第五章微波传输基本理论ppt课件

1、第五章第五章 微波传输基本理论微波传输基本理论内容提要无线电波传播的方式及特性微波传输衰落及抗衰落技术 微波传输系统及应用各种波段波的特性长波的穿射能力最强，电磁波靠地波传播，但其收发信长波的穿射能力最强，电磁波靠地波传播，但其收发信天线的占用场地很大，常用于海上通信。天线的占用场地很大，常用于海上通信。中波比较稳定，主要用于广播。中波比较稳定，主要用于广播。短波在传输过程中，碰到电离层会发生反射现象因而其短波在传输过程中，碰到电离层会发生反射现象因而其传输距离很远，故短波常用于远距离通信或广播。但极传输距离很远，故短波常用于远距离通信或广播。但极易受电离层变化的影响，信号会时强时弱。易受电离

2、层变化的影响，信号会时强时弱。超短波的传输特性同光波一样，是沿直线传播的，要求超短波的传输特性同光波一样，是沿直线传播的，要求通信双方之间两微波站之间没有阻挡物，信号方能通信双方之间两微波站之间没有阻挡物，信号方能传输到对方。传输到对方。微波传输特性也和光波一样，只能沿直线传播即视距传微波传输特性也和光波一样，只能沿直线传播即视距传播，绕射能力弱，且在传播中遇到不均匀的介质时，将播，绕射能力弱，且在传播中遇到不均匀的介质时，将产生折射和反射。产生折射和反射。 5.1 无线电波传播的方式及特性无线电波传播的方式及特性5.1.1电波传播所涉及到的地球大气层电波传播所涉及到的地球大气层 电波传播会涉

3、及到地球大气层，地电波传播会涉及到地球大气层，地球上面的大气层的结构如图。球上面的大气层的结构如图。 对流层对流层 平流层平流层 电离层电离层 大气层的结构5.1.2无线电波在空间的传播模式无线电波在空间的传播模式 电磁波在其横向平面中场值的大小和方向电磁波在其横向平面中场值的大小和方向都不变，则称为均匀平面波。为简化起见，都不变，则称为均匀平面波。为简化起见，下面只讨论均匀平面波在自由空间中的传下面只讨论均匀平面波在自由空间中的传播情况。播情况。 在无边界开放的无限空间中，电磁波在无边界开放的无限空间中，电磁波的场结构只有横电磁波的场结构只有横电磁波TEM。513 无线电波传播的方式及特性无

4、线电波传播的方式及特性无线电波由发射天线辐射到空间的各区域无线电波由发射天线辐射到空间的各区域后，可依不同的路径到达接收天线处。后，可依不同的路径到达接收天线处。地表面波传播地表面波传播地表波传播地表波传播 这是一种沿着地球表面传播的电磁波，简这是一种沿着地球表面传播的电磁波，简称地表波。主要用在中、长波波段称地表波。主要用在中、长波波段(广播广播)。 对流层电波传播对流层电波传播无线电波在低层大气层无线电波在低层大气层对流层中的传对流层中的传播就称为对流层电波传播。按传播机制区播就称为对流层电波传播。按传播机制区分，又可分为：直射波传播、散射波传播分，又可分为：直

5、射波传播、散射波传播和地面反射波传播。和地面反射波传播。 直射波 电离层 对流层 天波 散射波 地波 地反射波 C T R 图 5-3 无线电波传播的几种方式 1.直射波传播直射波传播 当收、发天线架设高度较高时，电波从发射天线直射到接收当收、发天线架设高度较高时，电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，亦可称为视距传播。一般用在超短波和天线的传播方式，亦可称为视距传播。一般用在超短波和微波波段，主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、微波波段，主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。直射波传播是最主要的无线电波传播电视、雷达等业务。直射波传播是最主要的无线电波传播方式。

6、方式。2.散射波传播散射波传播 这种传播主要是由于电磁波投射到大气层如对流层中不这种传播主要是由于电磁波投射到大气层如对流层中不均匀气团上时产生散射，特别适用于无法建立微波中继站均匀气团上时产生散射，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区。区。3.地面反射波传播地面反射波传播 电波经地面反射后到达接收地点的传播方式。电波经地面反射后到达接收地点的传播方式。 电离层电波传播电离层电波传播无线电波经电离层反射或散射后到达接收点的一无线电波经电离层反射或散射后到达接收点的一种传播方式。依传播机制

7、又可分为：电离层反射种传播方式。依传播机制又可分为：电离层反射传播、电离层散射传播和流星电离余迹反散传播、电离层散射传播和流星电离余迹反散射传播。射传播。外大气层及行星际空间电波传播外大气层及行星际空间电波传播 电波传播的特性电波传播的特性 电磁波的频段或波长不同，其传播方式电磁波的频段或波长不同，其传播方式和特点也不同和特点也不同,但有以下共同特性。但有以下共同特性。1.电磁波在均匀媒质中沿直线传播电磁波在均匀媒质中沿直线传播 在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速在均匀媒质中，电磁波各射线的传播速度相同度相同 ,传播方向不变传播方向不变 .2.辐射能量的扩散与吸收辐

8、射能量的扩散与吸收能量衰减能量衰减 当电磁波离开天线后，便向四面八方扩当电磁波离开天线后，便向四面八方扩散，随着传播距离增加，空间的电磁场散，随着传播距离增加，空间的电磁场就越来越弱就越来越弱 . n假设发射天线置于自由空间一个没有能假设发射天线置于自由空间一个没有能够反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波够反射、折射、绕射、散射和吸收电磁波的无限大的真空中），若无方向性天线，的无限大的真空中），若无方向性天线，辐射功率为辐射功率为PT瓦，则距离辐射源瓦，则距离辐射源d米处的米处的电场强度有效值为：电场强度有效值为：n上式表明，电场上式表明，电场/磁场强度与传播距离成磁场强度与传播距离成反比，当电

