第四章 微波传播

第四章微波传播

电波传播模式4.1长途微波通信系统中的电波传播4.2移动通信系统中的电波传播4.3抗衰落技术4.5卫星通信电波传播的特点4.44.1电波传播模式 无线通信中主要的电波传播模式有空间波、地表面波和天波三种。

1．空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。在电波的传播过程中，会出现反射、折射和散射等现象。长途微波通信和移动通信中均采用这种视距通信方式。

2．地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。长波、中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。

3．天波是利用电离层的折射、反射和散射作用进行的电波传播模式。短波通信采用的正是这种电波传播模式。4.2长途微波通信系统中的电波传播

4.2.1自由空间的电波传播

1．电波与自由空间的概念微波是一种电磁波，微波射频为300MHz～300GHz，是全部电磁波频谱的一个有限频段。

根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。

2．自由空间的传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。

但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。

因为电波由天线辐射后，便向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分，距离越远，这一部分能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。

显而易见，距离光源越远的地方，单位面积上接收到的能量也越少。上面所说的这种电波扩散衰耗就称为自由空间传播损耗。

下面用图4-1说明自由空间传播损耗。假定发信设备位于球体中心，使用无方向性天线，以功率Pt向周围空间辐射电磁波，在半径为d的球面上接收点B的单位面积上的平均功率为

由天线理论知道，一个各向均匀辐射的天线，其有效面积为：

这样，一个无方向性天线在B点收到的功率为

还可写成

则传播损耗为（4-1）

或（4-2）

当距离d以km为单位，频率f以GHz为单位时，传播损耗

Ls（dB）=92.4+20lgd+20lgf（4-3）

当频率f以MHz为单位时，传播损耗

Ls（dB）=32.4+20lgd+20lgf（4-4）式中d为收发天线的距离，f为发信频率。

3．自由空间传播条件下收信电平的计算微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线。

当收发天线增益分别为Gr（dB）、Gt（dB）；收发两端馈线系统损耗分别为Lfr（dB）、Lft（dB）。

收发两端分路系统损耗分别为Lbr（dB）、Lbt（dB）；自由空间传播损耗为Ls（dB）。

则，在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）－（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls（4-5）

【例题4-1】已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，Gt＝Gr＝39dB，Lft＝Lfr＝2dB，Lbt＝Lbr＝1dB。

求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。

解：由已知条件，站距d＝45km，工作频率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得Ls（dB）=32.4+20lg45+20lg3800≈137dB

4.2.2地面反射对电波传播的影响不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。

●地面散射：往往表现为乱反射，对主波射束的影响较小，本章不予讨论。

●绕射：在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，将在下节讨论。

●反射影响主要表现是：地面可以把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更大些），与主波信号产生干涉，并与主波信号（直射波）在收信点进行矢量相加，其结果是，收信电平与自由空间传播条件下的收信电平相比，也许增加，也许减小。

1.费涅耳区的概念

(1)惠更斯-费涅尔原理惠更斯提出了电磁波的波动性学说，费涅耳在这个基础上又提出了“费涅耳区”的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。

惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想是：光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。

在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于站间距离的时候，我们可以把发信天线近似看成一个点源，如图4-2所示。

(2)费涅尔区的概念设TR之间距离为d。当常数PT＋PR为：d＋λ/2时，P点的轨迹为第一费涅耳椭球面；

d＋2λ/2时，P点的轨迹为第二费涅耳椭球面，图中分别用

A、B标出。

d＋nλ/2时，P点的轨迹为第n费涅耳椭球面。N越大，费涅耳椭球面越大。

再结合图4-2，当用T点发出的且过P点的第N个球面波前面与n个费涅耳旋转椭球面交割，就可在交割界面上得到一系列的圆和圆环，见图4-3。

中心是一个圆，称为第一费涅耳区。其外面的圆环（外圆减内圆得到的环）称为第二费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区……第n费涅耳区。

