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电波传输概论

期末总复习

第1页在实际媒质中，电磁波空间传输应主要从以下三方面进行学习和研究：（１）电磁波传输环境（媒质）特征。主要包含媒质电学性质、空间结构与边界特征以及规则或随机时空改变。不均匀空间改变以及非平稳随机时间改变过程等复杂现象，是电磁波传输各种时、空、频域效应根源。（２）电磁波传输物理机制与传输模式。电磁波在各种特征媒质中传输机制可能包括吸收、折射、反射、散射、绕射、导引友好振以及多径干涉和多普勒(Doppler)频移效应等一系列物理过程。这些过程既取决于媒质特征，也与波特征亲密相关。电磁波传输情况，取决于电磁波特征参数与媒质特征参数及边界条件匹配。（３）信号媒质效应和传输特征。无线电信号在各种媒质传输过程中，可能遭受衰减、衰落、极化偏移和时、频域畸变等效应，并所以而含有复杂时空改变特征。一些媒质效应对信息传输质量和可靠性会产生严重影响。但在有些情况下，媒质效应也被用以作为信息传输支撑。2电磁波传输过程就是电磁波与媒质相互作用物理过程。第2页3麦克斯韦方程组汇总积分形式：微分形式：注意各式物理意义！第3页4各向同性：m和e是标量

各向异性：m和e是张量色散介质：m和e与频率相关非色散：m和e与频率无关本构关系第4页切向边界条件5法向边界条件界面处自由电荷面密度界面处传导电流密度边界条件第5页6假如是理想介质假如是理想导体表面呢？第6页7坡印亭定理功率和能量能量守恒积分形式定义为坡印亭矢量，表示功率流密度（W/m2）。第7页8其中：——流出面总功率——所储电能和磁能时间改变率——电流所供给功率第8页9时谐电磁场—麦克斯韦方程组第9页10时谐电磁场—边界条件时谐场边界条件与普通时变场边界条件相同，唯一区分是将其中瞬时场换成对应相量式，即法向边界条件切向边界条件第10页11时谐电磁场—功率和能量在一个时间周期内求平均，可得平均坡印亭矢量第11页12假设：线性、无耗、均匀、各向同性媒质波动方程第12页13第13页14第14页15无源区域第15页16时谐场波动方程第16页17第17页18无源区域第18页19电磁波波动方程矢量亥姆霍兹方程真空波动方程第19页20考虑有上式表明电场波动是横波，E能够在垂直于k任意方向上振荡。波动方程解—平面波由上式知B与E和k相互垂直，综合可知，平面波为TEM波。同时可知，B与E同相，振幅比为定义波阻抗Z为第20页21地面对电波传输影响主要表现为两个方面：地面不平坦性，当地面起伏不平程度相对于电波波长来说很小时，地面可近似看成是光滑地面。对于长波和中波传输，除高山外均可视地面为平坦。

地质情况，主要研究它电磁特征。地面能够被作为非磁性介质来对待，其导磁率与真空中相同，即相对磁导率μr=1。描述大地电磁特征主要参数是介电常数ε（或相对介电常数εr）和电导率σ。地面波传输环境第21页传导电流密度Js与位移电流密度JD之比。衡量标准

时，大地含有良导体性质;

时，可将大地视为电介质;而二者相差不大时，为半电介质。判断某种媒质是展现导电性还是介电性

第22页23在对流层中,普通温度随高度以6.5℃/km速率下降。在对流层顶(在中国境内,普通高度为11～13km)时,温度不再降低,普通到达大约－56℃恒定值。当然,有时会出现特殊情况,如在对流层局部高度范围内有时会出现温度随高度上升反常情况,这种现象称为温度逆增。另外,风、雨、雷、电等现象都发生在对流层内,所以对流层另一个主要特点就是含有大量水份,如水汽和降水(形式如雨、雾、雪、雹等)。水份主要出现在近地面数千米高度范围内,它们对电波传输有很大影响。对流层电波传输大气环境第23页大气温度与地理纬度、大气层高度和季节相关。平均说来,由地球赤道向两极方向,纬度每增加1度(相当于111km地面距离),地面气温降低1℃。高度每增加1km,气温下降6.5℃。地面气温在一年内改变可高达70~80℃,随地点不一样而不一样。在赤道附近,海洋性地域温差小。在高纬度地域，沙漠地域温差大。气温还有周日改变,尤其是在近地面大气层。与气压相比,低层大气中温度是改变比较大参量。引发气温改变原因有太阳热辐射引发热交换、热传导、对流、平流和绝热改变过程。第24页收发点TR连线上一点O，过O作垂直于TR平面S，S与经过TR垂直平面交PQ，在PQ上，取O1、O2……On点，使它们满足—LOS路径（视距路径）菲涅尔区、带、半径第25页满足上面第i个方程全部Oi点在TOiR平面上是个以T和R为焦点椭圆，将该椭圆以TR为轴旋转得到一个旋转椭球面，上式中每个方程都对应一个旋转椭球面。这些椭球面所包围空间区域称为第i菲涅尔区。相邻菲涅尔区之间相位差为180度（l/2波程差）。O1、O2、……、On在旋转过程中形成对应圆周，Oi-1与Oi之间圆环称为第i菲涅尔带。第一菲涅尔带是一个以OO1为半径圆面。令Fi=OOi，Fi为第i带外半径，称为第i菲涅尔半径第26页设，则将其代入得第一菲涅尔半径距离越长，波长越短，菲涅尔半径就越小，而且菲涅尔半径在收发中点处（d1=d2）取最大值。

