视距传播学习教案

1、会计学1视距传播视距传播(chunb)第一页，共51页。222221212112()()2rrrHHdHHdH Hd r2-r1为两条路径之间的路程差，它可以为两条路径之间的路程差，它可以(ky)表示为表示为(1112)AdH1Ar1r2H2E2E1B水平极化垂直极化, , E1E2第2页/共51页第二页，共51页。根据根据(gnj)二项式定理：二项式定理：) 11(8642531642314212111432xxxxxxdHHrrrdHHdrdHHdr2112212221212211211得：得：（取前（取前2项）项）第3页/共51页第三页，共51页。接收点接收点B场强应为直接场强应为直接(

2、zhji)波与地面反射波的叠波与地面反射波的叠加。加。21()121(1)jk rrEEEEe (1111) 为地面的反射系数，它与电波为地面的反射系数，它与电波(din b)的投射的投射角角、电波、电波(din b)的极化和波长以及地面的电参数的极化和波长以及地面的电参数有关。有关。一般可表示为一般可表示为 设沿设沿r1路径路径(ljng)在接收点在接收点B处产生的场强振幅为处产生的场强振幅为E1，沿沿r2路径路径(ljng)在接收点在接收点B处产生的场强振幅为处产生的场强振幅为E2，则则B处的总场强为处的总场强为je第4页/共51页第四页，共51页。22sin(60)cossin(60)c

3、osrrjj (1113a) 对于对于(duy)水平水平极化波极化波对于对于(duy)垂直极垂直极化波化波22(60)sin(60)cos(60)sin(60)cosrrVrrjjjj (1113b)第5页/共51页第五页，共51页。 对于水平极化波来讲，实际地面的反射比较接对于水平极化波来讲，实际地面的反射比较接近于理想导电地，特别是在波长较长或投射角较小近于理想导电地，特别是在波长较长或投射角较小的区域近似的区域近似(jn s)程度更高。因此在估计地面反射程度更高。因此在估计地面反射的影响时，可粗略地将实际地面等效为理想导电地的影响时，可粗略地将实际地面等效为理想导电地。第6页/共51页第

4、六页，共51页。 对于垂直极化波情况对于垂直极化波情况(qngkung)就比较复杂。垂就比较复杂。垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值的投射角称为布鲁斯特角（的投射角称为布鲁斯特角（Brewster），记作），记作B；在；在B两侧，反射系数的相角两侧，反射系数的相角180突变。尽管垂直极化波突变。尽管垂直极化波的反射系数随投射角的变化起伏较大，但在很低投射的反射系数随投射角的变化起伏较大，但在很低投射角时，仍然可以将其视为角时，仍然可以将其视为-1。第7页/共51页第七页，共51页。0102030405060708090 / ()010

5、2030405060708090 / ()00.20.40.60.81H3.0H1.0H0.3H0.1V0.1V0.3V1.0V3.0|V3.0V1.0V0.3V0.1H0.3H3.0020406080100120140160180200 / ()(a)(b)海水的反射系数海水的反射系数海水和陆地海水和陆地(ld)的反射系数的反射系数（图中（图中V代表代表(dibio)垂直极化，垂直极化，H代表代表(dibio)水平极化）。水平极化）。GHzGHz第8页/共51页第八页，共51页。干土的反射系数干土的反射系数H3.0V3.000102030405060708090204060801001201

6、40160180200 / ()(b)0102030405060708090 / ()(a) / ()| |00.20.40.60.81H3.0V3.0 水平极化波反射系数的模在低投射水平极化波反射系数的模在低投射(tush)角约为角约为1，相角几乎可以被看作相角几乎可以被看作180常量。常量。 第9页/共51页第九页，共51页。当当很小时很小时(xiosh)，将，将dHHr212代入下式代入下式21()121(1)jk rrEEEEe 合成合成(hchng)场可以做如下简化：场可以做如下简化： dHHErkEeEEEErrjk21111212sin22sin2112 (1114) 因此，波的

7、干涉与天线的架高、电波波长及因此，波的干涉与天线的架高、电波波长及传播距离传播距离(jl)有关。有关。第10页/共51页第十页，共51页。垂直极化波在海平面的干涉垂直极化波在海平面的干涉(gnsh)效应（效应（r=80，=4）100080060040020000.20.40.60.811.21.41.61.8| E / E1 |0.40.60.811.21.41.61.8| E / E1 |200.511.522.53d / 104 m(a)H2 / m(b)（a）f=0.1GHz，H1=50m，H2=100m（b）f=0.1GHz，H1=50m，d=7000m 下图是以|E/E1|为纵坐标计