(3)费涅尔区半径我们把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用F表示。

第一费涅耳区半径用F1表示。下面用图4-4求第一费涅耳区半径（F1在工程上是用得最多的参数之一）。

在图4-4中，P为第一费涅耳区（PT＋PR=d＋λ/2）上一点，d1为P点到发信天线T的水平距离，d2为P点到收信天线R的水平距离，收发站距d＝d1＋d2。

根据费涅耳椭球面及费涅耳区的定义，由图4-4可见，（4-6）

经公式推导，可近似得到

（4-7）

同样可求，第二费涅耳区半径为

第n费涅耳区半径为

（4-8）

式（4-7）中，若λ的单位为米（m），d1、d2、d的单位为公里（km），则

（4-9）

由公式可见，当动点P在路径中所处的位置不同时，费涅耳区半径也就不同。P在路径中点时，以第一费涅耳区半径为例，公式（4-9）中d1＝d2，此时的第一费涅耳区半径有最大值，用F1m表示。

2.地面反射对收信电平的影响本节所波及的地面均未考虑地球凸起高度的影响，当两个微波站距离较近，地面又起伏不大时，可适用于本情况。

(1)平坦地形对电波的反射平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。

在实际的微波通信线路中，总是把收、发天线对准，以使收端收到较强的直射波。但根据惠更斯原理（或因天线方向性所限），总会有一部分电波投射到地面，所以在收信点除收到直射波外，还要收到经地面反射并满足反射条件（入射角等于反射角）的反射波，如图4-7所示。

图中P为地面上的反射点，θ为入射角（指投射到地面的入射线与地面的夹角），h1、h2为发端和收端的天线高度，hc’是反射点P到TR连线的铅垂距离，称为余隙。有时余隙为负值，则说明地面反射点的高度高出了TR连线。

如果该点的第一费涅尔反射区半径为F1，比值hc/F1叫该点的相对余隙。

直射波：设E0为自由空间传播时电场强度的有效值（直射波场强有效值）。则直射波场强的瞬时值为

e1＝E0cosωt

反射波：地面反射点P的特性用该点反射系数表示，它是一个复数，表示为

式中|φ|——反射系数的模

——反射系数的相角

我们把合成场强E与自由空间场强的比，称为考虑地面影响时的衰落因子V，表示为

（4-10）

VdB=10lgV2=20lgV

考虑地面影响后，实际的收信点电平可由下式求出

pr（dBm）=pr0（dBm）＋VdB

式中：

pr0（dBm）为未考虑地面影响时的自由空间收信电平，用式（4-5）算；

pr（dBm）为有衰落时的收信功率电平。

(2)用费涅耳区的概念分析地面反射影响我们把hc/F1＝0.577时的余隙hc称自由空间余隙，并用h0表示，记为

（4-12）

(3)路径上刃形障碍物的阻挡损耗由图4-9可以看出，在传播路径上有刃形障碍物阻挡时，如果：

障碍物的尖峰恰好落在收发两端天线的连线上（即hc＝0）时，附加损耗为6dB；

障碍物峰顶超出连线（hc为负），附加损耗很快增加；

障碍物顶峰在连线以下，且相对余隙hc/F1大于0.5时，则附加损耗将在0dB上下少量变动。这时，实际路径的传播损耗（或收信电平）将与自由空间的数值接近。

(4)微波线路的分类视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将线路分为三类：

（1）hc≥h0（相对余隙）称为开路线路这种线路可等效为平地面反射的情况。

（2）0＜hc＜h0称为半开路线路这种线路障碍物对直射波束有部分阻挡，属于绕射传播状态。由较大高地、山岭等障碍物造成。

（3）hc≤0称为闭路线路这种线路障碍物对直射波束全阻挡，也属于绕射传播状态。上述三种线路是指一般单障碍物情况。

4.2.3对流层对电波传播的影响

从地面算起，垂直向上，可把大气分为六层：依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导、逸散层。

对流层是指自地面向上大约10Km范围的低空大气层。由于天线架设的高度远不会超出这个高度，而且微波通信采用空间传播方式，所以研究微波在大气中的传播只要研究电波在对流层中的传播就可以了，其它各层对微波传播的影响不大。