第27页波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应第一菲涅尔椭球越细长。对于波长非常短光学波段，椭球体愈加细长，因而产生了光学中研究过纯粹射线传输。第一菲涅尔椭球为电波传输主要通道因为电波传输主要通道并不是一条直线，所以即使某凸出物并没有挡住收、发两点间几何射线，不过已进入了第一菲涅尔椭球，此时接收点场强已经受到影响，该收、发两点之间不能视为自由空间传输。而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球，即电波传输主要通道，此时才能够认为该收、发两点之间被视为自由空间传输。第28页即使在地面上障碍物遮住收、发两点间几何射线情况下，因为电波传输主要通道未被全部遮挡住，所以接收点依然能够收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上障碍物高度一定情况下，波长越长，电波传输主要通道横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点场强就越大，所以频率越低，绕射能力越强。第29页自由空间传输损耗是指：当发射天线和接收天线方向系数都为1时，发射天线辐射功率Pr与接收天线最正确接收功率PL比值，记为L0，即或自由空间传输损耗第30页D=1无方向性发射天线产生功率密度为D=1无方向性接收天线有效接收面积为所以该接收天线接收功率为第31页于是自由空间传输损耗为或第32页自由空间基本传输损耗L0仅与频率f和距离r相关。当f

和r扩大一倍时，L0均增加6dB。第33页设点源发射天线辐射功率为Pt，则距离发射天线ｄ处接收天线处能流密度S为考虑到发射天线增益Gt使接收点能流密度增大效果后，实际上接收点能流密度为自由空间接收场强第34页另外，平均能流密度又可表示为对比能够得到接收点场强为第35页36衰减因子A：接收点实际场强E与自由空间场强E0之比。或实际接收点场强E为：衰减因子A是与工作频率、传输距离、媒质参数、地貌地物情况、传输方式等原因相关量，所以衰减因子对电波传输研究是一个很主要参数。传输损耗（衰减）第36页37实际能流密度S接收功率Pr信道传输损耗L：发射天线输入功率Pt与接收天线输出功率Pr（匹配情况时）之比如用分贝表示，则有第37页38假如不考虑设备影响，只考虑信道（传输媒质）中功率传输情况，则称为“路径传输损耗”或称为“基本传输损耗”因为衰减因子A随不一样传输方式、不一样传输情况而不一样，所以，计算衰减因子A时应结合不一样传输方式进行。第38页信号电平随时间起伏改变现象衰落现象依据衰落成因不一样能够分为：吸收型衰落和干涉型衰落吸收型衰落:因为媒质电参数改变，使信号衰减发生了改变，周期普通较长，为慢衰落。干涉型衰落:因为信号传输多经效应造成信号干涉加强或者减弱，在移动通信中更为强烈，普通改变强烈，称为快衰落。第39页40波前倾斜现象是指因为地面损耗造成电场向传输方向倾斜一个现象，地面波传输主要特点之一。(a)电场方向(b)坡印廷矢量方向波前倾斜现象第40页波前倾斜现象解释1设直立天线沿x轴放置，辐射垂直极化波，电波能量沿z轴传输，辐射场为Ex1和Hy1。当某瞬间Ex1位于A点，在地面上必定会产生感应电荷。当波向前传输时，便产生了沿z方向感应电流。因为大地是半导电媒质，有一定地电阻，故在z轴方向产生电压降，也即在z方向产生新水平分量Ez2。因为边界电场切向分量连续，即存在Ez1，这么靠近地面合电场E1就向传输方向倾斜。第41页波前倾斜现象解释2从能量角度看，因为地面是半导电媒质，电波沿地面传输时产生衰减，这就意味着有一部分电磁能量由空气层进入大地内。坡印亭矢量方向不再平行于地面而发生倾斜，出现了垂直于地面向地下传输功率流密度Sx1，这一部分电磁能量被大地吸收。由电磁理论知道，坡印亭矢量是与等相面即波前垂直，故当存在地面吸收时，在地面附近波前将向传输方向倾斜。显然，地面吸收越大，Sx1越大，倾斜将越严重。只有沿地面传输Sz1分量才是有用。第42页地面波传输采取垂直极化波，天线则多采取直立天线。波前倾斜现象含有很大实用意义。能够采取对应形式天线，有效地接收各场强分量。地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量地面波传输特征讨论第43页地面上电场为狭长椭圆极化波。