9、波经一段路径传播后，增加能反比，当电波经一段路径传播后，增加能量仍然会受到衰减，这是由于辐射能量的量仍然会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。扩散而引起的。)/(300mVdPET3.反射与折射反射与折射 当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，当电波由一种媒质传播到另一种媒质时，在两种媒质的交界面上，传播方向会发生在两种媒质的交界面上，传播方向会发生改变，产生反射和折射现象。并遵守光学改变，产生反射和折射现象。并遵守光学的折射和反射定律。的折射和反射定律。 4.电波的干涉电波的干涉 由同一电波源所产生的电磁波，经过不同由同一电波源所产生的电磁波，经过不同的路径到达某接收点场强由不同路径的电

10、的路径到达某接收点场强由不同路径的电波合成，这种现象叫做波的干涉，也称作波合成，这种现象叫做波的干涉，也称作多径效应。接收点的场强是由直射波和地多径效应。接收点的场强是由直射波和地面反射波合成的。面反射波合成的。5.绕射现象绕射现象 电波在传播过程中有一定的绕过障碍物的电波在传播过程中有一定的绕过障碍物的能力，这种现象称为绕射能力，这种现象称为绕射.4传输媒质对电波传播的影响传输媒质对电波传播的影响传播损耗传播损耗1自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间传播指天线周围为无限大真空时的自由空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播，能量既不会被吸收，也不会产生

11、电波传播，能量既不会被吸收，也不会产生反射和散射。反射和散射。此时的电波扩散损耗称自由空间传播损耗此时的电波扩散损耗称自由空间传播损耗由电磁场理论可知，若无方向性也称全向由电磁场理论可知，若无方向性也称全向天线天线的辐射功率为天线天线的辐射功率为 瓦时，则距辐射瓦时，则距辐射源源d d米处的电场强度和磁场强度有效值分别为：米处的电场强度和磁场强度有效值分别为：单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度WsWs为：为：Ws = PT /4d2Ws = PT /4d2W/m2W/m2） 4d2_4d2_球体表面积球体表面积)/(300mVdPET)/(120300mAdPHTTPPR若用发射

12、天线增益为若用发射天线增益为GTGT的有方向性的有方向性天线取代无方向性天线，则上述公天线取代无方向性天线，则上述公式应改写为：式应改写为： dGPETT300（V/m） dGPHTT12030024 dGPWTTS（A/m） （w/m） 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积。即：收天线的有效面积。即： RsRAWP式中，为接收天线的有效面积，它与接收天线增益满足式中，为接收天线的有效面积，它与接收天线增益满足下列关系：下列关系： RRGA42式中，式中， 为无方向性天线的有效面积。可得：为无方向性天线的有效面积。

13、可得： 4224dGGPPRTTR（5.15.1） 将输入功率将输入功率PTPT与输出功率与输出功率PRPR之比定义为含收发天线增益的之比定义为含收发天线增益的自由空间信道的基本传播损耗自由空间信道的基本传播损耗LPLP： RTRTPGGdPPL142（5.2a） 将上式取对数得：将上式取对数得： )()()(lg20)(lg2045.32 14lg10lg102dBGdBGMHzfkmdGGdPPLRTRTRTP若收发天线增益为若收发天线增益为0 dB0 dB即即GR=GT=1GR=GT=1，则自由空间传播损耗，则自由空间传播损耗LPLP： )(lg20)(lg2045.32 4lg10lg

14、102MHzfkmddPPLRTP由上式可见，自由空间中电波传播损耗与工作频率由上式可见，自由空间中电波传播损耗与工作频率f f和传播距和传播距离离d d成正比。当成正比。当f f或或d d增大一倍时，增大一倍时，LPLP将会分别增加将会分别增加6 dB6 dB。LPLP反映了球面波的扩散损耗大小。反映了球面波的扩散损耗大小。 例例5-1：某微波传输信道，发射天线的增益为：某微波传输信道，发射天线的增益为22dB，接收天，接收天线的的增益为线的的增益为18dB，收发距离为，收发距离为14500 km，载波中心频率，载波中心频率为为5.904GHz求求(1)该信道的基本传输损耗为多少该信道的基本

15、传输损耗为多少? (2)若发射功率为若发射功率为25w,接收机的接收到的功率为多少接收机的接收到的功率为多少? dBdBGdBGMHzfkmdLRTP15118224 .752 .8345.32)()()(lg20)(lg2045.32（2 2接收机的接收到的功率为：接收机的接收到的功率为： )(109335. 1102510141 .1510/ wPPPLTR解解1 1该信道的基本传输损耗为：该信道的基本传输损耗为： 2实际空间的传播损耗实际空间的传播损耗实际电波的传播实际电波的传播, 不同的传播方式、传播媒质，信道的传输不同的传播方式、传播媒质，信道的传输损耗不同。损耗不同。在传播距离、工

16、作频率、发射天线、输入功率在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率PT和接收天和接收天线都相同的情况下，设接收点的实际场强为线都相同的情况下，设接收点的实际场强为E，功率为，功率为 ，而自由空间场强为而自由空间场强为 、功率为、功率为 ，则信道的衰减因子，则信道的衰减因子A为：为：RP0ERP)(lg10lg200dBPPEEARR则实际空间的传播损耗则实际空间的传播损耗LbLb为：为： )( )(lg20)(lg2045.32lg10lg10lg10dBAGGkmdMHzfALPPPPPPLRTpRRRTRTb 传播衰落现象传播衰落现象 衰落？一般是指信号电平随时间的衰落？一般