1.大气折射大气折射是指在低空中大气对电波传播的折射。

(1)大气折射率设大气折射率为n，它是电波自由空间中的传播速度c与电波在大气中的传播速度v之比，记作

（4-13）

(2)折射率梯度折射率梯度表示折射率随高度的变化率，从而体现了不同高度的大气压力、温度、湿度对大气折射的影响，表示为。

（1）＞0，n随高度的增加而增加，由式（4-13）看出，v与n成反比，所以在这种情况下，v随高度的增加而减小，使电波传播的轨迹向上弯曲，如图4-11(a)所示。

（2）＜0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲，如图4-11(b)所示。

(3)等效地球半径等效地球半径的概念就是可以把电波射线仍然看成直线，而把真实地球的半径a等效为ae。等效的概念如下图所示。

等效的条件是：电波轨迹与地面之间的高度差hc相等，或等效前及等效后的电波路径与球形地面之间的曲率之差保持不变。

定义K为等效地球半径系数

（4-15）

K与折射率的关系为

（4-16）式中a为实际地球半径，a＝6370km。

(4)折射的分类我们可根据电波受大气折射后轨迹（因K值不同而不同），将大气折射分为三类，如图4-13所示。

（1）无折射（2）负折射（3）正折射

正折射还可以进一步分为标准折射、临界折射、超折射等几种情况。

临界折射和超折射己于图4-13中示出，可见临界折射是折射电波方向与地球曲率一致，超折射是指折射电波射向地球。

在温带地区，我们称时的大气为“标准大气”，它代表了温带地区气象条件的平均情况。

的大气折射叫作标准折射。

K＝，所以叫作标准等效地球半径。

4.2.4几种大气和地面效应造成的衰落

1.概述使收信电平随时间而变化，这种变化称为信号的衰落，它具有随机性。

引起衰落的原因是多方面的，大体上可以分为两类：第一类是气象条件的平稳变化引起的，如大气折射的慢变化、雨雾衰减，大气中不均匀体的散射等引起的衰落；第二类是多径传播引起的衰落。由于气象条件不平稳变化，使传播异常，可能出现多条传播路径，称为多径传播。

2.衰落的种类(1)大气吸收衰耗(2)雨雾引起的散射衰耗(3)K型衰落

这是一种多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在某种情况下的绕射波）到达接收端因相位不同互相干涉造成的电波衰落。

其相位干涉的程度与行程差有关，而在对流层中，行程差Δr是随K值（大气折射的重要参数）变化的，故称K型衰落。这种衰落尤其在线路经过水面、湖泊或平滑地面时特别严重，因气象条件的突然变化，竟会造成通信中断。

前面讲过的因地面影响产生的反射衰落及因大气折射产生的绕射衰落，当其衰落深度随时间变化时引起的均属K型衰落。

(4)波导型衰落

由于各种气象条件的影响，如地面被太阳晒热，夜间地面的冷却，以及海面和高气压地区都会形成大气层中的不均匀结构。

当电磁波通过对流层中这些不均匀层时将产生超折射现象，形成大气波导传播。只要微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层下面（如图4-22所示），则收信点的场强除了直射波和地面反射波外，还可能收到“波导层”的反射波，形成严重的干涉型衰落，往往造成通信中断。

(5)闪烁衰落对流层中的大气常常发生体积大小不等。无规则的漩涡运动，称为大气湍流。大气湍流形成的一些不均匀小块或层状物使介电系数ε与周围不同，并能使电波向周围辐射，这就是对流层散射，如图4-23所示。

在收信点，天线可收到多径传来的这种散射波，它们之间具有任意振幅和随机相位，可使收信点场强的振幅发生变化，并形成快衰落。

在视距微波通信中，由对流层散射到收信点的多径场强叠加在一起，使收信场强降低，形成了所谓闪烁衰落。由于这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不至于造成通信中断。

