大功率微波传播与辐射特性的研究

1、西安电子科技大学硕士学位论文大功率微波传播与辐射特性的研究姓名：辛娟申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：谢拥军20060101摘要本论文主要研究了大功率微波传输系统的两个问题：其一是电磁波在大气中传播时，与大气相互作用的研究，其二是对微波发射接收系统中天线的研究，主要研究波导缝隙阵列天线的优化设计当电磁波在高空中传播时，地空间除了正常的自由空间损耗之外，还必须考虑降雨、云雾、冰雹等特殊因素带来的影响，以及折射等现象的影响。在上述情况的基础上，仔细的研究了千瓦波段，千瓦波段的电磁波在地面到高空千米的距离中传播的情况。在研究了微波传播问题之后，本文研究了高功率波导缝隙阵天线的设计问题

2、。在论文的第三章我们提出了应用遗传算法进行快速优化的新方法。首先利用设计方程考虑波导缝隙阵天线中单元间的耦合效应，提出“电流分布逼近”作为目标函数，替代了以往所选的“方向图逼近”目标函数，利用遗传优化算法对谐振式波导缝隙阵天线进行方向图优化设计。我们设计了个元波导缝隙阵，证明了这种方法是有效的，并完成了一个元缝隙阵的设计实例。数值结果表明，此方法相比于传统“方向图逼近”优化方法更加快速有效，并且可以应用到大型的波导缝隙阵的设计之中。关键词：微波传播吸收损耗缝隙阵天线遗传算法优化垮拉，；越，（），一，：创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除

3、了文中特剐加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：墨摄日期趋碰车通垒日关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论

4、文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。鬈嫜兽翥举第一章绪论第一章绪论大功率微波的研究背景在经济高速发展的今天，人们丰衣足食，生活富足，但是这个时代并不是一个国泰民安的时代，战争的隐患随处可见。现代战争不同于以往的小米加步枪时期的战争，现代战争是高科技的战争，是科学技术迅猛发展的产物。现代战争中，雷达对抗和通信无疑是战争成败的决定性因素。随着雷达技术的不断发展，各国都在采取措旌，制定规划，尽快研制先进的雷达对抗侦察设备，以适应未来电子战的需要。通信行业也在蓬勃发展，以确保战争中的通信畅通。但无论是进行雷达目标跟踪，还是要确保通信畅通，再或者是研究遥感

5、探测、空间环境监测等等各种电子系统的研制与运行，都要深入的研究大功率微波的特性。大功率微波的研究一般包括两个方面：一是微波在传播过程中的损耗问题；二是天线接收微波的效率，即天线的最优化设计。电波传播的研究课题很多，例如雷达对抗、卫星通信、以及遥控、遥测等科学领域都涉及到了电磁波的传播。深入的研究电波传播的特性，对国民经济、科学研究和国防等部门的建设都是有重大意义的每一个涉及到电波传播的科学领域的发展，都会对电波传播有更深的要求，同时也相应的促进了电波传播领域的发展。众所周知，电波在传播过程中会受到各种衰减，传输路径越长，衰减越大，如果传输路径较长，就会产生较大的衰减。缝隙阵天线在窄波束或赋形波

6、束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。波导宽边纵缝阵列天线，其不但具有面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，因此，它在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。特别是波导宽边裂缝构成的平面阵列天线。随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，波导缝隙天线是实现此项要求的优选形式。同时，共形天线理论和实践的发展也会使波导缝隙天线的使用占有重要地位。综上所述，大功率微波特性的研究至关重要。大功率微波传播与辐射特性的研究大功率微波研究的发展状况首先我们讲述微

7、波传播的发展状况。从年麦克斯韦（）的理论预言和年赫兹（）的实验揭示，一百多年来，人类对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认识不断深化，同时又创造了多种多样的电磁波工程系统，在电磁现象的各种激励机理和传播效应以及有关电子工程系统等广泛领域，取得了极为丰硕的研究应用成果，形成了蓬勃发展的无线电科学。整个频谱的电磁波已成为人类在征服自然的实践中不断开发利用的重要资源和手段，当然也存在某些有害的电磁辐射和干扰效应，需要在科学和工程的实践中不断予以征服。大气传播特性的研究包括折射现象和各种大气分子的衰减，云雨的衰减，以及各种噪声衰减。关于大气折射现象接近于实用的理论是牛顿（年）、辛森（年）和布拉雷（年

