微波传播理论中的几个基本参数(中级)

1、微波的电波传播理论 基本概念：由于微波是在大气中作视线传播实现的通信，它在传播的过程遵循 电波在自由空间的辐射和传播理论、惠更斯-费涅耳原理、电波传播的费涅耳区 的理论、电波的干涉和极化、电波可能会受到大气不均匀体的反射、可能会受到大气层中形成的倒布层的影响、可能会由于大气的介质梯度的不规则变化使电波出现超常态的超折射、电波在不同性质平地面上的反射、在光滑球面上绕射、在刃型单障碍物、在多障物情况下的传播、电波在大气传播受大气中的雨、雾的吸收、衰减理论；这些的总和就是微波的传播理论 1、自由空间损耗自由空间损耗 v假设电磁波在自由空间（即理想介质空间）传播，虽然不产生反射、折射、吸收和散射等现象

2、，不因这些因素消耗能量，但电波在自由空间传播时，能量会因空间扩散而衰耗，这部分衰耗的能量称作自由空间损耗，根据能流密度和天线理论我们可以得到自由空间电波的传播损耗的计算公式： Ls=Pt / Pr =(4df/c) 2 -（1） 或 Ls（dB）=20log(4df/c) -（2） v上式中： LS-自由空间损耗（dB） d-电波发源射源到接收点间距离 （m） f-电波工作频率(Hz) c -光速 3 108 （m/s） 如果d以km、f 以GHz计公式可改写为 Ls（dB）=92.4+20log d+20logf -(3) 2、费涅尔半径与余隙 惠更斯提出了电磁波波动性学说，费涅耳在这个基础

3、惠更斯提出了电磁波波动性学说，费涅耳在这个基础上提出了费涅耳区的概念，进一步解释了电波的反射、绕射上提出了费涅耳区的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象。在微波传输中，我们需要根据该原理来考虑地面反等现象。在微波传输中，我们需要根据该原理来考虑地面反射对微波的影响。射对微波的影响。 惠更斯原理的基本思想：光和电磁波都是一种振动，其周惠更斯原理的基本思想：光和电磁波都是一种振动，其周围的媒质是具有弹性的，故一点的震动可通过媒质传递给邻围的媒质是具有弹性的，故一点的震动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为媒质中传递的波。因此近的质点，并依次向外扩展，而成为媒质中传递的波。因此可以

4、认为一个点源的震动传递给邻近的质点后，就形成了二可以认为一个点源的震动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果点源发出的波是球面波，那么次波源、三次波源等等。如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次.波前面波前面也是球面波。在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波也是球面波。在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时中继距离时 可将发射天线看成是一个点源可将发射天线看成是一个点源2.1、费涅尔半径的概念费涅耳椭球面费涅耳椭球面 假定有一个微波中继段发信点为假定有一个微波中继段发信点为T，收信点

5、为，收信点为R，站间距为，站间距为d，通过高，通过高等数学可以知道，平面上一个动点等数学可以知道，平面上一个动点P到两个定点（到两个定点（T、R）的距离若为一）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。对于我们讨论的电波传播中，这个常数当为球面。对于我们讨论的电波传播中，这个常数当为d+/2时，得到的椭时，得到的椭球面称为第一费涅耳椭球面；常数为球面称为第一费涅耳椭球面；常数为d+2/2时，得到的椭球面称为第二时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面费涅耳椭球面. 常数为常数为d+N/2时，得到的椭

6、球面称为第时，得到的椭球面称为第N费涅耳椭球费涅耳椭球面面 费涅耳区费涅耳区 如果前述定义的一系列费涅耳椭球面如果前述定义的一系列费涅耳椭球面,与我们从与我们从T或或R点出发认定的点出发认定的某一波前面相交割某一波前面相交割,在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一个费涅耳区。其外的圆环（外圆减内圆得到的圆心是一个圆，称为第一个费涅耳区。其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区耳区. 第第N费涅耳区。这些圆