17、是指信号电平随时间的随机起伏。按引起衰落的原因可以分随机起伏。按引起衰落的原因可以分为为吸收型衰落：主要是由于传播媒质电吸收型衰落：主要是由于传播媒质电参数的变化，使得信号在媒质中的衰参数的变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。这种衰减发生相应的变化而引起的。这种衰落跟天气有很大的关系，而且信号电落跟天气有很大的关系，而且信号电平的变化缓慢，所以称为慢衰落。此平的变化缓慢，所以称为慢衰落。此外，由地形起伏、建筑物及障碍物的外，由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起的阴影衰落也称慢衰落。遮蔽等引起的阴影衰落也称慢衰落。干涉型衰落：主要是由于随机多径干干涉型衰落：主要是由于随机多径干

18、涉现象引起的。这种衰落的信号电平涉现象引起的。这种衰落的信号电平变化很快，所以称为快衰落。变化很快，所以称为快衰落。 50 40 30 20 9: 00 10:00 （小时） 1 50 （秒） 相 对 电 平 （ a ）慢衰落 （ b ）快衰落 40 30 20 10 图 5 -. 5 衰落现象 传播失真传播失真无线电波通过媒质会产生振幅失真和相位失真。产生失真无线电波通过媒质会产生振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个：一是随机多径传输效应，二是媒质的色散的原因有两个：一是随机多径传输效应，二是媒质的色散效应。效应。 电波传播方向的变化电波传播方向的变化 一条

19、微波中继信道是由终端站、中间站和再一条微波中继信道是由终端站、中间站和再生中继站、终点站及无线电波空间组成。生中继站、终点站及无线电波空间组成。终端站的任务是将复用设备送来的基带信号，终端站的任务是将复用设备送来的基带信号，调制到微波频段上并发射出去；或者反之。调制到微波频段上并发射出去；或者反之。线路中间的中继站的任务是完成微波信号的线路中间的中继站的任务是完成微波信号的转发和分路，又分为中间站、分路站和枢纽转发和分路，又分为中间站、分路站和枢纽站。站。 5.2 微波传播微波传播微波在实际的空间传播要受地面的影响和大气的影响。微波在实际的空间传播要受地面的影响和大气的影响。5.2.1 地面对

20、微波传播的影响地面对微波传播的影响光滑地面及水面光滑地面及水面地面起伏较大时地面起伏较大时地面障碍物如山头、高大建筑地面障碍物如山头、高大建筑物）物）在惠更斯波动学基础上，提出菲在惠更斯波动学基础上，提出菲涅尔区的概念，可解释电波的绕涅尔区的概念，可解释电波的绕射等现象。射等现象。 费涅尔区的概念费涅尔区的概念1惠更斯菲涅尔原理惠更斯菲涅尔原理 惠更斯原理是，一点波源的振动可传递惠更斯原理是，一点波源的振动可传递给邻近质点，使其成为二次波源。当点给邻近质点，使其成为二次波源。当点源发出球面波时，二次波源产生的波前源发出球面波时，二次波源产生的波前也是球面，三次、四次也是球面，三次

21、、四次波也是如此。波也是如此。惠更斯原理n图中图中T为发射天线，视为点源，它发出球面波。把波为发射天线，视为点源，它发出球面波。把波前分解为许多面积元，点源前分解为许多面积元，点源T在接收处在接收处R产生的场强产生的场强,便是许多面积元在便是许多面积元在R处产生的场强之矢量和。尽管处产生的场强之矢量和。尽管T与与R之间有障碍物，但不能挡住所有面积元，在之间有障碍物，但不能挡住所有面积元，在R处仍可处仍可收到一定的场强。收到一定的场强。n由解析几何知，球面上一动点由解析几何知，球面上一动点P至两定点至两定点T、R的距离的距离之和为常数时，此动点轨迹为椭球体。在讨论微波传之和为常数时，此动点轨迹为

22、椭球体。在讨论微波传播时，若该常数为：播时，若该常数为：n dn 则得到的椭球面称为第一菲涅尔椭球面则得到的椭球面称为第一菲涅尔椭球面,式中式中d|TR| 。若该常数为：。若该常数为：n n 则得到第则得到第n费涅尔椭球面。若用图费涅尔椭球面。若用图5-8的一系列费涅的一系列费涅尔椭球面交截图尔椭球面交截图5-7的某个波前面，则得到一系列的圆的某个波前面，则得到一系列的圆的圆环，图的圆环，图5-9，得第，得第n费涅尔区。费涅尔区。 2, 2 , 1 2nnd2.第第n菲涅尔区的半径菲涅尔区的半径Fn第第n菲涅尔区边界的某个点菲涅尔区边界的某个点P到到TR连线的距离为第连线的距离为第n菲涅尔区的

23、半径菲涅尔区的半径Fn.)2(121221dFdFdTPnn2222222dFdFdPRnn因第因第n菲涅尔区定义菲涅尔区定义: TP+PR=d+n/2所以所以:dddnFn21当当n=1,第第1菲涅尔区的半径菲涅尔区的半径dddF211121FndddnFn所以所以显然，显然，P P点位置不同时，点位置不同时，FnFn亦不相同。当亦不相同。当P P在线在线路中点时（路中点时（ 时），时），FnFn最大，最大，用用FnmFnm表示。表示。 221ddd12nmFn d费涅尔区对电波传播的影响图中图中T点发射的球点发射的球面波向面波向R方向传播。方向传播。由菲涅尔区定义可由菲涅尔区