8、）提出的，欧拉（年）首先推导出的大气折射的微分方程。一直到年拉普拉斯有名的拉普拉斯定律该定律告诉我们，当观测远离地平面时，各种模型的计算结果基本上符合。直至今天，我们研究折射效应，是在满足几何光学近似的情况下，依据球面分层理论由定理确定的。各种分子的衰减的研究是建立在以前各位科学家们所推导的理论模型上的。例如：降雨的衰减就是建立在年米提出的介质球散射理论，它给出了介质球引起电磁波散射的精确解；衰落现象比较复杂，我们所研究的衰落现象是基于等人所做的一系列具体实验数据。其次，我们讲述波导缝隙阵的研究近况。波导馈电的缝隙阵列天线是从第二次世界大战以后有了很大的发展。它广泛用于地面、舰载、机载、导航、

9、气象、港管、信标和弹载雷达等领域。波导缝隙阵的研究目前存在这几种：等效电路法自年建立了等效电路法以来，人们一直沿用此法研究缝隙天线。等效电路法简便，对于设计副瓣电平要求不很高的缝隙阵较实用。但对于设计超低副瓣性能的缝隙阵，等效电路法由于自身的缺陷而难以满足要求。我们知道，波导缝隙各处的场是逐渐变化的分布参数，如果用一集总参数等效它，就会导致等效误差，从而影响设计精度。场分析法场分析法克服了等效电路法的缺陷。只要知道了缝隙处的场分布，就可以得到方向图和阻抗特性。场分析法首先建立各缝隙口的场方程，然后用矩量法把缝口的场方程数字离散化，得到可以运用计算机运算的导纳矩阵方程，从而精确地计算出阵的辐射特

10、性和导纳特性。利用场分析法可以研究两端开路或一端短路波导宽边缝隙阵天线的设计，其理论已达到成熟的阶段。也可以用场分析第一章绪论法研究分析耦合缝馈电的两端短路波导缝隙阵的设计。矩量法矩量法因其精确性而被广泛应用，但因其计算量大而受到一定的限制。用矩量法分析缝隙阵列时，往往要求解上千维的线性方程组，阵列越大，方程组维数越高。维数越高，所求解的精度下降，且受计算机内存限制，阵列大到一定程度时，则无法求解。单元激励法这种方法是精确分析阵列的方法之一。现有的方法对其加以近似，使之能用于分析大型阵列，并减少了计算量。单元激励法只适用于缝隙线阵。以上几种缝隙阵列的研究方法就是近几年来所应用的方法。本论文的内

11、容结构本论文主要分为两个部分：在第二章中讲述微波的传播特性；在第三章中介绍波导缝隙阵的设计。对于第二章，我们主要讲述当要进行高空通信时，所要研究的地空之间微波的传播情况。地空间除了正常的自由空间损耗之外，当遇上坏天气时，例如：多云天气，阴雨天气，就必须考虑云雨等特殊因素带来的影响。虽然这些因素的影响与自由空间损耗比较起来很小，但是，当我们要进行精确的空间通信时，这些影响也是不能够忽略的。同时，当电波在空间传播时，由于折射率的存在，电波的传播方向必然发生弯曲，因此还必须考虑折射现象。本论文是在考虑上述情况的基础上，仔细的研究了电磁波在空问传播过程中，所遇到的各种可能衰减，并根据实验数据，画出曲线

12、图。论文中的第二章是在千瓦波段，千瓦波段的条件下，对地面到高空千米的大气传播特性的研究，以下给出这章的研究框架以及研究的示意图。大功率微波的大气传播特性的研究目标高度垦引型禹型童；传的。降大：；气离、；地球半魏滔晰；射邑芭现墨、地心。在论文的第三章中，我们主要研究了波导缝隙阵列的优化设计。在波导缝隙天线阵中，缝隙间的耦合效应对天线方向图的影响很大，因此设计中要考虑耦合大功率微波传播与辐射特性的研究效应。由于遗传算法具有全局多变量优化特性，使其成为应用于缝隙天线阵优化设计中的理想方法。现有的利用遗传算法的优化设计方法一般都是以逼近理想方向图来作为目标函数进行优化的。这种方法需要在迭代的每一步产生

