天线与电波传输第9次课

1、天线与电波传播天线与电波传播第第9 9次课次课By 樊振宏樊振宏8. 8. 电波传播的基础知识电波传播的基础知识8.1 8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 电磁波谱电磁波谱8.1.2 8.1.2 几种主要的电波传播方式几种主要的电波传播方式 8.2 8.2 自由空间电波传播自由空间电波传播8.3 8.3 电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 8.1概述概述8.1.1 电磁波谱电磁波谱频段名称及典型业务频段名称及典型业务名称名称符号符号频率频率波段波段波长波长传播特性传播特性主要用途主要用途甚低频甚低频VLFVLF3-30KHz3-30KHz甚长波甚长波100-10 100-10 kmkm空

2、间波为主空间波为主海岸潜艇通信；远距离通信；超远海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航距离导航低频低频LFLF30-30-300KHz300KHz长波长波10-10-1km1km地波为主地波为主越洋通信；中距离通信；地下岩层越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航通信；远距离导航中频中频MFMF0.3-3MHz0.3-3MHz中波中波1km-1km-100m100m地波与天波地波与天波船用通信；业余无线电通信；移动船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航通信；中距离导航高频高频HFHF3-30MHz3-30MHz短波短波100m-100m-10m10m天波与地波天波与地波远距离短波

3、通信；国际定点通信远距离短波通信；国际定点通信甚高频甚高频VHFVHF30-30-300MHz300MHz米波米波10m-10m-1m1m空间波空间波电离层散射（电离层散射（30-60MHz30-60MHz）；流星余）；流星余迹通信；人造电离层通信（迹通信；人造电离层通信（30-30-144MHz144MHz）；对空间飞行体通信；移）；对空间飞行体通信；移动通信动通信特高频特高频UHFUHF0.3-3GHz0.3-3GHz分米波分米波100-100-10cm10cm空间波空间波小容量微波中继通信；（小容量微波中继通信；（3 5 2 -3 5 2 -420MHz420MHz）；对流层散射通信（）

4、；对流层散射通信（700-700-10000MHz10000MHz）；中容量微波通信）；中容量微波通信（1700-2400MHz1700-2400MHz）超高频超高频SHFSHF3-30GHz3-30GHz厘米波厘米波10-10-1cm1cm空间波空间波大 容 量 微 波 中 继 通 信 （大 容 量 微 波 中 继 通 信 （ 3 6 0 0 -3 6 0 0 -4200MHz4200MHz）；大容量微波中继通信）；大容量微波中继通信（5850-8500MHz5850-8500MHz）；数字通信；卫）；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信（星通信；国际海事卫星通信（1500-1500-160

5、0MHz1600MHz）极高频极高频EHFEHF30-30-300GHz300GHz毫米波毫米波10-10-1mm1mm空间波空间波在入大气层时的通信；波导通信在入大气层时的通信；波导通信8.1.2 8.1.2 电波传播方式电波传播方式电波传播特性同时取决于电波传播特性同时取决于媒质结构特性媒质结构特性和和电波特征参量电波特征参量。对于特定频率和极化的代表与特定媒质条件相匹配，将对于特定频率和极化的代表与特定媒质条件相匹配，将具有某种占优势的传播方式。常用的电波传播方式分为：具有某种占优势的传播方式。常用的电波传播方式分为：地面波传播；天波传播；视距传播；地面波传播；天波传播；视距传播；8.2

6、. 8.2. 自由空间电波传播自由空间电波传播 不同的电波传播方式反映在不同传输媒质对电波不同的电波传播方式反映在不同传输媒质对电波传播的影响不同，带来的损耗不同。但是即使在传播的影响不同，带来的损耗不同。但是即使在自由空间传播，电波在传播的过程中的功率密度自由空间传播，电波在传播的过程中的功率密度也不断衰减。为了便于对各种传播方式进行定量也不断衰减。为了便于对各种传播方式进行定量的比较，有必要先进行在自由空间传播的讨论。的比较，有必要先进行在自由空间传播的讨论。1 1. . 自由空间传输损耗自由空间传输损耗 天线置于自由空间中天线置于自由空间中, , 假设发射天线是一理想的假设发射天线是一理

7、想的无方向性天线无方向性天线 (D=1),(D=1), 若它的辐射功率为若它的辐射功率为P瓦瓦, , 则离则离开天线开天线r r处的球面上的功率流密度为处的球面上的功率流密度为 功率流密度又可以表示为功率流密度又可以表示为202(/)4PSW mrs2001Re()2240ESEHn由此由此, , 离天线为离天线为r r处的电场强度处的电场强度E E0 0值为值为 060PEr 又假设发射天线是一实际天线又假设发射天线是一实际天线, , 其辐射功率仍为其辐射功率仍为P, 设它的输入功率为设它的输入功率为Pi, 若以若以Gi表示实际天线的增益系表示实际天线的增益系数数, , 则在离实际天线则在离

