《微波传输基本理论》ppt课件

1、第五章第五章 微波传输根本实际微波传输根本实际内容提要无线电波传播的方式及特性微波传输衰落及抗衰落技术 微波传输系统及运用各种波段波的特性长波的穿射才干最强，电磁波靠地波传播，但其收发信长波的穿射才干最强，电磁波靠地波传播，但其收发信天线的占用场地很大，常用于海上通讯。天线的占用场地很大，常用于海上通讯。中波比较稳定，主要用于广播。中波比较稳定，主要用于广播。短波在传输过程中，碰到电离层会发生反射景象因此其短波在传输过程中，碰到电离层会发生反射景象因此其传输间隔很远，故短波常用于远间隔通讯或广播。但极传输间隔很远，故短波常用于远间隔通讯或广播。但极易受电离层变化的影响，信号会时强时弱。易受电离

2、层变化的影响，信号会时强时弱。超短波的传输特性同光波一样，是沿直线传播的，要求超短波的传输特性同光波一样，是沿直线传播的，要求通讯双方之间两微波站之间没有阻挠物，信号方能通讯双方之间两微波站之间没有阻挠物，信号方能传输到对方。传输到对方。微波传输特性也和光波一样，只能沿直线传播即视距传微波传输特性也和光波一样，只能沿直线传播即视距传播，绕射才干弱，且在传播中遇到不均匀的介质时，将播，绕射才干弱，且在传播中遇到不均匀的介质时，将产生折射和反射。产生折射和反射。 5.1 无线电波传播的方式及特性无线电波传播的方式及特性5.1.1电波传播所涉及到的地球大气层电波传播所涉及到的地球大气层 电波传播会涉

3、及到地球大气层，地电波传播会涉及到地球大气层，地球上面的大气层的构造如图。球上面的大气层的构造如图。 对流层对流层 平流层平流层 电离层电离层 大气层的构造5.1.2无线电波在空间的传播方式无线电波在空间的传播方式 电磁波在其横向平面中场值的大小和方向电磁波在其横向平面中场值的大小和方向都不变，那么称为均匀平面波。为简化起都不变，那么称为均匀平面波。为简化起见，下面只讨论均匀平面波在自在空间中见，下面只讨论均匀平面波在自在空间中的传播情况。的传播情况。 在无边境开放的无限空间中，电磁波在无边境开放的无限空间中，电磁波的场构造只需横电磁波的场构造只需横电磁波TEM。513 无线电波传播的方式及特

4、性无线电波传播的方式及特性无线电波由发射天线辐射到空间的各区域无线电波由发射天线辐射到空间的各区域后，可依不同的途径到达接纳天线处。后，可依不同的途径到达接纳天线处。5.1.3.1地外表波传播地外表波传播地表波传播地表波传播 这是一种沿着地球外表传播的电磁波，简这是一种沿着地球外表传播的电磁波，简称地表波。主要用在中、长波波段称地表波。主要用在中、长波波段(广播广播)。5.1.3.2 对流层电波传播对流层电波传播无线电波在低层大气层无线电波在低层大气层对流层中的传对流层中的传播就称为对流层电波传播。按传播机制区播就称为对流层电波传播。按传播机制区分，又可分为：直射波传播、散射波传播分，又可分为

5、：直射波传播、散射波传播和地面反射波传播。和地面反射波传播。 直射波 电离层 对流层 天波 散射波 地波 地反射波 C T R 图 5-3 无线电波传播的几种方式 1.直射波传播直射波传播 当收、发天线架设高度较高时，电波从发射天线直射到接纳当收、发天线架设高度较高时，电波从发射天线直射到接纳天线的传播方式，亦可称为视距传播。普通用在超短波和天线的传播方式，亦可称为视距传播。普通用在超短波和微波波段，主要用于微波中继通讯、甚高频和超高频广播、微波波段，主要用于微波中继通讯、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。直射波传播是最主要的无线电波传播电视、雷达等业务。直射波传播是最主要的无线电波传播方

6、式。方式。2.散射波传播散射波传播 这种传播主要是由于电磁波投射到大气层如对流层中不这种传播主要是由于电磁波投射到大气层如对流层中不均匀气团上时产生散射，特别适用于无法建立微波中继站均匀气团上时产生散射，特别适用于无法建立微波中继站的地域，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地的地域，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地域。域。3.地面反射波传播地面反射波传播 电波经地面反射后到达接纳地点的传播方式。电波经地面反射后到达接纳地点的传播方式。 5.1.3.3电离层电波传播电离层电波传播无线电波经电离层反射或散射后到达接纳点的一无线电波经电离层反射或散射后到达接纳点的一种传播方式。依传播

7、机制又可分为：电离层反射种传播方式。依传播机制又可分为：电离层反射传播、电离层散射传播和流星电离余迹反散传播、电离层散射传播和流星电离余迹反散射传播。射传播。5.1.3.4外大气层及行星际空间电波传播外大气层及行星际空间电波传播 5.1.3.5电波传播的特性电波传播的特性 电磁波的频段或波长不同，其传播方式电磁波的频段或波长不同，其传播方式和特点也不同和特点也不同,但有以下共同特性。但有以下共同特性。1.电磁波在均匀媒质中沿直线传播电磁波在均匀媒质中沿直线传播 在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速度一样度一样 ,传播方向不变传播方向不变 .2.辐射能量的分散与吸

8、收辐射能量的分散与吸收能量衰减能量衰减 当电磁波分开天线后，便向四面八方分当电磁波分开天线后，便向四面八方分散，随着传播间隔添加，空间的电磁场散，随着传播间隔添加，空间的电磁场就越来越弱就越来越弱 . n假设发射天线置于自在空间一个没有可假设发射天线置于自在空间一个没有可以反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波以反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波的无限大的真空中，假设无方向性天线，的无限大的真空中，假设无方向性天线，辐射功率为辐射功率为PT瓦，那么间隔辐射源瓦，那么间隔辐射源d米处米处的电场强度有效值为：的电场强度有效值为：n上式阐明，电场上式阐明，电场/磁场强度与传播间隔成磁场强度与传播间隔成反