13、方向图，并且和理想方向图进行比较，多次迭代，多次比较，最终锝到满足要求的方向图，这在计算上将会耗费大量的时间。在文中第三章的波导缝隙阵的设计过程中，我们首先利用方程，提出基于“激励电流分布逼近”的目标函数进行优化，将考虑互耦影响后的电流分布值与未考虑互耦的天线阵综合出的理想电流分布值比较，优化天线结构参数，计算出和理想电流值最接近的缝隙结构参数。这种方法中省去了每次迭代中生成方向图的过程，节省了大量计算时间。其次根据优化设计得到的最优缝隙阵参数，利用高频仿真软件进行了仿真，得到了阵列的方向图和驻波特性曲线图。第二章大功率微波传输的研究第二章大功率微波传输的研究在研究传输损耗前，我们先讨论一下大

14、气分层现象。大气一般分为对流层，平流层和电离层【】。对流层：从地面到高空千米左右。在这一层中存在水汽和氧气分子，并且云、雾、雨、雪等现象都发生在这一层。平流层：。从对流层顶到高空千米左右。在这一层中，存在的各种物质分子都特别稀少，对电波的影响甚小，适合于飞机飞行一般在研究电波传播时所指的对流层包括对流层和平流层两部分。电离层：从平流层顶一直延伸到大约千米的高度。在这一区域，主要是在太阳辐射作用下，大气电离形成等离子体层。地空电路中无线电波传播的大气效应，主要包括中性大气（对流层）与电离层两种特性不相同的媒质影响。对流层效应：指密度和气象变化过程复杂的对流层效应，在晴空条件下，有折射效应（射线弯

15、曲），反射效应（多径效应），以及气体分子的吸收衰减和湍流散射（闪烁）；在坏天气的情况下，还有雨雪、冰晶、尘埃等的吸收与散射所致的衰减，以及降雨的去极化效应。电离层效应：主要是折射效应、群时延、相位超前、多普勒频移与法拉第极化旋转以及闪烁效应。在本文中，我们只研究千米以内的高空，因此只研究低电离层的传播情况，即一千米的路径。我们将千米的高空分为两个部分：一（千米），低空的传播情况；（千米）高空的传播情况。首先我们先介绍电波在自由空间中传播的情况。自由空间的基本损耗所谓的自由空闻汹，严格来说应指真空，但实际上是不可能获得这种条件的。通常是指充满均匀、无耗媒质的无限大空间。换句话说，就是这个空间具有

16、各向同性、电导率为零、相对介电系数和磁导率均恒为的特点。所以说，自由空间是一种理想情况。假设电波在自由空间以球面形式传播，设一点源天线（即无方向性天线）置于自由空间中，若天线的辐射功率为只瓦，均匀地分布在以点源天线为中心的球面上。大功率微波传播与辐射特性的研究离开天线，处的球面面积为，则此球面上的功率流密度（即坡印廷矢量值）为土瓦米（）实用天线都是有方向性的，若以谚表示天线的方向系数，其作用相当于在天线的最大辐射方向上把辐射功率提高到珥倍。则实用天线的坡印廷矢量值为：，：（）。式中，只珥就称为发射天线的等效辐射功率。若以发射天线的输入功率只和发射天线增益表示，只设接收天线的有效面积为丘，一。砉

17、吼（）则接收天线的功率最为配等等套弓嚷（）在这里我们引入自由空间基本传输损耗的定义。这里所讲的自由空间的基本传输损耗是用在自由空间中两个理想点源天线（增益系数肚的天线）之间的传输损耗来定义的，它表示在自由空间中，发射天线（）的输入功率耳与接收天线（）的输出功率，七。，鲁。鲁（”）里（）（嚷时）（）。、；地辟半径图自由卒间榻耗的斜路释长席图自由空间损耗与频率的关系簧）（）（第二章大功率微波传输的研究若以分贝（棚）表示：若以分贝（棚）表示：“；（竿）。，（）（）（）（）式中就是图所示的斜路径长度，为射线仰角。（，）（）当射线仰角不是很小时，我们可以忽略地球的曲率效应，并且由于折射现象所产生的距离误