3.衰落的统计特性

(1)瑞利衰落概率的经验公式当把瑞利分布的规律应用于微波通信，并且考虑到电波传播的具体条件，衰落的瑞利概率为

Pr＝（4-32）

式中：

Pr就是接收功率小于或等于W时的时间概率；

W为有衰落时的接收功率；

W0为无衰落时的接收功率；

d为站距（km）；

f为微波工作频率（GHz）；

K为环境条件因子；

Q为地形条件因子。

我国对衰落的瑞利概率的计算，是选用了日本、美国公式的折中值，与西北欧的公式接近，当收信电平等于自由空间传播条件下的收信电平时，衰落的瑞利概率为

（4-33）

式中：

各符号的意义及单位己于前述，在此不再重复。

当已知衰落深度为Fd（dB）时，深衰落发生的概率为

Pr＝（4-34）

式中的是衰落深度的倍数值。

(3)衰落深度的计算衰落深度又叫衰落储备。数字微波的衰落深度是从衰落概率的角度进行计算的，其定义式为

（4-35）

4.2.5频率选择性衰落

1.电波的多径传播现象

(1)基本概念实际信道的传输特性主要决定于信道中的滤波特性，它的畸变将直接影响信号的传输性能。

滤波器的特性通常总是用幅频特性和相频特性（时延特性）来描述，理想的幅频特性和相频特性如下所示。

其中相位-频率特性（绿线）还经常采用群时延-频率特性来衡量。群时延-频率特性是相频特性的导数。若相频特性用表示，则群时延特性为

当大气层中存在不均匀层或不均匀块时，会产生折射波，由于水面和地面的反射会产生反射波。因此，从发送天线到接收天线之间可能会有多条电波传播路径。

在此情况下，接收到的信号是各条路径信号的矢量和。

由于大气层折射波的相位和振幅常常是随机变化的，所以可能是（同一时刻、不同频率）在同一时刻，某一频率产生的干涉波（反射波或折射波）与直射波同相相加，而另一频率产生的干涉波（反射波或折射波）与直射波反相相加，这样造成的衰落称为频率选择性衰落。

(2)对多径传输的进一步分析对于多径传播效应，预测信道多径衰落引起数字通信系统性能恶化以及寻找合适的均衡器以校正信道的选择性衰落，近些年来提出了许多有关多径传播的模型。

例如：二线模型（一条反射线或一条折射线和一条直射线来模拟多径传播信道）。两条射线（波束）传输信道的等效电路示于图4-24。

图中路径1表示直射波射线，路径2表示干涉波（反射波或折射波）射线，其中：

r为干涉波对直射波的振幅比。

τ(t)为干涉波相对于直射波的时延，τ(t)＝τ0＋Δτ(t)，

τ0是τ(t)的平均值，即两条线的路径的时延差，Δτ(t)是τ(t)随时间起伏变化成分，一般来说，Δτ(t)是细微的，但是，它却足以引起干涉波随机相位的变化。

如果不考虑信道的固定衰减，图4－23等效网络的传输函数为：He（jω，t）＝1＋re－jωτ(t)

（4-36）

式中

ω＝2πf0

根据式（4-36）经运算（略）可得信道的振幅特性为

（4-37）

及群时延特性

（4-38）

(3)频率选择性衰落同一时刻、不同频率下，幅频特性A（f）和时延特性T（f）曲线示于图4-25。

根据公式幅频特性和时延特性的谷值为：

Amin＝1－r

幅频特性和时延特性的峰值为：

Amax＝1＋r

这种因多径传播而造成的衰落被称为频率选择性衰落。

2.频率选择性衰落对微波通信系统传输质量的影响

(1)引起带内失真

(2)使交叉极化鉴别度下降天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化和水平极化。

垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。

但是理想的极化完全隔离是没有的，因为一种极化状态下（例如水平极化）的微波信号，经过信道传输，可能会受到大气层对电波传播的影响，使极化面受到损害，并使一部分能量成为与之正交的极化状态（例如垂直极化）。

这样，当微波通信采用同频（双极化）再用方案时，就将引起频率相同、极化正交的两个波道之间的干扰．称之为交叉极化干扰。

所以馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。

交叉极化鉴别度记作XPD。常以电子值表示，即（dB）式中：P为以收端某波道接收的与发端相同极化的信号功率。

Px为该波道收到的交叉极化干扰信号。

XPD值越大，表示交叉极化干扰越小。多径传播将使XPD显著变坏。

(3)使系统原有的衰落储备值下降这里所指的衰落储备值下降，往往指数字微波的有效衰落储备，数字微波通信系统经常用到有效衰落储备的概念：它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时．为了在不超过门限误码率时系统仍能工作所必须留有的电平余量。4.3移动通信系统中的电波传播

4.3.1移动通信系统中电波传播的特点

1.电波传播的基本模型是超短波在光滑表面上直射波与反射波的矢量合成。

2.衰落当移动台高速运动时，其传播路径会遇到建筑物和障碍物，从而产生多径反射，形成衰落。衰落又分为快衰落和慢衰落。

所谓快衰落是指接收场强包络的快变化呈现瑞利分布，衰落速度与移动台的运动速度和工作频率有关。

而当受到高大建筑物的阻挡时，或因地形变化造成的阴影效应以及大气折射使得多径信号相对时延发生变化时，都会使同一地点的场强中值（信号强度大于它的概率为50%的场强值）随时间呈现慢变化，这就是慢衰落，慢衰落深度与地形和工作频率有关。

