第11章 视距传播

第11章视距传播

视距传播：收发天线在视线距离内，电波直接从发射点传到接收点的传播方式。视距传播可分为三类：地—地：中继通信、广播电视、移动通信地—空：地面-飞机、地面-卫星空—空：飞机间、宇宙飞行器间地面及对流层大气对视距传播有一定的影响。11.1地面对视距传播的影响1.光滑平面地条件下视距传播场强的计算假设发射天线A的高度为H1，直接波的传播路径为r1，地面反射波的传播路径为r2、与地面之间的投射角为Δ。收、发两点间的距离为d。接收点B的高度为H2。r2-r1为两条路径之间的路程差，它可以表示为(11―1―2)根据二项式定理：得：（取前2项）接收点B场强应为直接波与地面反射波的叠加。(11―1―1)

Γ为地面的反射系数，它与电波的投射角Δ、电波的极化和波长以及地面的电参数有关。一般可表示为设沿r1路径在接收点B处产生的场强振幅为E1，沿r2路径在接收点B处产生的场强振幅为E2，则B处的总场强为(11―1―3a)

对于水平极化波对于垂直极化波(11―1―3b)海水的反射系数海水和陆地的反射系数（图中V代表垂直极化，H代表水平极化）。GHzGHz干土的反射系数

水平极化波反射系数的模在低投射角约为1，相角几乎可以被看作180°常量。

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的区域近似程度更高。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。

对于垂直极化波情况就比较复杂。垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值的投射角称为布鲁斯特角（Brewster），记作ΔB；在ΔB两侧，反射系数的相角180°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，但在很低投射角时，仍然可以将其视为-1。当Δ很小时，将代入下式合成场可以做如下简化：(11―1―4)

因此，波的干涉与天线的架高、电波波长及传播距离有关。垂直极化波在海平面的干涉效应（εr=80，σ=4）（a）f=0.1GHz，H1=50m，H2=100m（b）f=0.1GHz，H1=50m，d=7000m

下图是以|E/E1|为纵坐标计算得到的垂直极化波在海平面上的干涉效应。则得到维建斯基反射公式：(11―1―5)

在自由空间，电场强度（损耗）与距离的关系为20(dB)/10d。即距离d增大到10d时，接收到的场强降低20dB（等同于损耗增加20dB）。而对于平面地面上的空间波，电场强度（损耗）与距离的关系为40(dB)/10d。即距离d增大到10d时，接收到的场强降低40dB（等同于损耗增加40dB）。解地面反射波与直接波之间的相位差为【例】某通信线路，工作波长λ=0.05m，通信距离d＝50km,发射天线架高H1=100m。若选接收天线架高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下，接收点的E/E1=？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）？所以接收点处的E/E1=0，此时接收点无信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天线高度，使得接收点处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φ=−16π。若令可以解出H2=93.75m，接收天线高度可以降低6.25m。

地面上的有效反射区

2.地面上的有效反射区

反射波的主要空间通道是以A′和B为焦点的第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面相交的区域为一个椭圆，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有效反射区。该椭圆（有效反射区）的中心位置C的坐标为(11―1―6)

长轴在y方向，短轴在x方向。长轴的长度为(11―1―7)

该区地质的电参数确定反射系数，以判定地面反射波的大小及相位。3、瑞利准则：判断地面是否可以近似为平面h射线1射线2OBA△O’射线1和射线2的路程差：取，作为地面平坦与否的分界点，则——瑞利准则判别式设实际地面起伏高度为h，则：平坦地面：不平坦地面例：，那么对于f=900MHz的电波来说，地面的起伏高度小于多少米才能认为地面是平坦的？解：

表11―1―1Δh的实际计算数据

波长越短，投射角越大，越难视为光滑地面，地面起伏高度的影响也就越大。对于起伏不均匀的地面，定义某段距离内以其起伏的10%与90%值的差值作为实际地面的起伏高度值。hd10%90%11.1.2光滑球面地情况

地球是球面体，在大多数情况下应该考虑到地球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。1.视线距离－－视线所能达到的最远距离