18、差对自由空间的损耗影响很小，因此，我们这在里忽略折射效应，直接用下面公式计算自由空间的路径长度：黑）（）：罢（砌）（）（）（）口经过我们的编程计算，得出了自由空问损耗与频率的关系，以及自由空间损耗与仰角的关系，如图所示。大气分子对微波的衰减当无线电波通过对流层时，会受到对流层中氧分子，水蒸汽分子等大气气体分子对微波的衰减。任何物质都是由带电的粒子组成，这些粒子有其固有的电磁谐振频率，当通过物质的电磁波频率接近其谐振频率时，这些物质就会对电磁波产生强烈的共振吸收作用。大气中的氧分子（）具有固有的磁偶极矩，水汽分子（）具有固有的电偶极矩，它们都能从电磁波中吸收能量，产生吸收衰减。我们所研究的波段均

19、不属于大气吸收的明显吸收峰，因此损耗较小。应该说明，大气吸收是大气温度，气压和湿度的函数，而这些气象参数会随高度、地区、季节甚至会随每天的不同时间而变化。以下的计算是种近似的计算，由于传输损耗远小于自由空间损耗，并且气体分子只是传输损耗中的很小一部分，因此经过近似计算的误差很小。氧分子和水蒸气分子的倾斜路径吸收损耗，可以按照各自的地面损耗率与穿过对流层的等效路径长度的乘积计算，而总的大气分子损耗【，即为这两项损耗之和。，损耗率：在我们所研究的，波段，氧分子的损耗率可按下式近似计算：舻苦勃揣】，（，）（）其中，厂为频率（）大功率微波传播与辐射特性的研究舻【万靠石面可而矿砑丽（）。（，翩）标准气压

20、下，当几（）时，应用此方法所得数值与已有的试验结果符合。等效高度对流层的氧气等效高度和水蒸汽等效高度。可分别按如下公式确定：（适用于，波段）（）水蒸汽分子损耗率与频率和水蒸气密度。（）有关，可以用下式计算：屯万瓦两石意耘石蒜】（）其中，。当晴空时取：当降雨时取拥。路径损耗（）考虑到斜路径穿过对流层的路径长度与对流层高度的关系，气体吸收产生的斜路径损耗的计算公式如下：当路径仰角口时，：地芷竺毒型衄）（，）当路径仰角口。时，以等急卿（）其中，（）：肛茆万一十以（一（）中的可用或代替：吃为地球站海拔高度（）；。为考虑折射后的有效地球半径。（当毽时，震。取比较合适）空气中的氧气成分比较固定，因此，其吸

21、收分量比较稳定。所以气体吸收损耗主要随水蒸气密度变化而变化，因此，气体吸收统计特性可以从水蒸气密度统计特性推导得出。温度对气体吸收也有影响，但影响一般很小。晴空大气分子总的衰减如图所示。第二章大功率微波传输的研究行佗；”；：叮；：；，图晒晴空大气分子总的衰减（水汽密度）大气沉积物的吸收衰减大气沉积物衰减主要包括可观察到的雨、雾、云、雪、冰雹等。它们对微波传播都有一定的影响。当电波投射到这些水凝物粒子时，粒子内部的自由电子和束缚电荷将受到外界电场力的作用而作强迫振动。由于水凝物粒子内部的分子之间或分子与离子之间的相互作用产生的阻尼效应，使一部分电波功率转化成热能而消耗掉，这就形成了对电波能量的吸