9、比，当电波经一段途径传播后，添加能反比，当电波经一段途径传播后，添加能量依然会遭到衰减，这是由于辐射能量的量依然会遭到衰减，这是由于辐射能量的分散而引起的。分散而引起的。)/(300mVdPET3.反射与折射反射与折射 当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的交界面上，传播方向会发生在两种媒质的交界面上，传播方向会发生改动，产生反射和折射景象。并遵守光学改动，产生反射和折射景象。并遵守光学的折射和反射定律。的折射和反射定律。 4.电波的干涉电波的干涉 由同一电波源所产生的电磁波，经过不同由同一电波源所产生的电磁波，经过不同的途径到达某接纳点场强由不同

10、途径的电的途径到达某接纳点场强由不同途径的电波合成，这种景象叫做波的干涉，也称作波合成，这种景象叫做波的干涉，也称作多径效应。接纳点的场强是由直射波和地多径效应。接纳点的场强是由直射波和地面反射波合成的。面反射波合成的。5.绕射景象绕射景象 电波在传播过程中有一定的绕过妨碍物的电波在传播过程中有一定的绕过妨碍物的才干，这种景象称为绕射才干，这种景象称为绕射5.1.45.1.4传输媒质对电波传播的影响传输媒质对电波传播的影响5.1.4.1传播损耗传播损耗1自在空间的传播损耗自在空间的传播损耗自在空间传播指天线周围为无限大真空时的自在空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播，能量既不会被吸收，也

11、不会产生电波传播，能量既不会被吸收，也不会产生反射和散射。反射和散射。此时的电波分散损耗称自在空间传播损耗此时的电波分散损耗称自在空间传播损耗由电磁场实际可知，假设无方向性也称全由电磁场实际可知，假设无方向性也称全向天线天线的辐射功率为向天线天线的辐射功率为 瓦时，那么距瓦时，那么距辐射源辐射源d d米处的电场强度和磁场强度有效值分米处的电场强度和磁场强度有效值分别为：别为：单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度WsWs为：为：Ws = PT /4d2Ws = PT /4d2W/m2W/m2 4d2_4d2_球体外表积球体外表积)/(300mVdPET)/(120300mAdPHTT

12、PPR假设用发射天线增益为假设用发射天线增益为GTGT的有方向的有方向性天线取代无方向性天线，那么上性天线取代无方向性天线，那么上述公式应改写为：述公式应改写为： dGPETT300V/m dGPHTT12030024 dGPWTTSA/m w/m 接纳天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接接纳天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接纳天线的有效面积。即：纳天线的有效面积。即： RsRAWP式中，为接纳天线的有效面积，它与接纳天线增益满足式中，为接纳天线的有效面积，它与接纳天线增益满足以下关系：以下关系： RRGA42式中，式中， 为无方向性天线的有效面积。可得：为无方向性天线的

13、有效面积。可得： 4224dGGPPRTTR5.15.1 将输入功率将输入功率PTPT与输出功率与输出功率PRPR之比定义为含收发天线增益的之比定义为含收发天线增益的自在空间信道的根本传播损耗自在空间信道的根本传播损耗L LP P： RTRTPGGdPPL1425.2a 将上式取对数得：将上式取对数得： )()()(lg20)(lg2045.32 14lg10lg102dBGdBGMHzfkmdGGdPPLRTRTRTP假设收发天线增益为假设收发天线增益为0 dB0 dB即即GR=GT=1GR=GT=1，那么自在空间传播损，那么自在空间传播损耗耗LPLP： )(lg20)(lg2045.32

14、4lg10lg102MHzfkmddPPLRTP由上式可见，自在空间中电波传播损耗与任务频率由上式可见，自在空间中电波传播损耗与任务频率f f和传播间和传播间隔隔d d成正比。当成正比。当f f或或d d增大一倍时，增大一倍时，LPLP将会分别添加将会分别添加6 dB6 dB。LPLP反映了球面波的分散损耗大小。反映了球面波的分散损耗大小。 例例5-1：某微波传输信道，发射天线的增益为：某微波传输信道，发射天线的增益为22dB，接纳天，接纳天线的的增益为线的的增益为18dB，收发间隔为，收发间隔为14500 km，载波中心频率，载波中心频率为为5.904GHz求求(1)该信道的根本传输损耗为多

15、少该信道的根本传输损耗为多少? (2)假设发射功率为假设发射功率为25w,接纳机的接纳到的功率为多少接纳机的接纳到的功率为多少? dBdBGdBGMHzfkmdLRTP15118224 .752 .8345.32)()()(lg20)(lg2045.322 2接纳机的接纳到的功率为：接纳机的接纳到的功率为： )(109335. 1102510141 .1510/ wPPPLTR解解1 1该信道的根本传输损耗为：该信道的根本传输损耗为： 2实践空间的传播损耗实践空间的传播损耗实践电波的传播实践电波的传播, 不同的传播方式、传播媒质，信道的传输不同的传播方式、传播媒质，信道的传输损耗不同。损耗不同

16、。在传播间隔、任务频率、发射天线、输入功率在传播间隔、任务频率、发射天线、输入功率PT和接纳天和接纳天线都一样的情况下，设接纳点的实践场强为线都一样的情况下，设接纳点的实践场强为E，功率为，功率为 ，而自在空间场强为而自在空间场强为 、功率为、功率为 ，那么信道的衰减因子，那么信道的衰减因子A为：为：RP0ERP)(lg10lg200dBPPEEARR那么实践空间的传播损耗那么实践空间的传播损耗LbLb为：为： )( )(lg20)(lg2045.32lg10lg10lg10dBAGGkmdMHzfALPPPPPPLRTpRRRTRTb5.1.4.2 传播衰落景象传播衰落景象 衰落？普通是指信