8、算得到的垂直极化波在海平面上的干涉(gnsh)效应。第11页/共51页第十一页，共51页。1222.18(/)( )( )()( )()rE mV mH m HmP kW Dm dkm (1115) dDPEdHHdHHdHHr60,22sin,921212121时时当当第12页/共51页第十二页，共51页。122222 100 100170.0550000H Hk rd 解解 地面反射地面反射(fnsh)波与直接波之间的相位差为波与直接波之间的相位差为【例】【例】 某通信某通信(tng xn)线路，工作波长线路，工作波长=0.05m，通信，通信(tng xn)距离距离d50km,发射天线架高

9、发射天线架高H1=100m。若选接收天线架。若选接收天线架高高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下，在地面可视为光滑平面地的条件下，接收点的接收点的E/E1=？今欲使接收点场强为最大值，调整？今欲使接收点场强为最大值，调整后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？ 第13页/共51页第十三页，共51页。 所以接收点处的所以接收点处的E/E1=0，此时，此时(c sh)接收点无接收点无信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天线高度，使得接收点处地面反射波与直接波同相叠加线高度，使得接收点处

10、地面反射波与直接波同相叠加，接收天线高度最小的调整应使得，接收天线高度最小的调整应使得= 16。1222222 100160.0550000H Hk rdH 若令若令可以可以(ky)解出解出H2=93.75m，接收天线高度可以，接收天线高度可以(ky)降低降低6.25m。 第14页/共51页第十四页，共51页。y01dxAH1H2BCA地面上的有效地面上的有效(yuxio)反反射区射区 2. 地面上的有效地面上的有效(yuxio)反射区反射区 反射波的主要空间通道是以反射波的主要空间通道是以A和和B为焦点的第一菲为焦点的第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面相交涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面

11、相交(xingjio)的的区域为一个椭圆，该区域内对反射波具有重要意义。区域为一个椭圆，该区域内对反射波具有重要意义。这个椭圆也被称为地面上的这个椭圆也被称为地面上的有效反射区有效反射区。第15页/共51页第十五页，共51页。011120121202()2()xddH HHydHH (1116) 该椭圆该椭圆(tuyun)的长轴在的长轴在y方向，短轴在方向，短轴在x方向。方向。 (1117a) 长半轴：长半轴：短半轴：短半轴： 12212() badHHd(1117b) 221212142HHdHHdddb 根据第一菲涅尔椭球的尺寸，可以计算出该椭圆（有根据第一菲涅尔椭球的尺寸，可以计算出该椭

12、圆（有效反射区）的中心位置效反射区）的中心位置(wi zhi)C的坐标为的坐标为第16页/共51页第十六页，共51页。baC1hcc不平坦不平坦(pngtn)地面地面的反射的反射 3.光滑地面的判别光滑地面的判别(pnbi)准则准则 实际地面都是起伏不平实际地面都是起伏不平(bpng)的，光滑地面只是的，光滑地面只是理想情况。理想情况。电波在上、下两边界处反射时的波程差为电波在上、下两边界处反射时的波程差为sin2 hr(1118) 由此引起的附加相位差为由此引起的附加相位差为sin2hkrk第17页/共51页第十七页，共51页。 为了能近似地将反射为了能近似地将反射(fnsh)(fnsh)波

13、仍然视为平面波，即仍波仍然视为平面波，即仍2有足够强的定向反射有足够强的定向反射(fnsh)(fnsh)，要求，要求 ，相应相应(xingyng)地地要求要求瑞利准则瑞利准则8sinh (1119)瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据。瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据。 当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑；当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑； 当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。第18页/共51页第十八页，共51页。 表表1111 h的实际计算的实际计算(j sun)

14、数数据据 波长越短，投射(tush)角越大，越难视为光滑地面，地面起伏高度的影响也就越大。6030第19页/共51页第十九页，共51页。光滑光滑(gung hu)球面地情况球面地情况 地球是球面体，在大多数情况地球是球面体，在大多数情况(qngkung)下应该考虑到地下应该考虑到地球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。 如图如图1117 所示，在给定的发射天线和接收所示，在给定的发射天线和接收天线高度天线高度H1、H2的情况下，由于地球表面的弯曲的情况下，由于地球表面的弯曲，当收发两点，当收发两点B、A之间的直视线与地球表面相切之间的直视线与地球表面相切时

15、，存在着一个极限时，存在着一个极限(jxin)距离。当距离。当H1、H2远小远小于地球半径于地球半径R时，时，d0也就为也就为B、A之间的距离之间的距离r0。第20页/共51页第二十页，共51页。AH1r10r0r20RRRH2BCBAOd01.视线视线(shxin)距离视线距离视线(shxin)所能达到的所能达到的最远距离最远距离 在通信工程中常常把由在通信工程中常常把由H1、H2限定限定(xindng)的极的极限地面限地面 0dBA距离距离(jl) 称为视线距离。称为视线距离。 第21页/共51页第二十一页，共51页。2221011122220222()2()2rRHRRHHrRHRRHH