3.移动台高速运动时的特性当移动台高速运动时，应根据统计分析，采用不同的接收信号场强预测模型。

4.多普勒频移由于移动台处于移动中，因而接收信号中存在附加的频率变化，这种频率变化就是多普勒频移，从而给系统引入调频噪声，当运动速度越高、工作频率越高时，多普勒频移影响越大。

4.3.2移动通信中电波传播特性

1、直射波（１）在自由空间中，由于电波是以直线形式传播，而不存在被吸收、被反射、折射和散射等现象，这种电波传播方式就是直射波。

直射波的传播损耗可以用自由空间电波损耗计算：

（dB）

(4-39)

（２）视线距离人们把视线所能到达的最远距离称为视线距离。修正后的

2、反射波（1）在电波传播中，当遇到两种不同介质的光滑表面时，会发生反射现象。（2）接收天线所接收到的电波是由直射波和反射波组成的。

它们之间的行程差为：相位差为：

3、绕射波

(1)在电波传播过程中，当遇到较大的山丘或建筑物时，电波会发生绕射，并到达接收点。

(2)绕射波信号强度与反射波的强度相当，由此引入电波传输损耗，通常称这种损耗为绕射损耗。障碍物所引起的绕射损耗与费涅耳余隙有关。

4、散射波由空气中离子受激产生二次反射所引起的慢反射后到达接收点的传播信号强度很弱。

4.3.3移动通信中电波传播所产生的几种效应１、多径效应

(1)定义在移动通信环境下，由于移动台处于移动状态，而且移动台所发射的电波在传输过程中不断地受到建筑物、树木或起伏地形的影响。

因此到达接收天线的电波包括直射波以及来自各种物体的反射波和散射波，它们各自的传播路径不同，故在接收天线处产生相互干涉，使接收天线所接收到的场强矢量、振幅和相位随时间急剧变化，使信号很不稳定。

这种现象称为多径效应，所产生的衰落便是多径衰落，也称为快衰落。

(2)合成信号接收机所接收到的合成信号：包络服从满足瑞利分布，相位服从符合均匀分布。

(3)快衰落特性合成信号的振幅不仅是时间的随机函数，也是地点的随机函数，而且还与工作频率有关。

快衰落又可以细分为空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落：●空间选择性衰落是指在不同地点（空间）衰落特性不同，它是由天线点波束的扩散引起的。例如基站附近的建筑物和其他物体的反射所产生的多径干扰会严重影响到达天线的信号入射角，从而引起空间选择性衰落。

●频率选择性衰落是指不同频率衰减特性不同所引起的衰落。它是由远处山丘与高大建筑物反射而形成的多径干扰引起的，使信号在时域（也包括空间）上发生扩散，从而引起的衰落。

●时间选择性衰落是指不同的时间衰落特性不同，它是由于快速移动用户附近物体的反射而形成的多径干扰所造成的，从而引起频率扩散，使接收点信号产生衰落。

２、阴影效应

(1)定义当在电波传输路径上遇到起伏的地形、建筑物、树林等障碍物时，在障碍物的后面便形成电波的阴影区。

阴影区中的信号强度很弱，因此当移动台通过阴影区时，便造成接收信号场强中值的缓慢衰落，这就是阴影效应，阴影效应所引起的衰落称为阴影衰落，或慢衰落。

(2)慢衰落特性①慢衰落的衰落速率与快衰落特性不同，慢衰落的衰落速率与频率无关。慢衰落的衰落速率主要决定于传播环境，即移动台所处的环境。

②当大气参数发生变化时，会引起折射率的缓慢变化，由此产生的影响也是一种慢衰落，仍符合对数正态分布。

实际上的慢衰落是由随地点变化和时间变化的两种衰落综合而成的，并且这两种变化彼此独立。

３、远近效应

(1)定义当两个移动台距基站的距离不同，而以相同的频率和相同的功率发送信号时，则基站接收来自远端移动台的有用信号将淹没在近端移动台所发送的信号之中。

这种由于接收点位置不同，使得发信机与基站之间的路径损耗不同，而引起的接收功率下降被称之为远近效应，也称之为近端对远端的干扰。

(2)远近效应的影响程度为了衡量其影响程度，我们以近端对远端的干扰比来表示：

（dB）(4-46)