17、号电平随时间的衰落？普通是指信号电平随时间的随机起伏。按引起衰落的缘由可以分随机起伏。按引起衰落的缘由可以分为为吸收型衰落：主要是由于传播媒质电吸收型衰落：主要是由于传播媒质电参数的变化，使得信号在媒质中的衰参数的变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。这种衰减发生相应的变化而引起的。这种衰落跟天气有很大的关系，而且信号电落跟天气有很大的关系，而且信号电平的变化缓慢，所以称为慢衰落。此平的变化缓慢，所以称为慢衰落。此外，由地形起伏、建筑物及妨碍物的外，由地形起伏、建筑物及妨碍物的遮盖等引起的阴影衰落也称慢衰落。遮盖等引起的阴影衰落也称慢衰落。干涉型衰落：主要是由于随机多径干干涉型衰

18、落：主要是由于随机多径干涉景象引起的。这种衰落的信号电平涉景象引起的。这种衰落的信号电平变化很快，所以称为快衰落。变化很快，所以称为快衰落。 50 40 30 20 9: 00 10:00 （小时） 1 50 （秒） 相 对 电 平 （ a ）慢衰落 （ b ）快衰落 40 30 20 10 图 5 -. 5 衰落现象 5.1.4.3 传播失真传播失真无线电波经过媒质会产生振幅失真和相位失真。产生失真无线电波经过媒质会产生振幅失真和相位失真。产生失真的缘由有两个：一是随机多径传输效应，二是媒质的色散的缘由有两个：一是随机多径传输效应，二是媒质的色散效应。效应。5.1.4.4 电波传播方向的变化

19、电波传播方向的变化 一条微波中继信道是由终端站、中间站和再一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及无线电波空间组成。生中继站、终点站及无线电波空间组成。终端站的义务是将复用设备送来的基带信号，终端站的义务是将复用设备送来的基带信号，调制到微波频段上并发射出去；或者反之。调制到微波频段上并发射出去；或者反之。线路中间的中继站的义务是完成微波信号的线路中间的中继站的义务是完成微波信号的转发和分路，又分为中间站、分路站和枢纽转发和分路，又分为中间站、分路站和枢纽站。站。 5.2 微波传播微波传播微波在实践的空间传播要受地面的影响和大气的影响。微波在实践的空间传播要受地面的影响和大气的

20、影响。5.2.1 地面对微波传播的影响地面对微波传播的影响光滑地面及水面光滑地面及水面地面起伏较大时地面起伏较大时地面妨碍物如山头、高大建筑地面妨碍物如山头、高大建筑物物在惠更斯动摇学根底上，提出菲在惠更斯动摇学根底上，提出菲涅尔区的概念，可解释电波的绕涅尔区的概念，可解释电波的绕射等景象。射等景象。 5.2.1.1费涅尔区的概念费涅尔区的概念1惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理 惠更斯原理是，一点波源的振动可传送惠更斯原理是，一点波源的振动可传送给临近质点，使其成为二次波源。当点给临近质点，使其成为二次波源。当点源发出球面波时，二次波源产生的波前源发出球面波时，二次波源产生的波前也是球面，三次

21、、四次也是球面，三次、四次波也是如此。波也是如此。惠更斯原理n图中图中T为发射天线，视为点源，它发出球面波。把波为发射天线，视为点源，它发出球面波。把波前分解为许多面积元，点源前分解为许多面积元，点源T在接纳处在接纳处R产生的场强产生的场强,便是许多面积元在便是许多面积元在R处产生的场强之矢量和。虽然处产生的场强之矢量和。虽然T与与R之间有妨碍物，但不能挡住一切面积元，在之间有妨碍物，但不能挡住一切面积元，在R处仍可处仍可收到一定的场强。收到一定的场强。n由解析几何知，球面上一动点由解析几何知，球面上一动点P至两定点至两定点T、R的间隔的间隔之和为常数时，此动点轨迹为椭球体。在讨论微波传之和为

22、常数时，此动点轨迹为椭球体。在讨论微波传播时，假设该常数为：播时，假设该常数为：n dn 那么得到的椭球面称为第一菲涅尔椭球面那么得到的椭球面称为第一菲涅尔椭球面,式中式中d|TR| 。假设该常数为：。假设该常数为：n n 那么得到第那么得到第n费涅尔椭球面。假设用图费涅尔椭球面。假设用图5-8的一系列的一系列费涅尔椭球面交截图费涅尔椭球面交截图5-7的某个波前面，那么得到一系的某个波前面，那么得到一系列的圆的圆环，图列的圆的圆环，图5-9，得第，得第n费涅尔区。费涅尔区。 2, 2 , 1 2nnd2.第第n菲涅尔区的半径菲涅尔区的半径Fn第第n菲涅尔区边境的某个点菲涅尔区边境的某个点P到到

23、TR连线的间隔为第连线的间隔为第n菲涅尔区的半径菲涅尔区的半径Fn.)2(121221dFdFdTPnn2222222dFdFdPRnn因第因第n菲涅尔区定义菲涅尔区定义: TP+PR=d+n/2所以所以:dddnFn21当当n=1,第第1菲涅尔区的半径菲涅尔区的半径dddF211121FndddnFn所以所以显然，显然，P P点位置不同时，点位置不同时，FnFn亦不一样。当亦不一样。当P P在线在线路中点时路中点时 时，时，FnFn最大，最大，用用FnmFnm表示。表示。 221ddd12nmFn d5.2.1.2费涅尔区对电波传播的影响图中图中T点发射的球点发射的球面波向面波向R方向传播。