22、收，使电波在传播方向上遭受到损耗衰减。以下我们将给出相对衰减最严重的雨、云的衰减计算方法。一降雨的衰减目前，有许多种计算降雨损耗的方法，这里只介绍现有的法。法就是应用米理论计算出降雨的衰减率，再通过对折射现象的分析得出电波的实际路径长度，二者的乘积就是总的降雨损耗。首先根据米理论计算降雨衰减率【】。由此理论得出降雨衰减率：，观旷罢“眵（册（）曲（）式中：为自由空间传播常数（。）；（）为前向散射幅度函数；（）为粒子的尺寸分布密度；为粒子直径（）；二为最大粒子直径（）计算前向散射幅度函数即【景忸（川）等高卜丽（）九】（）其中：，是波数，口是粒子半径。雨滴近似为球形，直径范围“，根据米理论，粒子的前

23、向散射幅度函数（）按参数（）的幂级数展开：大功率微波传播与辐射特性的研究即，所以一般来说的高次幂可以忽略，是水的介电常数。瑞（丑）在年，提出了一套与实验相符合的水的复介电常数的经验公式：。（）。生芸二竺睾兰（）。辨一气一（每）“竿（每）舭，（）（）（）（）（），【一。（一）（）一）口气一口。一（）（）式中：以是松弛波长（锄），五是工作波长（），是温度（）。计算粒子的尺寸分布密度尺寸分布密度（）的计算一般是根据劳斯帕生的测量提出的负指数关系：马歇尔一帕梅（）雨，滴分布。（）【（一）（一）（）（）（）是以为单位的雨滴的直径，是以为单位的降雨率。雨衰减率和降雨率的关系将（）的表达式和雨滴尺寸分布）代

24、入衰减率公式中，近似并简化得到雨衰减率和降雨率的关系为指数模式其中，和口由下式确定：）【（足）（）第二章大功率微波传输的研究）（）式中，为路径仰角；为相对水平方向的极化倾角（为水平极化，。为垂直极化，为圆极化）。根据已有的实验曲线，我们将拟合出自己所需，波段的更加精确的参数的多项式公式（）（）。拟合公式，巧，口，根据拟和结果得出：波段：厂。尸一，一厂一一（）（）波段：一，一一尸，。）而。一。厂娩一广广一，一广（），坡段：。一厂厂一厂一。，（）印唑尸鼍埘广一（）一。总的降雨衰减降雨高度下的斜路径长度。幻此参数可根据几何关系得到。当仰角。时，等（）当仰角时，。一三，：一！：丝三垒！（）（）口（，）

25、。这里。（）为降雨等效高度，一般取，而。（）为地面站天线海拔高度，大功率微波传播与辐射特性的研究为地面站天线的仰角。路径缩减因子因为在一段时间内的降雨不是恒定的，存在概率问题，因此我们只有根据某一时间概率的降雨率来求它的衰减。例如，时间降雨率表示：在总的降雨时间中占时间的降雨率。斜路径穿过雨层的等效路径长度一般小于降雨高度下的斜路径长度，它们的比值，称作路径缩减因子。对于时间的降雨率来说，它可表示为：，百币丢瓦（）。（）（）当对，用删”矗代替，为特征长度，月为占时间的降水率。总的路径长度为：工，。、总的衰减损耗（）式中：。为雨衰减率（），工为降雨斜路径长度，厂。为路径缩减因子。经过编程计掣，此

26、公式符合已有资料所给出的数值。我们编程计算出了，波段降雨衰减与频率的关系，如图所示。一。：！：图，波段降雨衰减与频率的关系（）二云的衰减【，云的水粒子都很小，因此，它们的损耗率都可以表示为：。；。（）第二章大功率微波传输的研究经过统计得出：贮；竺得到：铲坐；竺犯名为波长（），为液态含水量（，）。（）式可以得出云的衰减率与频率的关系式：（）铲埘贮鼍芸琏为绝对温度，是真空中的光速洲），为频率（）。如果云的厚度或雾层高度为丘，那么，相应的斜路径损耗可近似表示为：。：（）云的含水量范围，一般云垂直厚度。一般来说雨云的液态水含量可假设为，厚度为。图为雨云的衰减。，一！；图雨云的衰减退极化现象电波的极化是