24、定义可知，经过各菲涅尔知，经过各菲涅尔区端点区端点 P1、P2、P3的电波射线的电波射线TP1R、TP2R、TP3R依次相差依次相差/2。 2ndRTPn各相邻费涅尔区在各相邻费涅尔区在R处产生的电波场强相位相差处产生的电波场强相位相差1800 由费涅尔区半径公式可知，第一费涅尔区的由费涅尔区半径公式可知，第一费涅尔区的面积为面积为F21 ;第二费涅尔区的面积为：第二费涅尔区的面积为： F22- F21 = （ 2 F1 ）2- F21 = F21 第三费涅尔区的面积为：第三费涅尔区的面积为： F21 可见个相邻费涅尔区面积相等。但它们离可见个相邻费涅尔区面积相等。但它们离R的距离不相等。第一

25、费涅尔区离的距离不相等。第一费涅尔区离R最近，在最近，在R处产生的电场处产生的电场E1最大，其他依次减小，近似最大，其他依次减小，近似为等差级数，考虑到相位相反，使为等差级数，考虑到相位相反，使R点的总点的总电场强度电场强度E=1/2 E122223211( 3)( 2)FFFF用费涅尔区解释阻挡物的影响用费涅尔区解释阻挡物的影响微波传播途中有时遇到刃形障碍物，此时由于障碍物不微波传播途中有时遇到刃形障碍物，此时由于障碍物不能遮挡全部费涅尔区，在收信处能遮挡全部费涅尔区，在收信处R可接收到微波。可接收到微波。 刃形遮挡传播途中刃形障碍物余隙：障碍物顶部至余隙：障碍物顶部至TRTR

26、线的垂直距离线的垂直距离hchc。正余隙：障碍物在正余隙：障碍物在TRTR线之下时，线之下时，hchc为正值为正值负余隙：障碍物的顶部在负余隙：障碍物的顶部在TRTR线以上时，线以上时，hchc为负值。为负值。如果余隙如果余隙 时，阻挡引起损耗时，阻挡引起损耗正好是正好是0dB0dB，即路径损耗正好是自由空间损耗，所以，即路径损耗正好是自由空间损耗，所以h0h0称称为自由空间余隙。为自由空间余隙。若若hch0hch0，路径损耗略有波动，路径损耗略有波动, ,最终稳定在自由空间最终稳定在自由空间损耗上。损耗上。若若hch0hcDE，EF2R，故得：，故得：C点是路径上电波的反射点位置点是路径上电

27、波的反射点位置R是地球实际半径是地球实际半径.hd2d1Rddh221d1d2q考虑电波折射,等效地面突起高度he :q he=d1d2/2Re= d1d2/2KRq将R6370km代入式中得： he=q反射点余隙的变化 qhc=h=h-he=d1d2/2R-d1d2/2kR=d1d2(k-1)/2KRq因此考虑了折射因素后的等效余隙hce q等效余隙hce =hc+hc=hc+d1d2(k-1)/2kRq 可见K1正折射时，等效余隙hce增大；K1时，等效余隙hce减小；正折射时，K越大，等效余隙hce越大。12451d dK2. 复杂地形余隙的计算 球形地面上复杂地形单障碍物时地形路球形地

28、面上复杂地形单障碍物时地形路径的典型断面图，实际微波电路多类似径的典型断面图，实际微波电路多类似为这种断面。为这种断面。(m) )()(3211122ecehHddHhdHhh考虑大气折射后的等效余隙考虑大气折射后的等效余隙hce hce ：h1、h2为发射、接收天线对山顶的高度为发射、接收天线对山顶的高度(m)；d1、d2为反射点到发、收两端的距离；为反射点到发、收两端的距离；H1、H2为发射、接收点山顶高度为发射、接收点山顶高度m），留意，），留意，它是海拔高度，不是山顶至山脚之高。它是海拔高度，不是山顶至山脚之高。H3为反射点海拔高为反射点海拔高m）；）；he为反射点等效地球的地面凸起高

29、度为反射点等效地球的地面凸起高度m）。）。 K值及余隙的选择值及余隙的选择在天线高度设计中，在天线高度设计中，K值非常重要。在温带平均情值非常重要。在温带平均情况下，取况下，取K4/3，其变化范围为，其变化范围为2/3，若，若K值较值较小，余隙小，余隙hc将会变小，电波衰减增大，故天线不将会变小，电波衰减增大，故天线不能太低。反之，若天线较高，而气象变化使能太低。反之，若天线较高，而气象变化使K增大，增大，则则hc增大，显得天线太高造成浪费。如果增大，显得天线太高造成浪费。如果hc等于等于费涅尔区半径，则可能使地面反射波削弱主波。费涅尔区半径，则可能使地面反射波削弱主波。为此，

30、对所选天线高度，应按以下标准进行检查：为此，对所选天线高度，应按以下标准进行检查：（10.5，即地面反射系数较小，此时主要防止，即地面反射系数较小，此时主要防止障碍阻挡过大，标准为障碍阻挡过大，标准为k 时，时，hc0.3F1(一般障碍物一般障碍物),或或hc0(刃形障刃形障碍物碍物)k 时，时，hcF1k 时，时，hc不能等于偶数费涅尔区半径不能等于偶数费涅尔区半径2343（2） 0.7，即地面反射系数较大，此时主要防止反射，即地面反射系数较大，此时主要防止反射衰落过大，标准为：衰落过大，标准为：k 时，时，hc0.3F1一般障碍物），或一般障碍物），或hc0刃形障碍刃形障碍物）；物）；k