7、和环我们可以把它们近似地看成，都为费涅耳区。这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直于在垂直于地面且垂直于T与与R间射线的平面区域图形间射线的平面区域图形 TRF1Pd1d2第一费涅尔区半径第一费涅尔区半径 d费涅尔半径计算公式：费涅尔半径计算公式：v根据费涅耳椭球面、费涅耳区定义并做适当的近似不难得出第一、第根据费涅耳椭球面、费涅耳区定义并做适当的近似不难得出第一、第二二.第第N 个费涅耳区半径表达式：个费涅耳区半径表达式： vF2=（2d1d2/d）1/2 = (2)1/2 F1 -(4)vF1=（d1d2/d）1/2 -(5)v .vFn=（nd1d2/d）1/2 =

8、(n)1/2 F1 -(6)v上式中：上式中：vF1、含义同前，单位都为含义同前，单位都为m。d1、d2、d 含义同前，单位都为含义同前，单位都为km。我们把费涅区上的任意一点到我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径，用连线的距离称为费涅耳区半径，用F 表示。表示。当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半径当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半径 2.2 余隙 v地面反射对收信电平的影响 （在这里为了便于说明，我们近似的都不考虑地球凸起高度；这相当于站距很短地面起伏不大的情况。） 在实际的微波工程中，常会遇到刃形障碍物阻挡传输路径的情况，这

9、时刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过，使接收点多少有一定电平数。而这个数值一定低于自由空间电平。这个由于刃形障碍物的阻挡而增加的损耗我们称之为附加损耗。当障碍物的尖锋正好落在收发两端的连线上，即HC=0时，附加损耗为6dB ;当障碍物的顶锋超过收发两端的连线时，附加损耗将很快增加 ;当障碍物的顶锋在收发两端的连线以下时，附加损耗将在0dB上下少量变动。这时路径上传输损耗（或说收信电平）将与自由空间数值接近。 余隙：障碍物的尖峰于微波收发两端的连线的垂直距离 -24-26-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2042-2868-2.5-

10、2.0 -1.5 -1.0-0.5011.0 1.5 2.0 2.5附加损耗dB图 3 刃形障碍物的阻挡损耗HC/F1通过的电磁波的场强分析，并假设段距D远远v大于两端的天线高度（h1和h2）时，衰落因子V与相对余隙hc/F1存在以下定量关系： V=1+2+2COS（ hc/F1 ）21/2 值与地面条件有关。 234156v06dB810-20-30-40-1.0-0.500.50.5771.4141.522.5HC/F1=N1/2图5 VdB与HC/F1D 关系曲线费涅耳区序号 v在=1时考虑地面的影响，第一次出现收信电平等于自由空间电平时Hc/F1=0.577。v 在1时，第一次出现收信

11、电平等于自由空间电平时Hc/F1=0.577。v 我们把Hc/F1=0.577时的余隙称为自由空间余隙，用H0表示。v它的表达式为： v H0=0.577F1=（d1d2/d）1/2 考虑微波的地面反射，空气对流层折射情况的余隙h2h1d1d2dhbhshcKddhb210785. 0地球凸起高度：其中K为大气折射因子路径余隙的计算公式：hh dh ddd dKhcs12211200785.余隙可得大于一阶余隙可得大于一阶费涅尔半径费涅尔半径相对余隙的计算公式：PHc/F12.3对流层对电波的影响v2.3.1大气中射线的弯曲v在大气中，由于随高度的不同大气将受到不同的压力、温度、湿度的影响，而使大气随高度的变化而不同；这种变化用dn/dh 来达。参看下图 电波实际方向电波发射方向电波实际方向电波发射方向波前波前波前波前 小大小大（n图10 受大气折射影响的电波轨迹变化（n大）（n小）小）（n大）2.3.2 等效地球半径的概念v为了方便研究分析对于电波