27、描述空间某点处正弦振荡电场矢量的空间取向情况的。当电波在某种媒质内传播时，若该媒质对不同极化的电波产生不同的衰减和相移，或由于传播中的反射，散射和绕射等影响，都有可能使波的极化状态发生改变。电磁能量由一种极化状态转移到另一种与之正交的极化状态的现象，称为退极化或去大功率微波传播与辐射特性的研究极化现象。在微波波段，已经产生了频带不敷分配的危机。所以，除积极开拓千兆赫以上的高频段外，还应在当前使用的频段内，减少频率间隔以达到增加通信容量的目的。对于上述这两种方式，都需要保证在正交极化的信道之间有较高的隔离度。因此，研究退极化现象就有着十分重要的现实意义。无论是线性极化还是圆极化，通常都用交叉极化

28、分辨率（）来度量极化纯度，其定义为：脚堋翥燃剐萄对于线极化波口。，定义交叉极化分辨率。是主极化方向的接收电场，：是通过媒质传播后所产生的与主极化成正交方向上的电场分布。在地一空电路中，退极化影响最重要的是降雨所引起的退极化现象，这是由于降落雨滴的非球形和雨滴轴相对于信号的传播方向存在着取向角所引起的。工程计算中，雨滴可近似为椭球形。当电波传播方向与雨滴对称轴成口角时。退极化现象最为严重。下面将研究线极化波的在对流层中的雨滴退极化现象。一线极化波在雨滴中的退极化现象下面讨论椭球形雨滴处于两个正交线极化波的传播方向上的情况。图（）所示，日，为两个正交的极化入射波。图（）所示，为通过雨滴长轴的方向，

29、为垂直雨滴长轴的方向，将毛，分解到。方向上：椰，一。（）图（）雨滴的退极化作用（第二章大功率微波传输的研究一矗）（）（）（）五一“一（“椰式中为传输系数。，和仍，蜘分别为和方向上的衰减系数和相移常数，是雨区长度。如图（）所示，电波穿过雨区后在和方上接收场强为：五晶巾因此可以解出与发射波相同极化的接收波的电场分量，即主极化分量：口五（口易式中，口，称为极化系数，由下式表示：（）（）（）（）龟瓦磊芦（）口五卢下（）口口三马（）根据上述定义，可以得出垂直极化波交叉极化分辨率（即）和水平极化波交叉极化分辨本：（，）的定义表达式：脚纠吨锚划嘲一，一铡制酽叼为，（）若传输为正交圆极化波，用相同的方法推导，

30、可得出圆极化波交叉极化分辨率大功率微波传播与辐射特性的研究划，降哥埘崮其中，（）鲁一“口枇爿差分衰减（分贝斤米），妒差分相移（度，千米），三雨区长度（千米）。路径长度在求降雨衰减中已经给出工工，（）我们有以下的统计结论嘲：（）当主极化衰减（降雨衰减）相同时，会随频率的降低而减小（）在相同衰减的情况下，垂直极化波的交叉极化分辨率要比水平极化波的高。而线极化波的交叉极化分辨率确实优于圆极化波。（）当值很高时，退极化现象影响很小。（）降雨率相同的情况下，频率越小，值越大。由节的研究可知，波段的降雨衰减很小，一般不超过，故可得到较高的值，我们可以忽略退极化现象对电波传播的影响。对于波段，我们在不同降雨

31、率下，根据实验数据进行公式拟合。（）当降雨率比较小时，雨水的退极化现象可以忽略。（）当时。一厶妒一一，。，（）（）当时毫一睾厂旷广一尸旷，一尸一（）在地球半径，天线架高，目标高度，雨滴倾角（平均值），时，计算得出：（）（）一般来说，雨滴倾角的不一致可以改善交叉极化分辨率，因此真正的值比以上计算值大。二简单实用的测量方法第二章大功率微波传输的研究一般来说，波段衰减甚小，可不考虑降雨退极化影响。对于波段的范围中不超过时间的降雨为：耵。一巳巳（）（）其中：，（），一（），（），。图为中雨限）时，波段的值帮警占甜显；入。”、？；：，”麟”中雨艰姗恤）时，波段的值图大气的折射效应当电波在大气中传播时，由