31、时，时，hcF1；k 时，时，hc1.35 F1 hc1.35 F1 是根据是根据Lr不大于不大于68dB而得。而得。若以上标准不能满足，则改变路由，或改变天线高度，若以上标准不能满足，则改变路由，或改变天线高度，以便减小障碍物阻挡损耗及反射损耗。以便减小障碍物阻挡损耗及反射损耗。 2343例：设微波中继通信采用例：设微波中继通信采用f8GHz，站距为，站距为50km，路径，路径为光滑球形地面。为光滑球形地面。求求1不计大气折射，保证自由空间余隙不计大气折射，保证自由空间余隙 时，等高收时，等高收发天线的最小高度；发天线的最小高度；（2在在k 时，收发天线最小高度。时，收发天线最小高度。0h4

32、3cf893 108 10h00.577F1=0.577 0.577 12.4m 12d dd630.03752525 1050 10解：（解：（1 1地形为光滑球面，线路中点之地面凸起高度地形为光滑球面，线路中点之地面凸起高度h h最大，最大，可设中点为反射点一般以地形最高点为反射点），可设中点为反射点一般以地形最高点为反射点），d1=d2=25kmd1=d2=25km而而 0.0375m0.0375m，于是自由空间余隙为：，于是自由空间余隙为：Rddh2216325 25 102 6370 1049m49m地面突起高度地面突起高度确定收发天线高度时，应使地面凸起高度最大处还留有确定收发天线

33、高度时，应使地面凸起高度最大处还留有h0 的传播空间，故的传播空间，故 Hminh0h12.4+4961.4m （2k 时，地面凸起高度时，地面凸起高度 he 36.8m Hmin12.4+36.849.2m4312451d dK64 25 25 10451 ()3可见工作频率提高，天线高度可以降低。可见工作频率提高，天线高度可以降低。 5.3 衰落及抗衰落技术衰落及抗衰落技术微波传播路径上的大气不可能总是混合得很均匀，微波传播路径上的大气不可能总是混合得很均匀，因存在对流、平流、湍流，以及雾、雨等因素影因存在对流、平流、湍流，以及雾、雨等因素影响，加上地面反射波的干涉，都会使收信点场强响，加

34、上地面反射波的干涉，都会使收信点场强(或电平或电平)不断起伏变化。这种变化就称为信号的不断起伏变化。这种变化就称为信号的随机性。随机性。抗衰落一般采用分集接收和自适应均衡技术实现。抗衰落一般采用分集接收和自适应均衡技术实现。 图A 各种障碍物引起的反射和散射电磁波 天线电波在传输途径上遇到各种障碍物都可能产电波在传输途径上遇到各种障碍物都可能产生反射、散射和吸收。实际上，接收点的电生反射、散射和吸收。实际上，接收点的电波除直射波以外，还有从各种障碍物包括波除直射波以外，还有从各种障碍物包括地面产生的反射。地面产生的反射。5.3.1 衰落原因及分类衰落原因及分类 n引起衰落的原因大体上可以归为两

35、大类：引起衰落的原因大体上可以归为两大类：第一类是气象条件的不平稳变化引起的第一类是气象条件的不平稳变化引起的衰落；衰落；n 第二类是多径传播引起的衰落。第二类是多径传播引起的衰落。n对衰落比较普遍的分类方法是按衰落周对衰落比较普遍的分类方法是按衰落周期的时间快慢，分为期的时间快慢，分为n 快衰落快衰落n 慢衰落慢衰落 慢衰落慢衰落快衰落快衰落 慢衰落：衰落随时间变化比较缓慢，常由大气折射的慢衰落：衰落随时间变化比较缓慢，常由大气折射的缓慢变化引起。如绕射衰落就是属于这一类型。缓慢变化引起。如绕射衰落就是属于这一类型。 快衰落：从几秒钟、几分钟以上至十分钟的信号强

36、度快衰落：从几秒钟、几分钟以上至十分钟的信号强度变化叫快衰落。多径干涉产生的快衰落更严重。变化叫快衰落。多径干涉产生的快衰落更严重。 在工程应用中常按衰落产生的机制分为以在工程应用中常按衰落产生的机制分为以下几种类型。下几种类型。K型衰落型衰落波导型衰落波导型衰落闪烁型衰落闪烁型衰落散射型衰落散射型衰落大气雨雾的吸收衰落大气雨雾的吸收衰落5.3.2 抗衰落技术抗衰落技术 分集技术分集技术分集技术是指将同一个信号在发端分散发送，收端集中接分集技术是指将同一个信号在发端分散发送，收端集中接收。最常用的分集方法是空间分集和频率分集。收。最常用的分集方法是空间分集和频率分集。1空间分集空

37、间分集空间分集分为空间分集发信和空间分集接收两个系统，以空间分集分为空间分集发信和空间分集接收两个系统，以空间分集接收为例，在不同的空间位置设置几副天线，同空间分集接收为例，在不同的空间位置设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选择其中一个强信号，这种工作方式称为空间分集接收。个强信号，这种工作方式称为空间分集接收。有几副接收天线就称为几重分集。在微波传输系统中最常有几副接收天线就称为几重分集。在微波传输系统中最常用的是二重垂直空间分集接收。用的是二重垂直空间分集接收。2频率分集频率分集采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波