24、方向传播。由菲涅尔区定义可由菲涅尔区定义可知，经过各菲涅尔知，经过各菲涅尔区端点区端点 P1、P2、P3的电波射线的电波射线TP1R、TP2R、TP3R依次相差依次相差/2。 2ndRTPn各相邻费涅尔区在各相邻费涅尔区在R处产生的电波场强相位相差处产生的电波场强相位相差1800 由费涅尔区半径公式可知，第一费涅尔区的由费涅尔区半径公式可知，第一费涅尔区的面积为面积为F21 ;第二费涅尔区的面积为：第二费涅尔区的面积为： F22- F21 = 2 F1 2- F21 = F21 第三费涅尔区的面积为：第三费涅尔区的面积为： F21 可见个相邻费涅尔区面积相等。但它们离可见个相邻费涅尔区面积相等

25、。但它们离R的间隔不相等。第一费涅尔区离的间隔不相等。第一费涅尔区离R最近，在最近，在R处产生的电场处产生的电场E1最大，其他依次减小，近似最大，其他依次减小，近似为等差级数，思索到相位相反，使为等差级数，思索到相位相反，使R点的总点的总电场强度电场强度E=1/2 E122223211( 3)( 2)FFFF5.2.1.3用费涅尔区解释阻挠物的影响用费涅尔区解释阻挠物的影响微波传播途中有时遇到刃形妨碍物，此时由于妨碍物不微波传播途中有时遇到刃形妨碍物，此时由于妨碍物不能遮挡全部费涅尔区，在收信处能遮挡全部费涅尔区，在收信处R可接纳到微波。可接纳到微波。 刃形遮挡传播途中刃形妨碍物余隙：妨碍物顶

26、部至余隙：妨碍物顶部至TRTR线的垂直间隔线的垂直间隔hchc。正余隙：妨碍物在正余隙：妨碍物在TRTR线之下时，线之下时，hchc为正值为正值负余隙：妨碍物的顶部在负余隙：妨碍物的顶部在TRTR线以上时，线以上时，hchc为负值。为负值。假设余隙假设余隙 时，阻挠引起损耗时，阻挠引起损耗正好是正好是0dB0dB，即途径损耗正好是自在空间损耗，所以，即途径损耗正好是自在空间损耗，所以h0h0称称为自在空间余隙。为自在空间余隙。假设假设hch0hch0，途径损耗略有动摇，途径损耗略有动摇, ,最终稳定在自在空最终稳定在自在空间损耗上。间损耗上。假设假设hch0hcDE，EF2R，故得：，故得：C

27、点是途径上电波的反射点位置点是途径上电波的反射点位置R是地球实践半径是地球实践半径.hd2d1Rddh221d1d2q思索电曲折射,等效地面突起高度he :q he=d1d2/2Re= d1d2/2KRq将R6370km代入式中得： he=q反射点余隙的变化 qhc=h=h-he=d1d2/2R-d1d2/2kR=d1d2(k-1)/2KRq因此思索了折射要素后的等效余隙hce q等效余隙hce =hc+hc=hc+d1d2(k-1)/2kRq 可见K1正折射时，等效余隙hce增大；K1时，等效余隙hce减小；正折射时，K越大，等效余隙hce越大。12451d dK2. 复杂地形余隙的计算 球

28、形地面上复杂地形单妨碍物时地形途球形地面上复杂地形单妨碍物时地形途径的典型断面图，实践微波电路多类似径的典型断面图，实践微波电路多类似为这种断面。为这种断面。(m) )()(3211122ecehHddHhdHhh思索大气折射后的等效余隙思索大气折射后的等效余隙hce hce ：h1、h2为发射、接纳天线对山顶的高度为发射、接纳天线对山顶的高度(m)；d1、d2为反射点到发、收两端的间隔；为反射点到发、收两端的间隔；H1、H2为发射、接纳点山顶高度为发射、接纳点山顶高度m，留意，留意，它是海拔高度，不是山顶至山脚之高。它是海拔高度，不是山顶至山脚之高。H3为反射点海拔高为反射点海拔高m；he为

29、反射点等效地球的地面凸起高度为反射点等效地球的地面凸起高度m。 5.2.2.4 K值及余隙的选择值及余隙的选择在天线高度设计中，在天线高度设计中，K值非常重要。在温带平均情值非常重要。在温带平均情况下，取况下，取K4/3，其变化范围为，其变化范围为2/3，假设，假设K值值较小，余隙较小，余隙hc将会变小，电波衰减增大，故天线将会变小，电波衰减增大，故天线不能太低。反之，假设天线较高，而气候变化使不能太低。反之，假设天线较高，而气候变化使K增大，那么增大，那么hc增大，显得天线太高呵斥浪费。假增大，显得天线太高呵斥浪费。假设设hc等于费涅尔区半径，那么能够使地面反射波等于费涅尔区半径，那么能够使

30、地面反射波减弱主波。减弱主波。为此，对所选天线高度，应按以下规范进展检查：为此，对所选天线高度，应按以下规范进展检查：10.5，即地面反射系数较小，此时主要防止，即地面反射系数较小，此时主要防止妨碍阻挠过大，规范为妨碍阻挠过大，规范为k 时，时，hc0.3F1(普通妨碍物普通妨碍物),或或hc0(刃形妨刃形妨碍物碍物)k 时，时，hcF1k 时，时，hc不能等于偶数费涅尔区半径不能等于偶数费涅尔区半径23432 0.7，即地面反射系数较大，此时主要防止反射，即地面反射系数较大，此时主要防止反射衰落过大，规范为：衰落过大，规范为：k 时，时，hc0.3F1普通妨碍物，或普通妨碍物，或hc0刃形妨