32、于通过对流层，电离层的不均匀介质，所以，电波一般会发生射线弯曲现象，此现象称为大气的折射效应。大气折射现象会导致电波的传播方向偏移，为了确保电波的准确接收，有必要考虑折射效应。首先我们先定义一下折射的类型。设为大气折射率，为垂直高度。当罢，七【一】时，均匀大气中不存在折射现象。雄口疗皇！一上。一口十正常折射射线弯向地球，但不可能折射回地面。超折射塑。砌当发生这种情况时，射线折回地面。此不等式通常作为超折射出现的条件。负折射，譬疗此种现象很少发生，一旦发生这种现象，射线将向上弯曲。大功率微波传播与辐射特性的研究图大气折射的分类下面，我们将考虑大气的正折射现象脚。为计算大气的整体折射效应，在此定义

33、了一个综合大气折射指数：一盯，”（）对流层的折射指数：实验证实，对流层的大气折射率可以用下面的公式近似求出：）丁了（）式中，是大气压强（毫巴），是水汽压强（毫巴），是绝对温度（）。为了方便，定义折射指数（珥一，称为单位，于是可得字（下）（。）研究对流层折射指数，对于了解对流层电波传播特性有着重要意义。目前世界各国都进行了大量的研究工作。在工程上除利用式（）计算折射指数随高度的分布外，还普遍采用实测的办法，测量地面折射指数。值及其随高度的变化，并进行统计。在我国的统计结果中，折射指数模型为：（）”因此，对流层折射率为：，（）（）电离层折射指数（忽略地磁场效应时）：一形：（）第二章大功率微波传输的

34、研究热厶去岳煳觥髓，嬲。札为电离层电子浓度田，已为电子电量，为电子质量，为自由空间介电常数。在对流层高度珥，而在电离层高度疗，。一距离（群时延）误差在大气为球面分层的假设下，位于地面的雷达所测至目标（离地心高度为），如图所示，的无线电距离（视在距离）为：【熹亍粤善占瞻占山，一；口岛岛一一视在仰角矗。（）、。一一地面折射率目标的真实直线距离为：了亨尹磊尹霉岛一一目标的真实仰角（）大气折射所产生的距离误差为一凡（）对流层距离误差（）足一如髟，（其中：为干空气效应，疋为水汽效应，液体水含量（雨，云）效应。由于对流层折射率不依赖于频率，因此我们给出某地年平均折射指数模型计算的距离误差随初始仰角及高度的

35、变化关系。口。，口。，。口，口。，（）电离层距离误差：从，刍，刍，（）式中积分为沿路径至目标处电离层单位截面柱体的总电子含量【饱】，。二仰角误差对流层误差：如图所示，目标的真实仰角为良，而视在仰角为。则仰角误差：只口一易（）大功率微波传播与辐射特性的研究图大气折射效应示意图生易一（岛），一（卿岛）一兰岛喀岛！，一一（）纷爿鬲赢等刁岛【酱】（如吼目标处的折射率，为地球半径（）。变化关系：（：毫弧）（）式中。为天线的海拔高度，为目标高度，为地面天线处的折射率，唧为在此我们给出某地年平均折射指数模型计算的仰角误差随初始仰角及高度的口，幺口，幺，幺蝴：晔寺只等。，川归万南（甩？，一珂；口幺）恐（）一一

36、从对流层入射到电离层的入射角。只一，（）第二章大功率微波传输的研究足：三：肼（）总的仰角误差定义为，（），分别为对流层和电离层的仰角误差。衰落现象在研究电波传播过程中，还必须考虑到衰落现象。特别是在初始仰角很小时，衰落现象比较明显，如果不加以考虑，势必产生很大的误差。随着电波传播环境的不同，衰落现象也表现为不同形式，产生的机制也不同。本节主要考虑多径衰落，波导衰落，闪烁衰落。一多径传播多径传播是由于直射波与地面反射波到达接收端因相位不同互相干涉造成的，这种衰落在经过水面，湖泊或平滑地面时特别严重。因此在工程研究中，主要考虑地面多径传播。传输余隙示意图图所示，点为发射电波端，点为接收电波端，直线