8、实际天线r r处的最大辐射方向上的场强为处的最大辐射方向上的场强为060iiPGEr（8-2-1） 实际工程中，为了对发射机、发射天线及接收机、实际工程中，为了对发射机、发射天线及接收机、接收天线合理地提出要求，需要预先进行接收天线合理地提出要求，需要预先进行电道计算电道计算：主要是计算电波在传播过程中的衰减程度。主要是计算电波在传播过程中的衰减程度。 如果接收天线的增益系数为如果接收天线的增益系数为GR, 有效接收面积为有效接收面积为Ae, 则在距离发射天线则在距离发射天线r r处的接收天线所接收的功率为处的接收天线所接收的功率为20244iiRRePGGPSAr 将输入功率与接收功率之比定

9、义为自由空间的基将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗本传输损耗: : 241ibfRiRPrLPGG将上式取对数得将上式取对数得 10lgibfRPLP32.4520lg()20lg ()()()iRf MHzr kmG dBGdB（8-2-5）（8-2-6）（8-2-7）010lg20lgiRPrLP32.4520lg()20lg ()f MHzr km 如果收发天线的增益系数均为如果收发天线的增益系数均为1,1,则可得则可得自由空间自由空间传输损耗传输损耗为：为：121.9820lg ()20lg ()r kmcm 由上式可见由上式可见: : 若不考虑天线的因素若不考虑天线

10、的因素, , 则自由空间中的传则自由空间中的传输损耗输损耗, , 是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩散而引起的扩散而引起的, , 它反映了球面波的它反映了球面波的扩散损耗扩散损耗。 当电波频率提高当电波频率提高1 1倍或传播距离增加倍或传播距离增加1 1倍时，自由空间传播倍时，自由空间传播损耗分别增加损耗分别增加6dB6dB。 当波长当波长=100m, 传播距离传播距离r = 50km时时,L0 = 76dB这是一个不小的数据。这是一个不小的数据。 204iRPrLp 电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。电波在实际的媒质（

11、信道）中传播时是有能量损耗的。 这种这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的, , 也可能是由于也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。 在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下的情况下, , 设接收点的实际场强设接收点的实际场强E E、功率功率P P R R，而自由空间的场强为而自由空间的场强为E E0 0、功率为功率为P PR R， 则则信道的衰减因子信道的衰减因子A A为0EAE0120lg20lg10

12、lg()RFREPLdBAEP（8-2-9）相应的衰减损耗为相应的衰减损耗为（8-2-8）2. 2. 信道的传输损耗信道的传输损耗则传输损耗则传输损耗Lb为为10lg10lg10lg()iiRbbfFRRRPPPLLLdBPPP0()bFrLLLLGGdB 式中式中, , 前三项为自由空间损耗前三项为自由空间损耗Lbf； A为实际媒质的损耗为实际媒质的损耗。 不同的不同的传播方式、传播方式、 传播媒质传播媒质, , 信道的传输损耗不同。信道的传输损耗不同。 在传播路径损耗在传播路径损耗L Lb b客观存在的条件下，降低传输损耗客观存在的条件下，降低传输损耗L L的重要措施就的重要措施就是提高收

13、、发天线的增益系数。是提高收、发天线的增益系数。（8-2-10）（8-2-14）9 9 地面波传播地面波传播 无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播(Ground Wave Propagation), 当天线低架于地面当天线低架于地面, , 且最大辐射方且最大辐射方向沿地面时向沿地面时, , 这时主要是地面波传播。在长波、长波、中波这时主要是地面波传播。在长波、长波、中波波段和短波的低频段波段和短波的低频段（104106 Hz)均可用这种传播方式。军均可用这种传播方式。军事上常用于近距离通信、侦察和干扰。事上常用于近距离通信、侦察和干扰。

14、特点：特点： 信号稳定，基本上不受气象条件、昼夜及季节变化的信号稳定，基本上不受气象条件、昼夜及季节变化的影响。频率升高，损耗迅速增大。影响。频率升高，损耗迅速增大。 9.1 9.1 地球表面电特性地球表面电特性 地球平均半径地球平均半径6370km,6370km,最外层是地壳层，它的表面是电导率较最外层是地壳层，它的表面是电导率较大的冲积层。由于地球内部作用，以及外部的风化作用，使得地大的冲积层。由于地球内部作用，以及外部的风化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，还有人为建筑、球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，还有人为建筑、田野等，它们影响了电波传播。田野等，它