31、碍刃形妨碍物；物；k 时，时，hcF1；k 时，时，hc1.35 F1 hc1.35 F1 是根据是根据Lr不大于不大于68dB而得。而得。假设以上规范不能满足，那么改动路由，或改动天线高假设以上规范不能满足，那么改动路由，或改动天线高度，以便减小妨碍物阻挠损耗及反射损耗。度，以便减小妨碍物阻挠损耗及反射损耗。 2343例：设微波中继通讯采用例：设微波中继通讯采用f8GHz，站距为，站距为50km，途径，途径为光滑球形地面。为光滑球形地面。求求1不计大气折射，保证自在空间余隙不计大气折射，保证自在空间余隙 时，等高收时，等高收发天线的最小高度；发天线的最小高度；2在在k 时，收发天线最小高度。

32、时，收发天线最小高度。0h43cf893 108 10h00.577F1=0.577 0.577 12.4m 12d dd630.03752525 1050 10解：解：1 1地形为光滑球面，线路中点之地面凸起高度地形为光滑球面，线路中点之地面凸起高度h h最大，最大，可设中点为反射点普通以地形最高点为反射点，可设中点为反射点普通以地形最高点为反射点，d1=d2=25kmd1=d2=25km而而 0.0375m0.0375m，于是自在空间余隙为：，于是自在空间余隙为：Rddh2216325 25 102 6370 1049m49m地面突起高度地面突起高度确定收发天线高度时，应使地面凸起高度最大

33、处还留有确定收发天线高度时，应使地面凸起高度最大处还留有h0 的传播空间，故的传播空间，故 Hminh0h12.4+4961.4m 2k 时，地面凸起高度时，地面凸起高度 he 36.8m Hmin12.4+36.849.2m4312451d dK64 25 25 10451 ()3可见任务频率提高，天线高度可以降低。可见任务频率提高，天线高度可以降低。 5.3 衰落及抗衰落技术衰落及抗衰落技术微波传播途径上的大气不能够总是混合得很均匀，微波传播途径上的大气不能够总是混合得很均匀，因存在对流、平流、湍流，以及雾、雨等要素影因存在对流、平流、湍流，以及雾、雨等要素影响，加上地面反射波的干涉，都会

34、使收信点场强响，加上地面反射波的干涉，都会使收信点场强(或电平或电平)不断起伏变化。这种变化就称为信号的不断起伏变化。这种变化就称为信号的随机性。随机性。抗衰落普通采用分集接纳和自顺应平衡技术实现。抗衰落普通采用分集接纳和自顺应平衡技术实现。 图A 各种妨碍物引起的反射和散射电磁波 天线电波在传输途径上遇到各种妨碍物都能够产电波在传输途径上遇到各种妨碍物都能够产生反射、散射和吸收。实践上，接纳点的电生反射、散射和吸收。实践上，接纳点的电波除直射波以外，还有从各种妨碍物包括波除直射波以外，还有从各种妨碍物包括地面产生的反射。地面产生的反射。5.3.1 衰落缘由及分类衰落缘由及分类 n引起衰落的缘

35、由大体上可以归为两大类：引起衰落的缘由大体上可以归为两大类：第一类是气候条件的不平稳变化引起的第一类是气候条件的不平稳变化引起的衰落；衰落；n 第二类是多径传播引起的衰落。第二类是多径传播引起的衰落。n对衰落比较普遍的分类方法是按衰落周对衰落比较普遍的分类方法是按衰落周期的时间快慢，分为期的时间快慢，分为n 快衰落快衰落n 慢衰落慢衰落 慢衰落慢衰落快衰落快衰落5.3.1.1 慢衰落：衰落随时间变化比较缓慢，常由大气折射的慢衰落：衰落随时间变化比较缓慢，常由大气折射的缓慢变化引起。如绕射衰落就是属于这一类型。缓慢变化引起。如绕射衰落就是属于这一类型。 5.3.1.2 快衰落：从几秒钟、几分钟以

36、上至非常钟的信号强度快衰落：从几秒钟、几分钟以上至非常钟的信号强度变化叫快衰落。多径干涉产生的快衰落更严重。变化叫快衰落。多径干涉产生的快衰落更严重。 在工程运用中常按衰落产生的机制分为以在工程运用中常按衰落产生的机制分为以下几种类型。下几种类型。K型衰落型衰落波导型衰落波导型衰落闪烁型衰落闪烁型衰落散射型衰落散射型衰落大气雨雾的吸收衰落大气雨雾的吸收衰落5.3.2 抗衰落技术抗衰落技术5.3.2.1 分集技术分集技术分集技术是指将同一个信号在发端分分发送，收端集中接分集技术是指将同一个信号在发端分分发送，收端集中接纳。最常用的分集方法是空间分集和频率分集。纳。最常用的分集方法是空间分集和频率

37、分集。1空间分集空间分集空间分集分为空间分集发信和空间分集接纳两个系统，以空间分集分为空间分集发信和空间分集接纳两个系统，以空间分集接纳为例，在不同的空间位置设置几副天线，同空间分集接纳为例，在不同的空间位置设置几副天线，同时接纳一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一时接纳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，这种任务方式称为空间分集接纳。个强信号，这种任务方式称为空间分集接纳。有几副接纳天线就称为几重分集。在微波传输系统中最常有几副接纳天线就称为几重分集。在微波传输系统中最常用的是二重垂直空间分集接纳。用的是二重垂直空间分集接纳。2频率分集频率分集采用两个或两个以上具有

38、一定频率间隔的微波频率同时发送和采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接纳同一信息，然后进展合成或选择，以减轻衰落影响，这种接纳同一信息，然后进展合成或选择，以减轻衰落影响，这种任务方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，称为二重频任务方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。频率分集有同频段分集和跨频段分集两种类型。率分集。频率分集有同频段分集和跨频段分集两种类型。5.3.2.2 自顺应平衡技术自顺应平衡技术实际证明，一个高性能的数字微波通道往往是把空间分实际证明，一个高性能的数字微波通道往往是把空间分集和自顺应平衡技术配合运用的，以最大限制地降低通集和自顺应