其中d1、d2分别表示基站与移动台MS1、MS2相对的近距离和远距离。比值越大，干扰越小。

(3)减少远近效应可采用的措施①在进行频率分配时，应尽量加大同一频道组频率间隔以提高隔离度。

②可采用扩频技术，提高系统的抗干扰能力。③使移动台发信机能够根据其与基站的距离自动调节发射功率，从而减小近端对远端干扰比。

④在移动台和基站设备设计中，应尽可能降低发信机寄生辐射，提高接收及中频滤波器的带外抑制能力。

４、多普勒频移多普勒频移是由于移动用户高速运动而引起传播频率的变化，其变化程度与移动用户的运动速度成正比。多普勒频移现象同样存在于卫星通信系统中。

4.3.4移动通信环境下的场强计算１、EgliJohnJ.场强计算

(1)模型的提出在实际通信环境下，由于移动台随时处于运动状态，因此在计算绕射损耗时，x、F1的数值在不断的变化之中，给不平坦地区环境下的场强计算带来困难。

实际中通常是利用EgliJohnJ提出的经验模型，即在平面大地反射公式的基础上，加一个修正值，以此来计算不平坦地区的传输衰减LA。该修正值为

(2)利用EgliJohnJ模型计算的不平坦地区的传输衰减为：

2、Okumura模型（0）模型的提出由于移动通信环境复杂而且而且多变，因此人们针对不同的应用场合提出了相应的经验模型。

Okumura模型是将城市视为准平滑地形，并绘出其场强中值曲线。

在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称为基准中值或基本中值。

因此对于郊区以及不规则地形，则在城市准平滑地形场强中值的基础上提出修正因子。可见只要这种模型的修正因子足够多，便可以根据所掌握的详细地形地貌，得出准确的预测结果。

Okumura模型适用的范围：频率为150~1500MHz，基站天线高度为30~200m，移动台天线高度为1~10m，传播距离为1~20km。

（1）市区传输衰减中值①图4-31是在基站天线有效高度hb=200m,移动台天线高度hm=3m，并以自由空间传播衰减为基准（0dB）,测量出的基本衰减中值Am(f,d)。

实际路径衰耗LT可表示为：

基本衰耗中值Am(f,d)与工作频率、通信距离有关，随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰减也随之增加。

②当基站天线高度不等于200m，基站天线高度增益因子Hb(hb,d)，实际路径衰耗LT可表示为：

-Hb(hb,d)

③当移动台天线高度不等于3m，移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)，实际路径衰耗LT可表示为：

-Hm(hm,f)

（2）郊区和开阔区的传输衰减中值①郊区修正因子Kmr

一般郊区建筑物分散、矮小，因此电波传输环境优于市区，故其衰减中值会低于市区衰减中值。

实际路径衰耗LT可表示为：

②开阔区修正因子Q0

实际路径衰耗LT可表示为：

③准开阔区修正因子Qs

准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）实际路径衰耗LT可表示为：

（3）不规则地形表面的电波传播①丘陵地修正因子●丘陵地的地形参数：用地形起伏高度来定义丘陵地的地形参数，用符号表示。

其数值等于自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏达数次情况下，地形起伏的90%与10%处的高度差。

●丘陵地的场强中值修正因子分为两项：

i.丘陵地平均修正因子Kh

它表示丘陵地场强中值与基准场强中值之差。

ii.丘陵地微小修正因子Khf

由于丘陵地的顶和谷起伏的较大，场强中值必然有较大差异。

②孤立山丘地形的修正因子●定义当电波传播路径上遇到尖利的单独山丘时，电波会发生绕射，产生绕射损耗，同时还因存在阴影效应和屏蔽吸收等而给系统引入附加损耗。

●孤立山丘地形的修正因子Kja

图4-38所示，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2代表山顶距移动台的水平距离。

Kja是针对山丘高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。如果实际山丘高度不等于200m，还需在查得的Kja值基础上乘以一个系数，其中为山丘实际高度,单位为m。

③斜坡地形的修正因子●定义当5~10km范围内倾斜的地形称为倾斜地形。在电波传播方向上地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+，反之为负斜坡，倾角为-。的单位是毫弧度（mrad）