15、们影响了电波传播。 地面波主要取决于地面条件。地面波主要取决于地面条件。 1 1 、地面的不平坦性（长波中波时，除高、地面的不平坦性（长波中波时，除高山外可认为地面为平坦的）山外可认为地面为平坦的） 2 2、地质的情况、地质的情况 ：复介电常数：复介电常数表表9-1-1 地面的电参数地面的电参数 导电？介电？导电？介电？ 传导电流与位移电流密度之比传导电流与位移电流密度之比060fDrrJJ 1良导体良导体1电介质电介质半电介质半电介质1Page 197 表9-1-29.2 地面波的传播特性地面波的传播特性 电磁波是沿着半导电性质和起伏不平的地电磁波是沿着半导电性质和起伏不平的地表面进行传播的

16、。表面进行传播的。 1 1、吸收。（水平极化衰减大、垂直极化吸、吸收。（水平极化衰减大、垂直极化吸收小，见图收小，见图9-2-19-2-1） 2 2、绕射、绕射( (波长长的绕射能力强）波长长的绕射能力强）9.2.1 9.2.1 波前倾斜现象波前倾斜现象 设有一直立天线（发射天线）架设于地面之上设有一直立天线（发射天线）架设于地面之上, , 辐射的垂直极化波沿地面传播时辐射的垂直极化波沿地面传播时, , 若大地是理想若大地是理想导体导体, , 则接收天线接收到的仍是垂直极化波。则接收天线接收到的仍是垂直极化波。 实际上实际上, , 大地是非理想导电媒质大地是非理想导电媒质, ,垂直极化波的电垂

17、直极化波的电场沿地面传播时场沿地面传播时, , 就在地面感应出与其一起移动就在地面感应出与其一起移动的电荷的电荷, , 进而形成电流进而形成电流, , 由于地面是半导电媒质，由于地面是半导电媒质，从而产生欧姆损耗从而产生欧姆损耗, , 产生压降，即沿地表面形成产生压降，即沿地表面形成较小的电场水平分量较小的电场水平分量, , 致使波前倾斜致使波前倾斜, , 变为变为椭圆椭圆极化波极化波, , 如图如图 9-2-29-2-2所示。所示。 显然显然, , 波前的波前的倾斜程倾斜程度度反映了大地对电波的反映了大地对电波的吸收程度吸收程度。 图图9-2-2 9-2-2 波前倾斜现象波前倾斜现象M.A.

18、列翁托维奇列翁托维奇近似边界条件近似边界条件9.2.2 9.2.2 地面波传播的场分量地面波传播的场分量从以上知识可以得到如下结论从以上知识可以得到如下结论: : 垂直极化波沿非理想导电地面传播时垂直极化波沿非理想导电地面传播时, , 由于大地对电波能由于大地对电波能量的吸收作用量的吸收作用, , 产生了沿传播方向的电场纵向分量产生了沿传播方向的电场纵向分量E Ez1z1, , 因此因此可以用可以用E Ez1z1的大小来说明传播损耗的情况。的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越当地面的电导率越小或电波频率越高小或电波频率越高, , E Ez1z1越大越大, , 说明传播损耗越大说明传播损

19、耗越大。 因此因此, , 地面波传播地面波传播主要用于主要用于长、中波传播长、中波传播, , 短波和米波小短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时型电台采用这种传播方式工作时, , 只能只能进行几千米或十几千米进行几千米或十几千米的近距离通信。的近距离通信。 海水的电导率比陆地的高海水的电导率比陆地的高, , 因此在海面上要比陆地上传得因此在海面上要比陆地上传得远的多。远的多。 9.2.3 9.2.3 地面波传播特性地面波传播特性 地面波的地面波的波前倾斜波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于用意义。由于E Ex1x1E Ez1z1, , 故在

20、地面上采用直立天线接收较为适故在地面上采用直立天线接收较为适宜，直立天线附近宜用宜，直立天线附近宜用湿地湿地。也可以采用低架或埋地水平天。也可以采用低架或埋地水平天线接收，并且其附近宜用线接收，并且其附近宜用e er r和和s s较小的较小的干地干地，并且不宜埋地过，并且不宜埋地过深。深。 第第7474页的页的G G型天线型天线 地面波由于地表面的电性能及地貌、地面波由于地表面的电性能及地貌、 地物等并不随时间地物等并不随时间很快地变化很快地变化, , 并且基本上不受气候条件的影响并且基本上不受气候条件的影响, , 因此信号稳因此信号稳定定, , 这是地面波传播的突出优点。这是地面波传播的突出优点。 4 4 极化极化 地面上水平极化损耗大地面上水平极化损耗大 5 5 有绕射损耗。有绕射损耗。 6.6.长波中波时是一个狭长椭圆极化波。短波、超长波中波时是一个狭长椭圆极化波。短波、超短波时，相位差趋于零，可近似认为是线极化波。短波时，