39、平衡技术配合运用的，以最大限制地降低通讯中断的时间。讯中断的时间。1频域自顺应平衡器频域自顺应平衡器 2时域自顺应平衡器时域自顺应平衡器在数字微波通讯系统中，影响系统误码率的主要缘由是在在数字微波通讯系统中，影响系统误码率的主要缘由是在收端取样判决点处其前后信号对取样判决样值的码间干扰。收端取样判决点处其前后信号对取样判决样值的码间干扰。故通常采用时域自顺应平衡器以消除减小取样判决点故通常采用时域自顺应平衡器以消除减小取样判决点处的码间干扰。运用较广的是加在基带系统的由横向滤波处的码间干扰。运用较广的是加在基带系统的由横向滤波器构成的自顺应平衡器。器构成的自顺应平衡器。在实践运用中，往往用频域

40、平衡器去实现粗平衡，时域自在实践运用中，往往用频域平衡器去实现粗平衡，时域自顺应平衡器平衡空间分集和频域自顺应平衡器没有完全平顺应平衡器平衡空间分集和频域自顺应平衡器没有完全平衡的剩余波形失真。实际上讲，可以平衡基带着域中的任衡的剩余波形失真。实际上讲，可以平衡基带着域中的任何波形失真。何波形失真。 5.4 微波传输系统及其运用 5.4.1微波通讯系统的频率配置微波通讯系统的频率配置5.4.1.1微波传输系统运用频段的划分微波传输系统运用频段的划分微波传输是一种无线通讯方式，但采用无线微波传输是一种无线通讯方式，但采用无线通讯方式的不仅限于微波通讯，还有广播、通讯方式的不仅限于微波通讯，还有广

41、播、导航、短波通讯等，它们都是利用无线频导航、短波通讯等，它们都是利用无线频段来传输的。为了防止相互关扰，必需对段来传输的。为了防止相互关扰，必需对无线频段作一些分配，以便不同的通讯系无线频段作一些分配，以便不同的通讯系统运用不同的频段。统运用不同的频段。微波是指频率为微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波的电磁波1GHz=Hz。运用特有设备，并利用。运用特有设备，并利用这个频段的频率作载波携带信息，经过无这个频段的频率作载波携带信息，经过无线电波空间进展中继接力通讯的通讯线电波空间进展中继接力通讯的通讯方式就叫微波通讯。方式就叫微波通讯。频段称号频段称号频率范围频率范围波长范围波长范

42、围长波长波30300KHz100010000m中波中波3003000KHz1001000m短波短波330MHz10100m超短波超短波(特高频特高频)30300MHz110m微波微波分米波分米波0.33GHz10100cm厘米波厘米波330GHz110cm毫米波毫米波30300GHz110mm无线电波频段的划分无线电波频段的划分 q电磁波的频率不同，其空间传播特性也不同。电磁波的频率不同，其空间传播特性也不同。q在微波频段中，频率越低的电波传输越稳定，但在微波频段中，频率越低的电波传输越稳定，但相应的设备和元件尺寸也较大，否那么损耗会增大。相应的设备和元件尺寸也较大，否那么损耗会增大。例如当天

43、线口径一定时，微波频率越低，天线增益例如当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。也越低。 q在微波频段的运用方面，各国的微波设备往往首在微波频段的运用方面，各国的微波设备往往首先运用先运用4GHz 4GHz 频段，目前各国的通讯设备已运用到频段，目前各国的通讯设备已运用到 2 2、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、1111、1515、20GHz20GHz等频段。我国等频段。我国数字微波通讯已有数字微波通讯已有2 2、4 4、6 6、7 7、8 8、11GHz11GHz各频段的各频段的设备。设备。 5.4.1.2微波传输的射频频率配置微波传输的射频频率配置1频率配置的根本原那么频率

44、配置的根本原那么在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必需运用不同在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必需运用不同频率，而且有足够大的间隔。频率，而且有足够大的间隔。多波道同时任务时，相邻波道频率之间必需有足够的间隔多波道同时任务时，相邻波道频率之间必需有足够的间隔整个频谱必需紧凑。整个频谱必需紧凑。多波道系统要设法共用天线。多波道系统要设法共用天线。根据上述的频率配置原那么，当一个站上有多个波道任务根据上述的频率配置原那么，当一个站上有多个波道任务时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制。即两个方向的发信运用一个射频频率，两个方

45、向的收制。即两个方向的发信运用一个射频频率，两个方向的收信运用另外一个射频频率。信运用另外一个射频频率。多波道二频制的频率配置方案多波道二频制的频率配置方案 2数字微波频率配置方案举例数字微波频率配置方案举例 对于数字微波传输系统的频率配置，对于数字微波传输系统的频率配置，CCIRCCIR提出相应的建议提出相应的建议书。书。B站站我国几种数字微波频率配置方案 5.4.2 5.4.2 微波传输特点微波传输特点微波传输系统的显著特点是三方面，即微波传输系统的显著特点是三方面，即“微波、多路、接微波、多路、接力。力。 “微波是指微波任务频段宽。微波频率高，故其波长短，微波是指微波任务频段宽。微波频率

46、高，故其波长短，微波通讯普通运用面式天线，当面式天线的口径面积给定微波通讯普通运用面式天线，当面式天线的口径面积给定时，其增益与波长的平方成反比，故微波通讯很容易制成时，其增益与波长的平方成反比，故微波通讯很容易制成高增益天线。微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子高增益天线。微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子的变化根本上不起作用，所以可靠性和稳定性很高。的变化根本上不起作用，所以可靠性和稳定性很高。“多路是指微波通讯的通讯容量大，即微波通讯设备的多路是指微波通讯的通讯容量大，即微波通讯设备的通频带可以做得很宽。通频带可以做得很宽。“接力是指加中继站，是目前广泛的视距微波通讯方式。接力是指