④水陆混合地形的修正因子●定义当电波传播路径上遇到湖泊或其他水域，接收信号的路径衰耗中值会低于纯粹的陆地传播时的情况。

●水陆混合地形的地形参数：水面距离dSR代表与全程距离d的比值作为地形参数dSR/d。

●水陆混合地形的修正因子KS

图4-40所示:曲线A表示水面处于移动台附近时的水陆混合地形的修正因子，曲线B表示水面位于基站一侧时的修正值。

（4）其他因素的影响由于移动台所通过的环境非常复杂，除了Okumura模型中所述的几种地形地物外，还有其他一些情况也将影响移动通信的质量，例如街道走向的影响、建筑物的穿透性能、植被覆盖情况以及隧道的影响等。因此当计算传播损耗和场强时，还应加上上述影响所引进的衰减损耗。

3、Okumura-Hata方法

(1)模型的提出在进行实际系统设计中，为能够采用计算机，运用Okumura模型进行预测，Hata对Okumura模型中的基本中值场强曲线进行了公式化处理。

(2)具体基本传输损耗计算公式

（dB）

上式中d为收发天线之间的距离（单位km），f为工作频率（单位MHz）

hb和hm分别代表基站天线和移动台天线高度（单位m）

4.4卫星通信电波传播的特点

4.4.1影响卫星通信中电波传播的因素由于卫星通信的电波传播路径需要通过对流层中的云层和雨层以及再上面的同温层、中间层、电离层和外层空间，故电波传播都会受到它们的影响。

4.4.2地球站天线仰角与通信距离的关系地球站天线的仰角应始终跟踪卫星上的天线，以便使地球站的收信机得到较高的收信电平，如图4-41所示。

图中R为地球半径（6370km），h为卫星的铅垂高度，θ为地球站天线的最低仰角，β为卫星覆盖范围的中心角，α为高度角，d为地球站与卫星的通信距离。

各参数间的几何关系为：

（4-52）

d值与天线仰角有关，其关系曲线示于图4-42。

4.4.3自由空间传输损耗及环境影响(1)卫星通信的自由空间传输损耗计算公式与微波通信相同，只是损耗值要大得多。

Ls＝92.4＋20lgd（km）+20lgf（GHz）（dB）

(2)大气衰减损耗

(3)云层和降雨影响

(4)闪烁衰落的影响

由于卫星通信的电波路径比微波通信要长得多，所以其闪烁情况及影响也与微波通信不同。

闪烁的概念：地球站与卫星间的无线电波通过电离层和对流层时，由于该层媒质小范围折射率不规则的起伏变化，使地面接收到的信号振幅与相位发生快速的起伏现象，这种起伏变化称为闪烁。它产生于电离层和对流层，闪烁将造成电波衰落。

4.4.4卫星通信常用的分集接收方式为了卫星通信的可靠性，克服上述各种因素造成的损耗和衰落，仅靠预留功率损耗余量是不够的，还应采用分集技术才能得到好的效果。

卫星通信常用地球站的站址分集接收方式，即相隔一定的距离（例如几公里）设两个地球站，同时接收卫星发来的信号所进行的分集。

这是因为对电波损耗最大的大雨及暴雨，其雨区范围往往只有几公里区域，两个地点同时降大雨或暴雨的可能性较小，从而达到了分集接收的目的。

4.4.5卫星通信中的多谱勒效应当以一定速率运动的物体，例如飞机发出了一个载波频率f1，地面上的固定接收点收到的载波频率就不会是f1，并产生了一个频移fd。

物体运动的速率v不同，产生频移大小的程度也不同，通常把这种现象称为多谱勒效应。

其频移大小表示为：式中：

λ为接收信号载频的波长；

θ为电波到达接收点时的入射角。

4.5抗衰落技术微波传播中的衰落现象给中继传输带来了不利的影响，所以，人们在研究电波传播统计规律的基础上提出了各种对付电波衰落的技术措施，即所谓的抗衰落技术。

4.5.1概述对抗衰落的技术措施可以从两个方面去考虑：一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，另一个方面是对己建成微波电路的衰落严重接力段的考虑。

对付平坦衰落，往往靠收信机中频放大器的AGC电路和采用备用波道倒换的办法。而对付频率选择性衰落就要用分集技术和自适应均衡技术了。

1．准备建