16、(11110) (11111)由于常满足由于常满足RH1，RH2，因此，因此(ync)视线距离视线距离可写为可写为01020122 ()rrrRHH (11112) 根据根据(gnj)图图1117所示的几何关系，若所示的几何关系，若C点为点为AB与地球的切点，则有与地球的切点，则有第22页/共51页第二十二页，共51页。0123.57( )( )rH mHmkm(11113)在标准大气折射时，视线(shxin)距离将增加到0124.12( )( )rH mHmkm (11114)第23页/共51页第二十三页，共51页。 在收、发天线架高一定的条件下，实际在收、发天线架高一定的条件下，实际(sh

17、j)通信距通信距离离d与与r0相比，有如下三种情况：相比，有如下三种情况：(1) d0.7r0，接收点处于，接收点处于(chy)亮区；亮区；(2) d1.2r0，接收点处于，接收点处于(chy)阴影区；阴影区；(3) 0.7r0d1.2r0，接收点处于半阴影区。，接收点处于半阴影区。 在实际的视距传播工程应满足亮区条件，否则在实际的视距传播工程应满足亮区条件，否则地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。第24页/共51页第二十四页，共51页。天线天线(tinxin)的等效高度的等效高度 RRRd2d1r10r20H1H1H2H2BA1H2HOC2.天线的等效

18、天线的等效(dn xio)高度高度 过反射点过反射点C作地球作地球(dqi)的切面，把球面的几何关系的切面，把球面的几何关系换成平面地，此时由换成平面地，此时由A、B 向切平面作垂线所得的向切平面作垂线所得的H1 、H2就称为天线的等效高度或折合高度。就称为天线的等效高度或折合高度。第25页/共51页第二十五页，共51页。21122222dHRdHR (11115) (11116) 假定反射点假定反射点C的位置已经确定，沿地面距离的位置已经确定，沿地面距离d=d1+d2r10+r20，r10、r20就是天线就是天线(tinxin)架高架高为为H1、H2时的极限距离。时的极限距离。AH1r10r

19、0r20RRRH2BCBAOd0第26页/共51页第二十六页，共51页。21111122222222dHhHHRdHhHHR (11117) (11118)因此，天线因此，天线(tinxin)的等效高度为的等效高度为 在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实际高度置换际高度置换(zhhun)(zhhun)成等效高度，就是对球面地条件下的修成等效高度，就是对球面地条件下的修正之一。正之一。第27页/共51页第二十七页，共51页。球面球面(qimin)地的扩散地的扩散 3. 球面地的扩散球面地的扩散(kusn)因子因子 由于球面地的反射由于球面地的反射(fn

20、sh)有扩散作用，因而球面地的有扩散作用，因而球面地的反射反射(fnsh)系数要小于相同地质的平面地的反射系数要小于相同地质的平面地的反射(fnsh)系数。系数。扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量。扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量。 第28页/共51页第二十八页，共51页。定义球面定义球面(qimin)地的扩散因子地的扩散因子fD平面地反射时的场强球面地反射时的场强fD 如果平面如果平面(pngmin)地反射时的场强为地反射时的场强为Er，球面，球面地反射时的场强为地反射时的场强为Edr，入射波场强为，入射波场强为Ei， 为平为平面面(pngmin)地反射系数的模值，则地反射系数的模值，

21、则1drdrfriEEDEE (11119) 第29页/共51页第二十九页，共51页。22122212112211fDd dd dRdHRdH(11120) 在引进扩散因子之后，如将视距传播的有关在引进扩散因子之后，如将视距传播的有关计算公式中的反射系数计算公式中的反射系数替换成替换成Df就完成了球面就完成了球面地条件下的另一个地条件下的另一个(y )修正。修正。 扩散因子扩散因子(ynz)的具体表示式为的具体表示式为第30页/共51页第三十页，共51页。11.2 对流层大气对流层大气(dq)对视距传播的影响对视距传播的影响 在前述的分析中，尽管讨论了由平面地到球面地在前述的分析中，尽管讨论了

22、由平面地到球面地的修正，但是都假定电波按直线传播，这种情况只的修正，但是都假定电波按直线传播，这种情况只有在均匀大气中才可能存在。实际的对流层大气、有在均匀大气中才可能存在。实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面压力、温度及湿度都随地区及离开地面(dmin)的高的高度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射及吸收等物理现象。散射及吸收等物理现象。第31页/共51页第三十一页，共51页。电波电波(din b)在对流层中的折射在对流层中的折射1.大气大气(dq)的折射率的折射率实验证实大气实验证实大气(dq)折射率折射率n近似满足下面