47、加中继站，是目前广泛的视距微波通讯方式。5.4.3 数字微波传输系统构造数字微波传输系统构造5.4.3.1数字微波传输系统组成数字微波传输系统组成 调制与解调器的作用是将基带信号对微波载波或调制与解调器的作用是将基带信号对微波载波或中频进展调制，解调是调制的逆过程。中频进展调制，解调是调制的逆过程。 编编码码译译码码多多路路复复用用设设备备基基带带信信号号处处置置调调制制器器解解调调器器微波微波发信发信机机微波微波收信收信机机分分路路系系统统天天馈馈线线系系统统用用户户发射机是用来将已调信号功率放大后馈送给发射发射机是用来将已调信号功率放大后馈送给发射天线发射出去的设备。天线发射出去的设备。接

48、纳机那么是将受空间传输衰减后的微弱信号进接纳机那么是将受空间传输衰减后的微弱信号进展放大、混频、滤波等处置和变换的设备。展放大、混频、滤波等处置和变换的设备。分路系统实践上是分路滤波器或称双工器，分路系统实践上是分路滤波器或称双工器，通讯普通均是双向进展的，为了实现发射和接纳通讯普通均是双向进展的，为了实现发射和接纳共用一副天线，必需采用分路系统，它利用收发共用一副天线，必需采用分路系统，它利用收发频率的差别实现收发分别。频率的差别实现收发分别。天馈线系统是由天线及其馈线完成收发信机的电天馈线系统是由天线及其馈线完成收发信机的电信号和空间电磁波之间的能量转换。信号和空间电磁波之间的能量转换。

49、5.4.3.25.4.3.2天线馈线系统天线馈线系统 当多波道双向传输时，天馈线系统中的一些部件为收发兼用当多波道双向传输时，天馈线系统中的一些部件为收发兼用同轴电缆型 圆波导型 1微波馈线系统微波馈线系统馈线系统是联接分路系统与天线的馈线和波馈线系统是联接分路系统与天线的馈线和波导部件。主要有五种安装方式：同轴电缆系导部件。主要有五种安装方式：同轴电缆系统、矩形硬波导系统、椭圆软波导系统、圆统、矩形硬波导系统、椭圆软波导系统、圆一矩硬波导系统和圆一椭圆馈线系统。一矩硬波导系统和圆一椭圆馈线系统。目前目前4GHz、6GHz大部分运用圆一矩波导系大部分运用圆一矩波导系统；统；2GHz用同轴电缆或

50、椭圆软波导；用同轴电缆或椭圆软波导；8GHz用矩形硬波导系统。随着椭圆软波导质量的用矩形硬波导系统。随着椭圆软波导质量的提高，其运用范围越来越大。提高，其运用范围越来越大。 圆波导型馈线系统各部分的作用：圆波导型馈线系统各部分的作用： 1.1.密封节：特制的波导小段，防止波导生锈。密封节：特制的波导小段，防止波导生锈。2.2.杂波滤除器：在圆波导中杂波滤除器：在圆波导中, ,保证主模是保证主模是TE11TE11模传送。是一种特制波导段来出去次主模模传送。是一种特制波导段来出去次主模. .3.3.极化补偿器：校正极化去耦在圆波导度内极化补偿器：校正极化去耦在圆波导度内壁可微调的波导段。壁可微调的

51、波导段。4.4.极化旋转器：波导段内插入一介质板可使极化旋转器：波导段内插入一介质板可使极化方向旋转。极化方向旋转。5.5.极化分别器极化分别器: :用来分别两种不同的用来分别两种不同的( (如程度如程度和垂直极化波和垂直极化波) )极化波极化波. .2微波天线微波天线 凡是能辐射或接纳微波能量的天线都叫微波天线。凡是能辐射或接纳微波能量的天线都叫微波天线。微波天线的技术参数有天线的增益和方向性、反微波天线的技术参数有天线的增益和方向性、反射系数、极化去耦和机械强度等。射系数、极化去耦和机械强度等。微波天线方式微波天线方式卡塞格林天线具有双曲面形卡塞格林天线具有双曲面形反射器的抛物面天线。另外

52、还有喇叭天线，喇反射器的抛物面天线。另外还有喇叭天线，喇叭抛物天线，潜望镜天线，规范地物面天线等。叭抛物天线，潜望镜天线，规范地物面天线等。F焦点焦点抛物线抛物线YZO(1)抛物面的几何关系抛物面的几何关系 焦点焦点F放一微波源，放一微波源，发射波向四面八方放出发射波向四面八方放出射。假设反射体是一个射。假设反射体是一个抛物面，那么由其焦点抛物面，那么由其焦点射出的电波经抛物面反射出的电波经抛物面反射之后，射之后，将成为圆柱形平行射束方式向将成为圆柱形平行射束方式向Z Z方向传播。而这些方向传播。而这些反射波到达基准面反射波到达基准面AAAA的途径相等，即每条射线由的途径相等，即每条射线由F

53、F点射出至点射出至AAAA面止，其行程都相等。面止，其行程都相等。 22bac双曲线的几何关系双曲线的几何关系顶点位置为顶点位置为z z士士a a，x x0 0，双曲线有两焦点为双曲线有两焦点为c c和和c czabboxa2 2双曲面的几何关系双曲面的几何关系 在解析几何中，双曲线的规在解析几何中，双曲线的规范方程为：范方程为： 12222bxazCC在双曲线上任一点在双曲线上任一点P Pz z，x x的法线的法线PNPN与与CPCP延伸延伸线的夹角线的夹角等于等于PNPN与与PCPC的夹角的夹角； 等于常数，即等于常数，即 pccpapp212(3) 卡塞格林天线几何关系C发射波到双曲面发