38、频率同时发送和采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，称为二重频工作方式叫做频率分集。当采用两个微波频率时，称为二重频率分集。频率分集有同频段分集和跨频段分集两种类型。率分集。频率分集有同频段分集和跨频段分集两种类型。 自适应均衡技术自适应均衡技术实践证明，一个高性能的数字微波通道往往是把空间分实践证明，一个高性能的数字微波通道往往是把空间分集和自适应均衡技术配合使用的，以最大限度地降低通集和自适应均衡技术配合使用的

39、，以最大限度地降低通信中断的时间。信中断的时间。1频域自适应均衡器频域自适应均衡器 2时域自适应均衡器时域自适应均衡器在数字微波通信系统中，影响系统误码率的主要原因是在在数字微波通信系统中，影响系统误码率的主要原因是在收端取样判决点处其前后信号对取样判决样值的码间干扰。收端取样判决点处其前后信号对取样判决样值的码间干扰。故通常采用时域自适应均衡器以消除减小取样判决点故通常采用时域自适应均衡器以消除减小取样判决点处的码间干扰。应用较广的是加在基带系统的由横向滤波处的码间干扰。应用较广的是加在基带系统的由横向滤波器构成的自适应均衡器。器构成的自适应均衡器。在实际使用中，往往用频域均衡器去实现粗均衡

40、，时域自在实际使用中，往往用频域均衡器去实现粗均衡，时域自适应均衡器均衡空间分集和频域自适应均衡器没有完全均适应均衡器均衡空间分集和频域自适应均衡器没有完全均衡的剩余波形失真。理论上讲，可以均衡基带领域中的任衡的剩余波形失真。理论上讲，可以均衡基带领域中的任何波形失真。何波形失真。 5.4 微波传输系统及其应用 5.4.1微波通信系统的频率配置微波通信系统的频率配置微波传输系统使用频段的划分微波传输系统使用频段的划分微波传输是一种无线通信方式，但采用无线微波传输是一种无线通信方式，但采用无线通信方式的不仅限于微波通信，还有广播、通信方式的不仅限于微波通信，还有广播、导航、短波通信

41、等，它们都是利用无线频导航、短波通信等，它们都是利用无线频段来传输的。为了避免相互干扰，必须对段来传输的。为了避免相互干扰，必须对无线频段作一些分配，以便不同的通信系无线频段作一些分配，以便不同的通信系统使用不同的频段。统使用不同的频段。微波是指频率为微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波的电磁波1GHz=Hz）。使用特有设备，并利用）。使用特有设备，并利用这个频段的频率作载波携带信息，通过无这个频段的频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继接力通信的通信线电波空间进行中继接力通信的通信方式就叫微波通信。方式就叫微波通信。频段名称频段名称频率范围频率范围波长范围波长范围长波长波30

42、300KHz100010000m中波中波3003000KHz1001000m短波短波330MHz10100m超短波超短波(特高频特高频)30300MHz110m微波微波分米波分米波0.33GHz10100cm厘米波厘米波330GHz110cm毫米波毫米波30300GHz110mm无线电波频段的划分无线电波频段的划分 q电磁波的频率不同，其空间传播特性也不同。电磁波的频率不同，其空间传播特性也不同。q在微波频段中，频率越低的电波传输越稳定，但在微波频段中，频率越低的电波传输越稳定，但相应的设备和元件尺寸也较大，否则损耗会增大。相应的设备和元件尺寸也较大，否则损耗会增大。例如当天线口径一定时，微波

43、频率越低，天线增益例如当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。也越低。 q在微波频段的使用方面，各国的微波设备往往首在微波频段的使用方面，各国的微波设备往往首先使用先使用4GHz 4GHz 频段，目前各国的通信设备已使用到频段，目前各国的通信设备已使用到 2 2、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、1111、1515、20GHz20GHz等频段。我国等频段。我国数字微波通信已有数字微波通信已有2 2、4 4、6 6、7 7、8 8、11GHz11GHz各频段的各频段的设备。设备。 微波传输的射频频率配置微波传输的射频频率配置1频率配置的基本原则频率配置的基本原则在一个

44、中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率，而且有足够大的间隔。频率，而且有足够大的间隔。多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔整个频谱必须紧凑。整个频谱必须紧凑。多波道系统要设法共用天线。多波道系统要设法共用天线。根据上述的频率配置原则，当一个站上有多个波道工作时，根据上述的频率配置原则，当一个站上有多个波道工作时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制。为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制。即两个方向的发信使用一个射频频率，两个方向的收信使即两个方向的

45、发信使用一个射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频率。用另外一个射频频率。多波道二频制的频率配置方案多波道二频制的频率配置方案 2数字微波频率配置方案举例数字微波频率配置方案举例 对于数字微波传输系统的频率配置，对于数字微波传输系统的频率配置，CCIRCCIR提出相应的建议提出相应的建议书。书。B站站我国几种数字微波频率配置方案 5.4.2 5.4.2 微波传输特点微波传输特点微波传输系统的显著特点是三方面，即微波传输系统的显著特点是三方面，即“微波、多路、接微波、多路、接力力”。 “微波是指微波工作频段宽。微波频率高，故其波长短，微波是指微波工作频段宽。微波频率高，故其波长短，微波通信一

46、般使用面式天线，当面式天线的口径面积给定微波通信一般使用面式天线，当面式天线的口径面积给定时，其增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成时，其增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天线。微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子高增益天线。微波频段，天电干扰和工业干扰及太阳黑子的变化基本上不起作用，所以可靠性和稳定性很高。的变化基本上不起作用，所以可靠性和稳定性很高。“多路是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的多路是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。通频带可以做得很宽。“接力是指加中继站，是目前广泛的视距微波通信方式。接力是指加中继站，是目前广泛的视距

