电磁波的传播特性.ppt

课程名称，第2部分，电磁波传播特性，电磁场和电磁波传输特性，传输损耗衰落多普勒频移无线通信系统的噪声和干扰，主要内容，一是电磁场和电磁波，电磁场理论1864年：麦克斯韦发表了电磁场理论，预示了电磁波的存在。 1887年：德国赫兹设计了世界上第一个无线电天线，1864年麦克斯韦证实了电磁波存在的预言。 该理论的研究和应用给人类通信带来了革命性突破，无线通信的应用彻底改变了人类通信方式，其中最重要的一点是移动通信：摆脱线路束缚，实现了无处不在的通信。 宇宙通信：为人类实现宇宙探索提供了通信手段。 无线通信技术是实际研究电磁波传输的技术，无线通信技术是移动通信技术的技术基础，作为移动通信专业的技术人员应当理解电磁场和电磁波技术的基本概念。 电磁场和电磁波的研究是一项非常复杂的技术，在此介绍非常简化的电磁波最基本的概念。 另一方面，电磁场和电磁波、电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程式决定。 在麦克斯韦方程中，电场和磁场是另一个不可分割的整体。 该方程系统完全概括了电磁场的基本规律，预示了电磁波的存在。 第一个方程表明静电场是活跃的。 第二个方程表明磁场是被动的。 第三个方程表明变化的磁场产生感应电场。 第四个方程表明变化的电场产生磁场。 另一方面，电磁场和电磁波、电磁波是科学的，电磁辐射是能量的一种，能放出能量的都放出电磁辐射。 人们一直生活在空气中，眼睛看不到空气，人们也无处不在地看不到电磁波，电磁波是人类素颜的“朋友”。 电磁波在传播中具有能量，可用作信息载体。 这为无线通信、广播、电视、遥感等技术开辟了道路。 电磁波不需要依靠介质(这非常重要！ 各种电磁波在真空中的传输速度是恒定的，速度是光速。 光波本身就是电磁波，电波也具有与光波相同的特性。 例如，通过不同的介质，会出现诸如折射、反射、衍射、散射、吸收等的现象。 电磁波是横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者相互垂直。 另一方面，电磁波和电磁波如果从低到高排列各频带的频率，则是商用频率的电磁波、电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线。 二、电磁波的传播特性，在无线通信中常被称为“射频”，射频是射频电流，简称RF，它是高频交流变化电磁波的简称。 当电磁波的频率低于100KHz时，电磁波被地表吸收，不能进行有效的传输。 然而，如果电磁波的频率高于100KHz，则电磁波可以通过空气传播而形成远距离传输能力，并且无线通信采用无线传输方案。 有时将具有长距离传输能力的高频电磁波称为高频信号。 电磁波的传播主要具有以下特性，并且这些特性与无线通信密切相关。 蒙皮效应的自由空间损耗吸收了反射，二是电磁波的传播特性，蒙皮效应的高频信号不存在于导体中，而是以波形存在于自由空间中。 当射频信号存在于半导体中时，射频信号仅存在于半导体的表面上。 如果在球状的实心导体上放置射频信号，只能在该导体的表面出现，不能进入。 如果将检测器放置在球内，则无法检测到射频信号的存在。 高频信号表示的这种行为叫做“表皮效应”。另一方面，当高频信号偏离导体边界并在自由空间中飞行以形成电磁波时，电磁波的传播特性和自由空间损耗经受所谓的自由空间损耗。 电磁波的损耗与我们学习的电路损耗不同，从“路”的概念发展为“场”的概念。 以光为例进行分析，打开手电筒的电源开关后，手电筒发出光开始发散。 将食指和拇指作为一个圆放在手电筒前，几乎所有的光都通过圆。 但是，这个圆离手电筒一定距离后，光的一部分不通过圆，实质上所有的光都还在那里，但发散的范围更广。 将该圆想象为接收机，则该圆越远，接收的光(信号)越少。 因此，对于接收机来说，类似于接收从手电筒(发送机)发出的光。 远处的接收机所接收的信号功率仅为发射机的辐射功率的一小部分，而大部分能量向另一个方向扩展，这是自由空间损耗的概念。 另一方面，除了自由空间损耗之外，电磁波的传播特性如果射频信号在空间上传播并遭遇，射频信号会以一定形式产生变化。 这些变化可分为更小(吸收)或改变(反射)传播方向两类。 在收音机里遇到的很多物体，都会减小空气、雨、玻璃、墙壁、树木等收音机信号。 我们可以将这些物体视为具有一定插入损耗的某种无源装置，这些物体表现的插入损耗被称为吸收器，吸收射频信号。 