23、的关系式：近似满足下面的关系式：56277.63.73 10(1) 10nPeTT (1121) P为大气压强（毫巴，即为大气压强（毫巴，即mb；1mb=100Pa）；）；T为大气的绝对温度（为大气的绝对温度（K）；）；e为大气的水汽压强（为大气的水汽压强（mb）。）。 第32页/共51页第三十二页，共51页。表表1121 折射指数折射指数(zhsh)数据数据 (年平均值年平均值)第33页/共51页第三十三页，共51页。2.大气折射大气折射(zhsh)及类型及类型 由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹层

24、中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹(guj)弯曲，这种现象称为大气折射。弯曲，这种现象称为大气折射。第34页/共51页第三十四页，共51页。BCAdh ddnsin=(n+dn)sin(+d)(1123) 当电波由折射率为当电波由折射率为 n 的一层传播到的一层传播到n+dn的一层的一层时，电波发生时，电波发生(fshng)了折射，沿曲线了折射，沿曲线AC传播。传播。 假设电波在点假设电波在点A的入射角为的入射角为,折射折射(zhsh)角为角为+d,则按照折射则按照折射(zhsh)定律：定律：第35页/共51页第三十五页，共51页。cossindndn (1124) 由图所示的几何由图所示

25、的几何(j h)关系，射线的曲率半径关系，射线的曲率半径应为应为ACd(1125) 在在ABC中中 cos()dhACd(1126) 第36页/共51页第三十六页，共51页。sinndndh(1127) 考虑到考虑到n1,并且对大多数情况而言，并且对大多数情况而言，90，因此，因此(ync)射线的曲率半径射线的曲率半径1/dn dh (1128) 第37页/共51页第三十七页，共51页。大气折射大气折射(zhsh)(zhsh)分为三分为三类：类： (1)零折射零折射(zhsh)0dhdn电波射线电波射线(shxin)为直线为直线 (2)负折射负折射0dhdn电波射线上翘电波射线上翘 (3)正折

26、射正折射0dhdn电波射线向下弯曲电波射线向下弯曲 第38页/共51页第三十八页，共51页。dn/dh=-410-81/m，射线，射线(shxin)的曲率半径的曲率半径=2.5107mdn/dh=-15.710-81/m，电波，电波(din b)射线与地球射线与地球同步弯曲同步弯曲 dn/dh-15.710-81/m， 标准大气折射标准大气折射(zhsh)临界折射临界折射超折射超折射第39页/共51页第三十九页，共51页。折射折射(zhsh)类型类型 正折射标准折射临界折射超折射零折射负折射第40页/共51页第四十页，共51页。3. 等效等效(dn xio)地地球半径球半径 电波在大气层内传播

27、轨迹是弯曲的，但习惯电波在大气层内传播轨迹是弯曲的，但习惯(xgun)上仍把电波射线当作沿直线传播，因此上仍把电波射线当作沿直线传播，因此引入等效地球半径因子来修正。引入等效地球半径因子来修正。等效等效(dn xio)地球半径地球半径Re ： 保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球半径。半径。第41页/共51页第四十一页，共51页。 图图1123 等效地球半径等效地球半径(a)实际实际(shj)地球上的电波射线；地球上的电波射线；(b)等效地球上的电波射线等效地球上

28、的电波射线 (a)(b)RRee地球地球(dqi)半径半径电波射线电波射线曲率曲率(ql)半径半径等效地球半径等效地球半径等效电波射线曲率等效电波射线曲率半径半径第42页/共51页第四十二页，共51页。1111eRR(1129) 式中，式中，Re为等效地球为等效地球(dqi)半径。由此，半径。由此，1eRRR(11210) 由图由图1123的几何的几何(j h)关系，得关系，得第43页/共51页第四十三页，共51页。1eRRdnRdh(11211) 定义等效地球定义等效地球(dqi)半径因子半径因子K为为 11eRKdnRRdh(11212) 等效等效(dn xio)地球半径地球半径Re与实际

29、地球半径与实际地球半径R之比。之比。第44页/共51页第四十四页，共51页。大气大气(dq)衰减衰减 （1）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及(yj)水分水分子、氧分子对电波的谐振吸收；子、氧分子对电波的谐振吸收；大气是一种成分大气是一种成分(chng fn)不均匀的半导电媒不均匀的半导电媒质。质。 大气对电波的衰减有两方面：大气对电波的衰减有两方面： （2）云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方）云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方向传播的电波衰减。向传播的电波衰减。第45页/共51页第四十五页，共51页。氧和水汽氧和水汽(shu q)的衰减系的衰减系数数 351020501002003500.0040.0050.010.020.050.10.20.5125102040衰减率 / (dB / km)频率 f / GHzO2O2H2OO2H2O 水分子的谐振吸收水分子的谐振吸收