47、微波通信方式。5.4.3 数字微波传输系统结构数字微波传输系统结构数字微波传输系统组成数字微波传输系统组成 调制与解调器的作用是将基带信号对微波载波或调制与解调器的作用是将基带信号对微波载波或中频进行调制，解调是调制的逆过程。中频进行调制，解调是调制的逆过程。 编编码码译译码码多多路路复复用用设设备备基基带带信信号号处处理理调调制制器器解解调调器器微波微波发信发信机机微波微波收信收信机机分分路路系系统统天天馈馈线线系系统统用用户户发射机是用来将已调信号功率放大后馈送给发射发射机是用来将已调信号功率放大后馈送给发射天线发射出去的设备。天线发射出去的设备。接收机则是将受空间传输衰减后

48、的微弱信号进行接收机则是将受空间传输衰减后的微弱信号进行放大、混频、滤波等处理和变换的设备。放大、混频、滤波等处理和变换的设备。分路系统实际上是分路滤波器或称双工器），分路系统实际上是分路滤波器或称双工器），通信一般均是双向进行的，为了实现发射和接收通信一般均是双向进行的，为了实现发射和接收共用一副天线，必须采用分路系统，它利用收发共用一副天线，必须采用分路系统，它利用收发频率的差异实现收发分离。频率的差异实现收发分离。天馈线系统是由天线及其馈线完成收发信机的电天馈线系统是由天线及其馈线完成收发信机的电信号和空间电磁波之间的能量转换。信号和空间电磁波之间的能量转换。 5.4.3.

49、2天线馈线系统天线馈线系统 当多波道双向传输时，天馈线系统中的一些部件为收发兼用当多波道双向传输时，天馈线系统中的一些部件为收发兼用同轴电缆型 圆波导型 1微波馈线系统微波馈线系统馈线系统是联接分路系统与天线的馈线和波馈线系统是联接分路系统与天线的馈线和波导部件。主要有五种安装形式：同轴电缆系导部件。主要有五种安装形式：同轴电缆系统、矩形硬波导系统、椭圆软波导系统、圆统、矩形硬波导系统、椭圆软波导系统、圆一矩硬波导系统和圆一椭圆馈线系统。一矩硬波导系统和圆一椭圆馈线系统。目前目前4GHz、6GHz大部分使用圆一矩波导系大部分使用圆一矩波导系统；统；2GHz用同轴电缆或椭圆软波导；用同轴电缆或椭

50、圆软波导；8GHz用矩形硬波导系统。随着椭圆软波导质量的用矩形硬波导系统。随着椭圆软波导质量的提高，其应用范围越来越大。提高，其应用范围越来越大。 圆波导型馈线系统各部分的作用：圆波导型馈线系统各部分的作用： 1.1.密封节：特制的波导小段，防止波导生锈。密封节：特制的波导小段，防止波导生锈。2.2.杂波滤除器：在圆波导中杂波滤除器：在圆波导中, ,保证主模是保证主模是TE11TE11模传送。是一种特制波导段来出去次主模模传送。是一种特制波导段来出去次主模. .3.3.极化补偿器：校正极化去耦在圆波导度内极化补偿器：校正极化去耦在圆波导度内壁可微调的波导段。壁可微调的波导段。4.4.极化旋转器

51、：波导段内插入一介质板可使极化旋转器：波导段内插入一介质板可使极化方向旋转。极化方向旋转。5.5.极化分离器极化分离器: :用来分离两种不同的用来分离两种不同的( (如水平如水平和垂直极化波和垂直极化波) )极化波极化波. .2微波天线微波天线 凡是能辐射或接收微波能量的天线都叫微波天线。凡是能辐射或接收微波能量的天线都叫微波天线。微波天线的技术参数有天线的增益和方向性、反微波天线的技术参数有天线的增益和方向性、反射系数、极化去耦和机械强度等。射系数、极化去耦和机械强度等。微波天线形式微波天线形式卡塞格林天线具有双曲面形卡塞格林天线具有双曲面形反射器的抛物面天线。）另外还有喇叭天线，喇反射器的

52、抛物面天线。）另外还有喇叭天线，喇叭抛物天线，潜望镜天线，标准地物面天线等。叭抛物天线，潜望镜天线，标准地物面天线等。F焦点）焦点）抛物线抛物线YZO(1)抛物面的几何关系抛物面的几何关系 焦点焦点F放一微波源，放一微波源，发射波向四面八方放出发射波向四面八方放出射。如果反射体是一个射。如果反射体是一个抛物面，则由其焦点射抛物面，则由其焦点射出的电波经抛物面反射出的电波经抛物面反射之后，之后，将成为圆柱形平行射束方式向将成为圆柱形平行射束方式向Z Z方向传播。而这些方向传播。而这些反射波到达基准面反射波到达基准面AAAA的路径相等，即每条射线由的路径相等，即每条射线由F F点射出至点射出至AA

53、AA面止，其行程都相等。面止，其行程都相等。 22bac双曲线的几何关系双曲线的几何关系顶点位置为顶点位置为z z士士a a，x x0 0，双曲线有两焦点为双曲线有两焦点为cc和和c czabboxa（2 2双曲面的几何关系双曲面的几何关系 在解析几何中，双曲线的标在解析几何中，双曲线的标准方程为：准方程为： 12222bxazCC在双曲线上任一点在双曲线上任一点P Pz z，x x的法线的法线PNPN与与CPCP延长延长线的夹角线的夹角等于等于PNPN与与PCPC的夹角的夹角； 等于常数，即等于常数，即 pccpapp212(3) 卡塞格林天线几何关系C发射波到双曲面发射波到双曲面P点上，点

