wireless material-physical layer

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。wireless material-physical layer地波、天波、自由空间传播地波、天波、自由空间传播无线信道中有中、长地表面波传播（其损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，因此在VHF和UHF频段地表面波的传播可以忽略不计），短波电离层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。在VLF、LF和MF波段，无线电波沿着地面传输，传输距离较远，称为地波。在HF、VHF波段，地面波会被地球吸收。然而，到达电离层的波可以被电离层反射回来，再送回到地球上。在某些特定的大气条件下，信号可以被反

2、弹多次，称为天波。自由空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播，能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，这样的情况下，电波可视作在自由空间传播。天线短波通信是指波长米（频率为）的电磁波进行的无线电通信。短波通信传输信道具有变参特性，电离层易受环境影响，处于不断变化当中，因此，其通信质量不如其它通信方式如卫星、微波、光纤好。短波通信系统的效果好坏，主要取决于所使用电台性能的好坏和天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素。近年来短波电台随着新技术提高发展很快，实现了

3、数字化、固态化、小型化，但天线技术的发展却较为滞后。由于短波比超短波、卫星、微波的波长长，所以，短波天线体积较大。在短波通信中，选用一个性能良好的天线对于改善通信效果极为重要。下面简单介绍短波天线如何选型和几种常用的天线性能。一、 衡量天线的性能因素 天线是无线通信系统最基本部件，决定了通信系统的特性。不同的天线有不同的辐射类型、极性、增益以及阻抗。辐射类型：决定了辐射能量的分配，是天线所有特性中最重要的因素，它包括全向型和方向型。极性：极性定义了天线最大辐射方向电气矢量的方向。垂直或单极性天线（鞭天线）具有垂直极性，水平天线具有水平极性。增益：天线的增益是天线的基本属性，可以衡量天线的优劣。

4、增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值，通常使用半波双极天线作为参考天线，其它类型天线最大方向上的辐射强度可以与参考天线进行比较，得出天线增益。一般高增益天线的带宽较窄。阻抗和驻波比（）：天线系统的输入阻抗直接影响天线发射效率。当驻波比（）：时没有反射波，电压反射比为。当大于时，反射功率也随之增加。发射天线给出的驻波比值是最大允许值。例如：为：时意味着，反射功率消耗总发射功率的，信号损失。为：时，损失功率，信号降低。二、 常用短波天线性能  方向性天线、简单的双极天线适用于短距离通信，但短波远距离通信信号微弱，甚至被各种噪音淹没时，天线就需要选择比双极天线增益更高的天

5、线。理想方向性天线在工作方向上具有很高增益而无用方向上增益为。三、 不同环境下天线选型 固定站间远近距离通讯 由于固定站间通讯方向是固定不变的，所以一般采用高增益，方向性强的短波天线。通信距离在公里，可使用高增益，低仰角对数周期天线（），但天线价格昂贵。在实践中短波自适应电台配这种天线，可基本实现北京至昆明，乌鲁木齐甚至拉萨全天候通信。如果通信质量要求不是太高也可使用价格相对便宜的天线如八木天线、长线天线，但长线天线需用天调。距离在以内时采用水平双极天线可取得较好效果，但水平双极天线占地较大，中心站电台较多不适合布天线阵。 固定站与移动站间通讯 由于移动

6、站在运动中，通讯方向不固定，所以中心站的天线应选用全向天线，例如，多膜短波宽带天线或配有天线调谐器的鞭状天线。多膜天线虽然价格较贵，但是一个天线竿上可以绕三副天线（俩副高仰角天线，一副低仰角天线）远、近距离通信均可兼顾。中心站也可用鞭状天线，鞭状天线的仰角低，近距（-公里）通信困难，远距离（-公里）只要频率合适，通信效果较好。移动站天线由于安装面的限制，多采用鞭状天线，国内有时用栅网、双环、三环天线。远距离通信时，鞭状天线竖直，近距离通信则可以放置为倒“”型，这样使用增加了天线的垂直辐射面，可以提高发射效率。只要天线的发射角、电台的工作频率合适，可以克服短波盲区（-公里）的通信困难。 

7、;补充一点：关于天线增益的描述（dBd和dBi）天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义-为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20（倍） 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 /

8、60;20 = 5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi；4个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 dBi  ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd .半波对称振子的增益为G = 0 dBd （

9、因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。） ； 垂直四元阵，其增益约为G = 8.15  2.15 = 6 dBd 。基本传播机制（反射、绕射、散射）当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在视距途径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。当波穿

10、行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大的时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会产生散射。慢衰落接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化成为慢衰落，一种典型的慢衰落就是阴影衰落。这是由于电波在传播路径上遇到障碍物就会产生电磁场的阴影区，当移动用户通过不同的阴影区时，就会引起中值变化。在相同的收发距离情况下，不同位置的周围环境差别非常大，由于阴影效应，导致路径损耗为随机的对数正态分布（lognormal distribution）。可见，阴影衰落是随位置的较大变化（数十个或数百个波长以上的变化，而非数个波长以内

11、的位置变化）而造成的缓慢衰落，亦称地形衰落或位置衰落。快衰落移动台在移动时，接收信号除了其场强中值随位置发生慢衰落外，信号的振幅在数个波长以内还有着迅速的随机变化，其变化范围可以达到数十分贝，这就是快衰落。这是由于电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收，实际到达接收天线处的电波除了来自发射天线的直射波外，还存在来自各种物体（包括地面）的反射波和散射波，反射波和散射波在接收天线处形成干涉场。此外，在无线通信中，还存在因移动台的快速移动而划过电波的波节和波腹的驻波现象及由于多普勒效应而造成的相移。凡此种种原因，就使得实际移动台接收到的场强在振幅和相位上均随时随地在急骤变化，使信号很不

12、稳定，这就是天线电波的衰落现象，其中随时间急骤变化的部分（以毫秒计）称为“快衰落”和短期衰落。在实际移动信道中，散射体很多，所以接受信号是由多个电波合成的。直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落。产生快衰落的原因有两个，多径效应和多普勒频移。在没有直达路径的情况下，快衰落服从瑞利分布。仔细划分这一快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落。多径效应由移动体周围的局部散射体引起的多径传播效应称为多径效应。发射端的信号到达接收端的路径并非一条，由于经历不同的传播损耗和衰落，各径信号均不相同。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随

13、着距离变动而衰减，幅度的变化反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散的损耗。从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同，即如果从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。四种主要效应 阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射

14、信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。   多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的

15、，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。   多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。在实际的移动通信中，3类选择性的衰落都存在，根据其产生的条件大致分为以下三类：   第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落   第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。    第三类多径干