第八章_自由空间_第九章_大气不均匀性

1、第八章第八章 电波在自由空间电波在自由空间的传播的传播一、一、自由空间自由空间 定义：定义：所谓自由空间是指相对介电常数所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为和相对磁导率均恒为1的均匀介质所在空的均匀介质所在空间。即间。即 是真空介电常数是真空介电常数和磁导率。和磁导率。 特点：无源，各向同性，电导率为零特点：无源，各向同性，电导率为零（0）。）。 0000,二、电波在自由空间中的传播特点二、电波在自由空间中的传播特点 在自由空间中，电波的传播是直线传播直线传播，没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象。电波传播速度等于真空中的光速c3108m/s。 三、自由空间电波传播的场

2、强计算三、自由空间电波传播的场强计算当距离发射机当距离发射机d时，自由空间的场强为时，自由空间的场强为dP30DEt式中，式中，E为场强，单位为为场强，单位为V/m；P为辐射功率，单位为为辐射功率，单位为W；Dt为发射天线的方向性系数。为发射天线的方向性系数。 d lg 20- P lg 10(dB)D77.14E(dBv/m)tkmd lg 20- P lg 10(dB)D77.74)E(dBt四、接收机输入端的最大接收功率四、接收机输入端的最大接收功率WDEPrr12022412022rrDEASPrtrDDdPP24dP30DEt五、自由空间的传输损耗五、自由空间的传输损耗传输损耗：传输

3、损耗：又称为系统损耗，定义为辐射功率与又称为系统损耗，定义为辐射功率与 接收功率之比接收功率之比。rtrsDDdPPL142如果如果d的单位用的单位用km，f的单位用的单位用MHz，Ls的单位为的单位为dB，可得：，可得：rtsrtsDDdfLDDdfLlg20lg2045.32lg10lg20lg2045.32或六、自由空间的路径损耗六、自由空间的路径损耗自由空间的路径损耗：自由空间的路径损耗：dfLbslg20lg2045.32显然，显然，Lbs与收、发天线的方向性无关，而与传输路径有关与收、发天线的方向性无关，而与传输路径有关 由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下，由上述公式我

4、们也可以看出，在自由空间传播条件下，电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的是球面波扩散损耗。是球面波扩散损耗。 在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等。在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等。 例：例： 标尺标尺2表示辐射功率为表示辐射功率为1W的场强作为距离（的场强作为距离（km）的函）的函数，对于数，对于Pt（W）的辐射功率，应在标尺）的辐射功率，应在标尺2的数值上增加一的数值上增加一个校正值个校正值10 lg pt（dB）。）。 dB 74lg501057E标尺标尺2标尺标尺3标尺标尺4标尺标尺

5、1距离距离d (km)频率频率f (MHz)接收功率接收功率 (dBw)场强场强E(dB)10km57dBu100MHz 标尺标尺2和标尺和标尺4又表示了半波偶极天线的接收功率和场强又表示了半波偶极天线的接收功率和场强之间的关系。当频率之间的关系。当频率f=100MHz, E=50dB时，可查得时，可查得 WrdBP95标尺标尺2标尺标尺3标尺标尺4标尺标尺1距离距离d (km)频率频率f (MHz)接收功率接收功率 (dBw)场强场强E(dB)-95dBW第九章第九章 大气不均匀性的影响大气不均匀性的影响一、大气层的分层一、大气层的分层按气体的电离程度分层以55Km为界大气层大气层电离层：大

6、气发生电离，含大量带电粒子，电离层：大气发生电离，含大量带电粒子， 对电波传播影响极大对电波传播影响极大中性层：中性层：平流层：对电波传播影响很小平流层：对电波传播影响很小对流层：气象现象复杂，对微对流层：气象现象复杂，对微 波传播影响大波传播影响大按温度不同分层大气层大气层热层：热层：90km以上，温度随高度而升高。温度以上，温度随高度而升高。温度 最高可达数千度，原因是对太阳辐射最高可达数千度，原因是对太阳辐射 的吸收的吸收中层：中层：5090km，温度随高度的增加而下降，温度随高度的增加而下降平流层：平流层： 1850km，温度随高度而升高。原，温度随高度而升高。原 因是臭氧对太阳紫外线

7、的吸收因是臭氧对太阳紫外线的吸收对流层：对流层： 818km，温度随高度的增加而下，温度随高度的增加而下 降。原因是地面的加热降。原因是地面的加热按大气组成成分分层以90Km为界大气层大气层不均匀层：重者下沉，轻者上浮。在太阳辐不均匀层：重者下沉，轻者上浮。在太阳辐 射作用下，大气氧分子和氮分子射作用下，大气氧分子和氮分子 发生电离发生电离均匀层：对电波传播影响很小均匀层：对电波传播影响很小 对电波传播的影响大小取决于大气中带电对电波传播的影响大小取决于大气中带电粒子的多少。粒子的多少。1. 对流层的特点对流层的特点 如果对流层是均匀的，介电常数是常数，那么，无线电波的传播将沿着直线进行。但是

8、对流层是不均匀的，不是常数，而是随着离地的高度和温度而变化。无线电波在对流层中的传播可以看作是从彼此系数不同的一个介质薄层进入另一个介质薄层，这时传播路径将发生连续弯曲，即发生折射。 二、对流层不均匀性的影响二、对流层不均匀性的影响如图所示，为大气的不均匀性所以引起的电波折射现象：如图所示，为大气的不均匀性所以引起的电波折射现象：ABCOabc + n+ nn hOabc + n+ nn在三角形在三角形abo中，中，9090180O时，可得曲率半径当0habh0lim由由abc得得 ,很小很小cos)cos(hhabcoslim0hh根据折射定律，得：根据折射定律，得： )sincoscos)

9、(sin()sin()(sinnnnnnsin, 1cos0 ，认为接近sincossinsinnnnnnnsincossinsinlimsinlimcoslim000dhdnnhnnnhnhhhh在实际中，可以认为入射角在实际中，可以认为入射角 90 ，且，且n=1 dhdn1dhdn是折射率随高度的变化率，由于折射率是递减的，是折射率随高度的变化率，由于折射率是递减的，因此该变化率通常为负值。因此该变化率通常为负值。 对于正常对流层而言，折射率的变对于正常对流层而言，折射率的变化率是常数，即化率是常数，即n与与h成线性关系，所以成线性关系，所以电波传播射线的曲率也是常数。射线的电波传播射线

10、的曲率也是常数。射线的轨迹应为一段圆弧。在标准对流层中，轨迹应为一段圆弧。在标准对流层中， 25002500km。 二、等效地球半径二、等效地球半径 设电波在半径为设电波在半径为RR的等效地面上空为直线传播，以的等效地面上空为直线传播，以等效在实际地面上的折射。如图所示等效在实际地面上的折射。如图所示: : RANabcd RANabcd等效条件：等效条件：， , baab , dccd 若两组曲线的曲率之差相等，则它们之间的距离相等。若两组曲线的曲率之差相等，则它们之间的距离相等。时，当满足方程11RR在图（在图（b）中，中，AN为直线，所以为直线，所以 图（a）与图（b）等效0KRRdhdnRRRR111K就称为等效地球半径因