射频信号通过物体损失的能量到哪里去了？ 被物体吸收发烧了！ 物体变暖，当然温度变化小，难以测量。 我们日常生活中使用的微波炉正在利用无线电波信号的吸收来工作。 二、电磁波的传播特性、反射并不是所有物体遇到电磁波后都必须吸收射频能量。 一遇到无线频率，有时无线频率信号的方向会发生变化，这个方向的变化叫做反射。 一般来说，高频信号会以与碰撞物体时相反的角度反射，就像反射镜表面的光反射一样。 反射与两个因素有关：射频和物体材料。 既有像混凝土那样在一定程度上反射高频信号的材料，也有像金属导体那样完全反射的材料。 另外，传输损耗、移动通信系统的无线传播主要利用电磁波的直接波和反射波。 设计移动通信系统或分析移动通信系统的盖时，研究电磁波的传播是非常重要的，这主要有两个原因：首先是为了计算不同盖小区的信号强度。 在大多数情况下，每个复盖区域从几百米到几千米包括直接波和反射波。 二是计算相同信道和相邻信道之间的干扰。 由于移动通信系统采用频率复用技术，因此同一频率和相邻频率的干扰必须解决。 三、传输损耗和传播损耗是研究电磁波传播时接收机接收到的信号电平的一个主要特性。 由于传播路径和地形之间的干扰，传播信号减小了，这种信号强度的减小被称为传播损耗。 研究传播损耗，首先研究两个天线在自由空间(各向同性、无吸收、电导率为零)均匀介电条件下的特性。 对于理想的全向天线，自由空间传播损耗按照上述方程式示出，当自由空间损耗与距离d的平方成比例，d是1倍时，自由空间路径损耗增加6dB(4倍)。 另外，与频率f的平方成比例。 从众多研究结果表明，移动站所接收的信号电场强度值随地区位置的变化而出现相对较慢的变化，这种变化被称为慢衰落。 这主要是阴影效应造成的，又称阴影衰退。电波传播路径上如果有大的建筑物、树林、地形起伏等障碍物，就会产生电磁场的影响。 当移动站通过受不同障碍物干扰的电磁场影响时，接收电场强度的值发生变化，变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速度不仅取决于障碍物，还取决于移动站的速度。 另外，由于在典型的无线移动通信环境中接收机和发射机之间的直接路径易被建筑物或其他物体阻碍，所以无线基站和移动站之间的通信并不是全部经过直接路径，而是经过许多其他路径发生。 在微波段中，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即，来自建筑物平面或人造天然物体的反射。 在到达接收机的所有信号成分被合成后，产生根据各成分的相对变化信号强度增减的合成波。 合成电场强度在几个车体移动的距离内可能会有2030dB(1001000倍)的衰减，其最大值和最小值产生的位置大约相差1/4波长。 如果存在大量的传播路径，就会发生所谓的多径现象，复合波的振幅和相位随着移动站的运动而发生较大的起伏变化，这种现象通常被称为多径衰落和快速衰落，多径衰落在性质上是快速的变化。 四、衰落、五、多普勒频移、快速运动的移动站也发生多普勒频移现象。 这是因为当移动站在高速运动时收发信号时，信号频率偏移会影响通信，所以多普勒偏移对应于以下方程： fI是组合之后的频率，fO是工作频率，fD是最大多普勒偏移，I是多径信号组合的传播方向与移动站行进方向的角度，v是移动站的运动速度，是波长。 如果移动站快速远离基站，则fI=fO-fD； 当移动站快速靠近基站时，fI=fO fD。 在运动速度快的情况下，必须考虑多普勒频移的影响，工作频率越高多普勒频移越大。 六、在无线通信系统中，无线通信是使用电磁波作为信息载波的通信技术，并且通过使用电磁波的辐射和传播特性在空间上传输信息的通信方法是无线通信。 使用无线通信技术构成的通信系统是无线通信系统。 其主要特征是无线通信系统或开放式系统，信息载波是电磁波，电磁波的传输不需要介质，能在自由空间传播，这是无线通信和有线通信的最大差异。 电磁波的频率资源非常有限，ITU (国际电信联盟)根据业务和应用进行严格的频带分割。 无线通信的初始使用频率低，频率范围窄，频带主要限于长波和中波。 随着通信技术的进步，所使用的频率范围正在扩大。 当前在无线通信中使用的频率从超短波段到亚毫米波段存在亚毫米波的频率或更低到光波的频率。 移动通信主要使用微波频带，并且使用300到3000 MHz的部分毫米波，而例如GSM使用900MHz和1800MHz频带。 七、噪声与干扰、信道对信号传输