54、上，=P1-P2=2a将将C和双曲面的焦点重合，当辐射源放射在和双曲面的焦点重合，当辐射源放射在C后。后。相当于从相当于从C处发射。处发射。根据上述原理做成的天线叫卡塞格林天线。根据上述原理做成的天线叫卡塞格林天线。 反射波反向延长到反射波反向延长到C上相当于从上相当于从C(F)点的发射波。点的发射波。如果把双曲面的如果把双曲面的焦点焦点C C与抛物面与抛物面的焦点的焦点F F重合在重合在一起，同时把辐一起，同时把辐射源放在射源放在CC上，上，那么那么卡塞格林天线抛物面天线的基本参数 (1)天线增益天线增益 天线增益是表示抛物面天线辐射能量的天线增益是表示抛物面天线辐射能量的集中程度，用字母集

55、中程度，用字母G表示。表示。G=E2/E02=A/(24) =(D/) E有方向天线在空间某点有方向天线在空间某点(P点点)产生的产生的电场强度。电场强度。E0无方向理想天线在某点无方向理想天线在某点(同一点同一点P)产产生的电场强度生的电场强度.A: 天线口面积天线口面积 ; D: 抛物面反射器的口面抛物面反射器的口面直径直径24:无方向性天线的等效面积无方向性天线的等效面积n实践：实践：G=(D/)2 n称为口面利用系数，一般称为口面利用系数，一般=0.450.60nGdB=10lgG=10lg(D/)2 n当当=0.54时，时，GdB=10lgDf/c2 n GdB =20lgf(MHz

56、)+20lgD(m)-42.28(dB)n 式中：式中：f(MHz)为工作波长为工作波长对应的频率。对应的频率。n D(m)：为天线口面直径：为天线口面直径(m).n(2)半功率角半功率角(3dB波束宽度波束宽度) n 从主瓣向边偏离时，功率的辐射左右下降到一从主瓣向边偏离时，功率的辐射左右下降到一半点叫半功率点。半点叫半功率点。 n 天线的半功率角越小，能量集中程度越高。天线的半功率角越小，能量集中程度越高。 (3)极化去耦极化去耦 n一个接收垂直极化波的天线，由于天线结构一个接收垂直极化波的天线，由于天线结构不均匀性，也能收到少量的水平极化波将这不均匀性，也能收到少量的水平极化波将这两部分

57、功率之比称为该天线的极化去耦。两部分功率之比称为该天线的极化去耦。n极化去耦表示：极化去耦表示：x=10lg(p0/px) (dB)n p0为正常为正常(垂直垂直)极化波的接收功率，极化波的接收功率，n px为异为异(程度程度)极化波的接收功率。极化波的接收功率。nx值越大，极化去耦效果越好值越大，极化去耦效果越好 (4)防卫度防卫度 n天线防卫度指天线对某主瓣方向的接收天线防卫度指天线对某主瓣方向的接收能力与相对于主瓣方向的偏能力与相对于主瓣方向的偏90o或或180o接收能力的衰减程度。接收能力的衰减程度。n防卫度防卫度=10lg(P主主/P偏偏)。n(5)电压驻波比电压驻波比n电压驻波比：

58、描述天线与馈线间连接匹电压驻波比：描述天线与馈线间连接匹配的程度。配的程度。 n若驻波比小，若驻波比小， (天线与馈线间的连接匹天线与馈线间的连接匹配越好配越好) 反射波越小反射波越小,杂波越小。杂波越小。 移动无线网络演进中的天馈线改进方案数字蜂窝通信系统中的新天线技术数字蜂窝通信系统中的新天线技术 天线阵天线阵 赋形波束天线技术赋形波束天线技术 分集接收天线技术分集接收天线技术 3G移动通信系统中的天线移动通信系统中的天线 多天线收发技术多天线收发技术 智能天线智能天线微波中继微波中继微波站可分为微波端站，微波中继站和微波分站。主要都是微波站可分为微波端站，微波中继站和微波分

59、站。主要都是由微波中继机、馈线、天线、铁塔等构成。由微波中继机、馈线、天线、铁塔等构成。可以分为：再生转接基带式）、中频转接和微波转接三种。可以分为：再生转接基带式）、中频转接和微波转接三种。 5.4.4 微波传输系统的应用举例微波传输系统的应用举例其应用主要分为两大类：一类是以微波作为其应用主要分为两大类：一类是以微波作为信息载体，主要应用在雷达、导航、通讯、信息载体，主要应用在雷达、导航、通讯、遥感等领域；另一类是利用微波能，主要用遥感等领域；另一类是利用微波能，主要用在微波加热、微波生物医学及电量非电量的在微波加热、微波生物医学及电量非电量的检测等领域。检测等领域。而微波作为信息载体的微

60、波传输系统的应用而微波作为信息载体的微波传输系统的应用主要有主要有PDH微波传输系统和微波传输系统和SDH微波传输系微波传输系统。目前，统。目前，SDH微波传输系统是微波传输系微波传输系统是微波传输系统最典型的应用。统最典型的应用。 1.微波传输系统在电信网中的应用微波传输系统在电信网中的应用微波中继传输作为通信网的一种传输方式，可以同其他传微波中继传输作为通信网的一种传输方式，可以同其他传输方式一起构成整个通信传输网，微波、光纤、卫星一体输方式一起构成整个通信传输网，微波、光纤、卫星一体的传输组网方式。的传输组网方式。 微波传输系统在全网中位置 二微波传输系统在移动通信中的应用二微波传输系统