响，图7-4中大气对电波的折射率应该修改视距方程式，使得在光学方面，rrv的区域称为摄影区域。 由于电波的频率远低于光学频率，因此无法以上述几何光学的观点来完全区分区域。 通常，将r1.2rv的区域称为摄影区域，将0.8rvr1.2rv的区域称为半照明半摄影区域。 2、大气对电波的衰减、大气对电波的衰减主要来自云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收和水分子、氧分子对电波的共振吸收两个方面。 热吸收与小水滴的浓度有关，共振吸收与工作波长有关。 云、雾、雨等小水滴散射电波，散射衰减与小水滴半径的6次方成正比，与波长的4次方成反比。在工作波长比5cm短的情况下，应该考虑大气引起的电波的衰减，特别是在工作波长比3cm短的情况下，有大气引起的电波的衰减变大的倾向。 云、雾、雨、雪对微波传播的影响，降雨造成的衰减最严重，在10千兆赫以上的频率下，降雨造成的电波衰减往往相当大。 因此，地面和卫星通信线路的设计必须考虑降雨引起的衰减。 另外，在场分析视距传播中，如图7-5所示，除了从发送天线直接到达接收天线的正交反射波以外，还存在从发送天线经由地面反射到达接收天线的反射波。 因此，接收天线中的场为直线波与反射波的重叠。 另外，图7-5直接波和反射波将h1作为发送天线高度，将h2作为接收天线高度，将d作为发送接收天线间距，将e作为接收点电场强度，将E1作为直接波，将E2作为反射波。 根据以上的分析，接收点的电场强度在式中，r是反射点处的反射系数，R=|R|ej，f()是天线方向函数。 卡； (7-2-4)、(7-2-5)、式中，然后将其代入式(727 )，则成为(7-2-6)、(7-2-7)、(7-2-8)、(7-2-9)，如果具有两天线间距离dh1、h2，则对于视距通信电路来说，电波的放射仰角小(通常不足1 )，因此，在地面电导率为有限值的情况下(7-2-10 )、(7-2-11 )，图7-6接收点的电场强度根据天线的高度而变化，从图7-7接收点的电场强度根据间隔d而变化的曲线可知，如图7-6所示，在工作波长与发送接收天线的间隔不变化的情况下，接收点的电场强度根据天线的高度h1和h2而变化如果枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、 此外，在图7-8的接收点电场强度根据工作波长的变化曲线、即微波视距通信设计中，为了使接收点电场强度稳定，优选反射波的分量越小越好。 因此，在设计和选择通信信道路径时，必须尽量利用起伏的地形和地物，减弱反射波的电场强度，改变反射波的传播方向，使得不能到达接收点，保证接收点的电场强度稳定。 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡电离层的电子密度不均匀分布，因此根据电子密度的高度变化分为d、e、F1、F2四层，各区域的电子浓度如图7-9所示具有最大值。 由于电离层主要由太阳紫外辐射形成，其电子密度与日照密切相关的天白天大，夜晚小，而夜间d层消失的电离层电子密度随四季变化。 图7-9电离层的电子密度的高度分布，2 .电离层中电波的传播电离层成为视距传播的介绍方法，可将电离层分为多个切片层，每个切片层的电子密度均匀，但互不相同。 根据经典电力学求出的自由电子密度Ne的各向同性均匀介质的相对介电常数，其折射率为式中，f为电波的频率。 (7-3-1)、(7-3-2)当电波入射到空气-电离层界面时，电离层的折射率小于空气的折射率，因此折射角大于入射角，放射线向下方偏转。 电波进入电离层后，随着高度的增加，电子密度逐渐减小，因此各薄片层的折射率依次减小，电波持续下降直到达到某一高度，返回地面。 电离层对电波的反射可知是电波在电离层连续折射的结果。 如图7-10所示，在各片层间界面上连续应用折射定律时，可热可热可热可热可热可热(7-3-3)，图7-10电离层连续折射电波，上式表示天线传播时的电波频率f(Hz )、入射角0和电波折返处的电子密度Ni (电子数/m3)的关系。 (7-3-4)、(7-3-5)如果电波在第I层到达最高点并立即返回地面，则将i=90代入上式而得到，式中，Nmax是电离层的最大电子密度. e； 即，在电波的入射角0一定的情况下，随着频率变高，电波被反射而到达的距离变远。 在电波的工作频率高于fmax的情况下，电离层不存在大于Nmax的电子密度，因此被电离层“反射”而不能通过电离层，这是因为如图7-11所示，超短波和微波不能通过天线传播的原因。 (1)根据最高可使用频率式(7-3-5)，在适当的电波以0的角度入射的情况下，电离层将电波“反射”而返回的最高可使用频率为(7-3-6)，天线传播的基本概念，图7-110恒定且频率不同的放射线，入射角00min的电波不会“反射”到电离层，因此以放射天线为中心的恒定半径(3)多路径效应天线朝向电离层的是无线电波，因为各个放射线的入射角稍微不同，所以以不同的高度被“反射”而返回，所以将多个路径到达接收点(图7-13 )的现象称为多路径传输。 (7-3-7)、(2)由天线静态区分式(7-3-4)得到的电离层将频率f(Hz )的电波“反射”而返回的最小入射角0min是图7-12频率一定时的通信距离与入射角的关系、图7-13多路径效应、57348； (4)最佳工作频率fopt(4)电离层中自由电子的运动消散电波能量，衰减电波，但电离层对电波的吸收主要为d层和e层，因此为了减少电离层对电波的吸收，天线传播必须采用尽可能高的工作频率。 但是，工作频率过高的话，电波到达电子密度高的地方被“反射”，因此电波在电离层的传播距离变大，电离层的电波衰减也变大。 因此，还必须注意的是，通常选择最佳工作频率fopt的原因是电离层的d层吸收电波很严重，晚上d层消失，天线信号增强，这是晚上能够接收更多短波无线电的原因。 天线通信的特点是频率选择很重要，频率过高，电波通过电离层射向宇宙的频率过低，电离层的吸收过大，不能保证必要的信噪比。 因此，通信频率必须选择接近最佳频率。 天线传播的随机多径效应大，多径延迟大，信道带宽窄。 天线传播不稳定，衰落严重，电路设计时应考虑衰落的影响，使电路设计具有足够的水平馀量。 由于蚊、蚊、埃、埃、埃、埃、埃带宽较窄，短波收音机特别拥挤，收音机之间的干扰较大，特别是夜间电离层的吸收减少，因此改善了电波传播条件，台间干扰进一步加大。 天线传播在高空电离层反射，因此地面吸收和障碍物的影响小，即该传播方式的传输损失小，因此能够以较小的电力进行电信。 枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、枫叶、