54、射波到双曲面P点上，点上，=P1-P2=2a将将C和双曲面的焦点重合，当辐射源放射在和双曲面的焦点重合，当辐射源放射在C后。后。相当于从相当于从C处发射。处发射。根据上述原理做成的天线叫卡塞格林天线。根据上述原理做成的天线叫卡塞格林天线。 反射波反向延伸到反射波反向延伸到C上相当于从上相当于从C(F)点的发射波。点的发射波。假设把双曲面的假设把双曲面的焦点焦点C C与抛物面与抛物面的焦点的焦点F F重合在重合在一同，同时把辐一同，同时把辐射源放在射源放在C C上，上，那么那么卡塞格林天线抛物面天线的根本参数 (1)天线增益天线增益 天线增益是表示抛物面天线辐射能量的天线增益是表示抛物面天线辐射

55、能量的集中程度，用字母集中程度，用字母G表示。表示。G=E2/E02=A/(24) =(D/) E有方向天线在空间某点有方向天线在空间某点(P点点)产生的产生的电场强度。电场强度。E0无方向理想天线在某点无方向理想天线在某点(同一点同一点P)产产生的电场强度生的电场强度.A: 天线口面积天线口面积 ; D: 抛物面反射器的口面抛物面反射器的口面直径直径24:无方向性天线的等效面积无方向性天线的等效面积n实践：实践：G=(D/)2 n称为口面利用系数，普通称为口面利用系数，普通=0.450.60nGdB=10lgG=10lg(D/)2 n当当=0.54时，时，GdB=10lgDf/c2 n Gd

56、B =20lgf(MHz)+20lgD(m)-42.28(dB)n 式中：式中：f(MHz)为任务波长为任务波长对应的频率。对应的频率。n D(m)：为天线口面直径：为天线口面直径(m).n(2)半功率角半功率角(3dB波束宽度波束宽度) n 从主瓣向边偏离时，功率的辐射左右下降到一从主瓣向边偏离时，功率的辐射左右下降到一半点叫半功率点。半点叫半功率点。 n 天线的半功率角越小，能量集中程度越高。天线的半功率角越小，能量集中程度越高。 (3)极化去耦极化去耦 n一个接纳垂直极化波的天线，由于天线构造一个接纳垂直极化波的天线，由于天线构造不均匀性，也能收到少量的程度极化波将这不均匀性，也能收到少

57、量的程度极化波将这两部分功率之比称为该天线的极化去耦。两部分功率之比称为该天线的极化去耦。n极化去耦表示：极化去耦表示：x=10lg(p0/px) (dB)n p0为正常为正常(垂直垂直)极化波的接纳功率，极化波的接纳功率，n px为异为异(程度程度)极化波的接纳功率。极化波的接纳功率。nx值越大，极化去耦效果越好值越大，极化去耦效果越好 (4)防卫度防卫度 n天线防卫度指天线对某主瓣方向的接纳天线防卫度指天线对某主瓣方向的接纳才干与相对于主瓣方向的偏才干与相对于主瓣方向的偏90o或或180o接纳才干的衰减程度。接纳才干的衰减程度。n防卫度防卫度=10lg(P主主/P偏偏)。n(5)电压驻波比

58、电压驻波比n电压驻波比：描画天线与馈线间衔接匹电压驻波比：描画天线与馈线间衔接匹配的程度。配的程度。 n假设驻波比小，假设驻波比小， (天线与馈线间的衔接天线与馈线间的衔接匹配越好匹配越好) 反射波越小反射波越小,杂波越小。杂波越小。 挪动无线网络演进中的天馈线改良方案数字蜂窝通讯系统中的新天线技术数字蜂窝通讯系统中的新天线技术 天线阵天线阵 赋形波束天线技术赋形波束天线技术 分集接纳天线技术分集接纳天线技术 3G挪动通讯系统中的天线挪动通讯系统中的天线 多天线收发技术多天线收发技术 智能天线智能天线5.4.3.3微波中继微波中继微波站可分为微波端站，微波中继站和微波分站。主要都是微波站可分为

59、微波端站，微波中继站和微波分站。主要都是由微波中继机、馈线、天线、铁塔等构成。由微波中继机、馈线、天线、铁塔等构成。可以分为：再生转接基带式、中频转接和微波转接三种。可以分为：再生转接基带式、中频转接和微波转接三种。 5.4.4 微波传输系统的运用举例微波传输系统的运用举例其运用主要分为两大类：一类是以微波作为其运用主要分为两大类：一类是以微波作为信息载体，主要运用在雷达、导航、通讯、信息载体，主要运用在雷达、导航、通讯、遥感等领域；另一类是利用微波能，主要用遥感等领域；另一类是利用微波能，主要用在微波加热、微波生物医学及电量非电量的在微波加热、微波生物医学及电量非电量的检测等领域。检测等领域

60、。而微波作为信息载体的微波传输系统的运用而微波作为信息载体的微波传输系统的运用主要有主要有PDH微波传输系统和微波传输系统和SDH微波传输系微波传输系统。目前，统。目前，SDH微波传输系统是微波传输系微波传输系统是微波传输系统最典型的运用。统最典型的运用。 1.微波传输系统在电信网中的运用微波传输系统在电信网中的运用微波中继传输作为通讯网的一种传输方式，可以同其他传微波中继传输作为通讯网的一种传输方式，可以同其他传输方式一同构成整个通讯传输网，微波、光纤、卫星一体输方式一同构成整个通讯传输网，微波、光纤、卫星一体的传输组网方式。的传输组网方式。 微波传输系统在全网中位置 二微波传输系统在挪动通