在通信工程中常常把由H1、H2限定的极限地面距离称为视线距离。(11―1―10)

(11―1―11)由于常满足R>>H1，R>>H2，因此视线距离可写为(11―1―12)

根据图11―1―7所示的几何关系，若C点为AB与地球的切点，则有将地球半径R=6370km代入上式并且H1、H2均以米为单位时，(11―1―13)在标准大气折射时，视线距离将增加到(11―1―14)

在收、发天线架高一定的条件下，实际通信距离d与r0相比，有如下三种情况：(1)d＜0.7r0，接收点处于亮区；(2)d＞1.2r0，接收点处于阴影区；(3)0.7r0＜d＜1.2r0，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，否则地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。天线的等效高度

2.天线的等效高度

过反射点C作地球的切面，把球面的几何关系换成平面地，此时由A、B向切平面作垂线所得的H′1

、H′2就称为天线的等效高度或折合高度。(11―1―15)

(11―1―16)

假定反射点C的位置已经确定，沿地面距离d=d1+d2≈r10+r20，r10、r20就是天线架高为ΔH1、ΔH2时的极限距离。(11―1―17)(11―1―18)因此，天线的等效高度为

在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实际高度置换成等效高度，就是对球面地条件下的修正之一。3、球面反射的扩散特性AA’BAA’B球面反射系数与平面反射系数的关系为：为扩散因子AA’B2.扩散因子①定义：

和分别表示在相同的入射波束张角时，接收天线处的球面和平面反射波束的截面。②计算公式

R为地球半径11.2对流层大气对视距传播的影响实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化，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。对流层的折射率随高而变，因此电波在电流层中传输时发生不断的折射，从而导致轨迹的弯曲。（大气折射）如图所示，为大气的不均匀性所以引起的电波折射现象：ABCO’abc+n+nnh在三角形abo’中，由Δabc得,很小O’abc+n+nnh根据折射定律，得：

对于正常对流层而言，折射率的变化率是常数，即n与h成线性关系，所以电波传播射线的曲率也是常数。射线的轨迹应为一段圆弧。

是折射率随高度的变化率，由于折射率是递减的，因此该变化率通常为负值。

考虑到n≈1,并且对大多数情况而言，φ≈90°，因此射线的曲率半径A大气折射率与电波射线轨迹之间的关系：大气折射分为三类：(1)零折射电波射线为直线(2)负折射电波射线上翘(3)正折射电波射线向下弯曲dn/dh=-4×10-81/m，射线的曲率半径ρ=2.5×107mdn/dh=-15.7×10-81/m，电波射线与地球同步弯曲dn/dh＜-15.7×10-81/m，

标准大气折射临界折射超折射折射类型

3.等效地球半径

电波在大气层内传播轨迹是弯曲的，但习惯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。等效地球半径Re

：

保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球半径。

图11―2―3等效地球半径(a)实际地球上的电波射线；(b)等效地球上的电波射线

地球半径电波射线曲率半径等效地球半径等效电波射线曲率半径等效地球半径设电波在半径为R’的等效地面上空为直线传播，以等效在实际地面上的折射。如图所示:RANabcdeReA’N’a’b’c’d’等效条件：，

若两组曲线的曲率之差相等，则它们之间的距离相等。在图（b）中，AN为直线，所以图（a）与图（b）等效K就称为等效地球半径因子，表示等效地球半径与实际地球半径之比，在常态下，式中，考虑对流层折射时，将电波在均匀大气中传输的有关公式中的地球半径置换成等效地球半径，对相关公式进行修正。11.2.2大气衰减

（1）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子、氧分子对电波的谐振吸收；大气是一种成分不均匀的半导电媒质。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，导致对原方向传播的电波衰减。氧和水汽的衰减系数

水分子的谐振吸收发生在1.35cm与1.6mm的波长上。

氧分子的谐振吸收发生在5mm与2.5mm的波长上。（60GHz、118GHz）（22GHz、183GHz）

在选择工作频率时，要注意避开这些谐振吸收频率，工作于吸收最小的频率附近（通常将这些频率称为大气窗口）。