37、与地面山峰的最高点的垂直距离称为传播余隙。当初始仰角较小时，尤其是在多山谷的地区，就要考虑地面的多径效应。多径衰落严重依赖于地区地貌。我国在关于多径衰落方面所做的实验比较少，因此，我们给出一些外国学者在这方面所做的实验结果。以下是一些实验数据：在频率时，车载螺旋天线在美国的，和所做的一些实验结果如图所示。（）在平坦的沙漠中，当仰角。时，时间的衰落小于。在美国一林间小空地上，偶尔会有少量的树存在，劳且。时，的时间衰大功率微波传播与辐射特性的研究落超过，的时间衰落超过）。图多径衰落与树影的衰落比较图峡谷中波段的衰落损耗（表示沙漠中的衰落。：一表示多山情形疗一表示茂盛树木情形口）（）多山的草地，在口

38、。的情况下，近分钟的测量中，正常信号的衰落在之间，如图所示衰落在的时间里小于。（）树的衰落。在州的一条街道上（路边有茂盛的树木）测出有的时间衰落超过。多径衰落与仰角有依赖关系：大的衰落总是发生在仰角较小的情况下。在波段，例如当厂时：年月，在美国的一系列峡谷的实验结果【，如图所示。可以看出（距离大约为，大约）：在峡谷中（）：口。，时间衰落超过，时间衰落超过；秒，时间衰落超过，时间衰落超过。同样，等人在一有茂盛树木的路边（咖）所做的实验也表明了衰落和仰角的关系：超过时间，仰角口时，衰落为：口时，衰落为；口时，衰落为。超过时问，仰角护。时，衰落为；口。时，衰落为：目。时，衰落为。总之，多径衰落总是发

39、生在电波的初始仰角很低的情况下，仰角越低，电波受地面状况的影响就越大，衰落现象就越严重，。衰落现象在平坦地区影响较小，多山峡谷地区较大，多植被的地区的衰落则是最大的，尤其是在植被茂盛的第二章大功率微波传输的研究夏季二大气波导引起的多径衰落大气折射对电波传播的影响还表现在大气波导方面。当大气折射率梯度负得很厉害时，会发生超折射现象，容易形成大气波导层。由于波导层的厚度随气候的变化而不断变化，这就使得接收点的场形成多径干涉衰落。这就是大气波导衰落的产生机制。首先讨论产生大气波导的条件。同样应用节所提出的球面分层的折射公式：，（。）（。）（）应用此公式时，地球就被等效为平面，是修正折射率，是发射电波

40、处的折射指数，折射指数：（），为发射电波的初始仰角，为电波仰角。研究媒质对电波传播时，一般用介电常数占和电导率盯表示。在整个无线电波段，除厘米波的高频段及毫米波外，对流层气体的电导率实际上可视为，因为我们所研究的是）（波段，此时对流层的介电特性只用占，表示。一般与压强、温度和湿度有关。借鉴节对大气折射率的研究，我们可推出如下表示的修正折射率：华（，生。（）等字篆一事俨了）磊磊等（）当蔓丝。时，出现超折射现象，产生大气波导【】。当我们将所需参数代（）式砌中，就可以判断出是否需要考虑大气波导型衰落。大气波导有可能出现在地面，也有可能出现在空中，将会对电波传播产生一定影响。当形成大气波导时，有可能形

41、成波导传播。虽然微波波段易发生波导传播，但发射仰角必须在以内，甚至于在以内，我们研究的，波段才有可能发生这种情况。若我们所研究的射线仰角。，可以避免波导传播。对于仰角较高的电波传播，大气波导现象可以不予考虑。由于以上研究的衰落，与地形、气候、传播路径的长度、以及仰角的大小有关，要得到相关的统计资料，必须经过确定的实验。三闪烁衰落闪烁现象是存在于地空传播间的一种普遍衰落现象。它指的是当无线电波在地面发射点与高空接收点之间传播时，由于所通过的电离层和对流层，媒质在小大功率微波传播与辐射特性的研究范围内折射率不规则的起伏变化，使接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。它产生于电离层和对流层，闪烁将造成电波衰落。电离层的闪烁是由于高度上层夜间的不规则运动