在短波、超短波段，垂直分量与水平分量相位差趋于零，所以可近似认为电场是与椭圆长轴方向一致线极化波。第44页地面波在传输过程中有衰减。沿-x方向传输功率流密度电波传输损耗频率越低，地面对电波吸收越小。所以地面波传输方式尤其适合用于长波、超长波波段。第45页无线电波绕过传输道路上障碍物现象称为绕射。从电磁学基础知识可知,无线电波绕射现象只有当障碍物大小与波长靠近时才显著。突出地形和建筑物等障碍,可能从下方靠近甚至遮蔽发射与接收天线间直接射线,此时无线电波会以绕射方式越过障碍进行传输,从而经受相对于自由空间附加衰减,即障碍绕射衰减。光滑球面地上无线电波绕射普通分为刃形障碍绕射和圆形障碍绕射。障碍影响与电波绕射第46页——球面分层大气斯奈尔定律假如球面半径为无限大,也即球面退化成平面,此时有平面分层情况下折射公式,即球面大气中斯奈尔定律第47页大气折射指数梯度决定了射线弯曲程度。所以,可按射线曲率半径和与地球半径比值大小对折射进行分类。当ρr/a=1时,射线平行于地面,称为临界折射当ρr/a＜1时,射线弯向地面,再经地面反射,可传到很远地方,称为超折射;大气折射各种形式在标准大气情况下,ρr/a=4,称为标准折射;射线在标准折射和临界折射之间,称为过折射;当dn/dh=0时,ρr≈∞,射线不弯曲;射线在直线和标准射线之间称为次折射;当dn/dh＞0,ρr/a＜0时,射线向上凹,称为负折射。第48页假如某一区段折射率梯度远远偏离正常值，刚称这一区段为层结。在电波传输研究中，尤其关心大气折射率梯度负得很厉害层结，即超折射率层或波导层。所谓大气波导是在低层大气中能使无线电波在某一高度上，出现全反射大气层结。大气波导第49页——以折射率梯度表示波导传输条件形成大气波导传输气象条件——以M指数梯度表示波导传输条件——以温度梯度、湿度梯度表示波导传输条件第50页温度逆增和湿度随高度猛烈逆降都会形成大气波导。与之相对应大气过程能够分为四类：空气对流、下沉、地面辐射冷却和蒸发。(1)对流过程:对流分以下几个情况：干热空气流向湿冷表面。如：当沙漠地域来干热空气流过冷湿海面时，贴近地面空气将热量传给了海平面使本身温度有所下降，而较高高度上空气依然保持干热状态；另首先，海面因为受热而蒸发，水汽进入贴近海面空气层。形成高地面较高空气温度高且湿度小，而测控海面却相反，于是温度逆增层和湿层同时存在，形成大气波导。来自水面湿冷空气吹向干热陆地。此时贴近陆地空气中显然会出现湿层和温度逆增层，因为在较高高度上空气是干热。第51页干冷空气吹向热湿表面。此时表面蒸发将水汽带入干冷空气中，形成梯度很大湿层，假如湿度随高度递降得足以抵偿温度随高度下降影响，也会产生大气波导。(2)下沉过程:下沉是在高压条件下空气下降。因为下降时绝热压缩使空气加热,形成稳定逆温层。同时因为下降空气干燥、形成稳定层,阻止下层湿空气上升,故同时形成大水汽压梯度。当温度梯度以及水汽压梯度满足要求时,则形成下沉波导。下沉波导普通为悬空波导,厚度普通为几百米。第52页(3)辐射过程:白天被晒热地面对大气加热,夜间地面辐射降温并使低层大气降温,因而形成逆温层。当温度梯度满足要求时,会形成辐射波导。辐射波导为表面波导,在夜间陆地上出现,在高纬度地域出现机会多于中纬度地域与低纬度地域。(4)蒸发过程:海面与潮湿地面水汽蒸发可使各种逆温层下面水汽增加,因而逆温层中水汽压梯度增大,有利于形成波导。在海面上蒸发很快,且水汽分子随高度增加而很快扩散。当水汽梯度满足要求时,则形成蒸发波导。蒸发波导是海面上表面波导,波导厚度很薄普通在40m以内。第53页将全国波导出现基本情况概括为四大波导频繁区和四大无波导区。波导频繁区是波导年出现概率高于5%地域,主要有:(1)以香港为代表南部沿海地域。(2)以台湾省为代表东南沿海地域(这里波导出现最频繁,靠近30%)。(3)以上海为代表东部沿海地域。(4)以哈密为代表西北地域。我国陆上低空大气波导环境特征第54页无波导区是波导年出现概率低于1%地域，主要有:(1)青藏高原、四川盆地和云贵高原。(2)天山以北地域。(3)黄土高原及内蒙古高原(4)东北平原。另外，以郑州为代表黄河中下游地域和以武汉为代表长江中下游地域波导也有较多出现；处于长江黄河之间大别山区及长江以南南岭山区是无波导区。第55页56在讨论平地面空间波计算时，常作以下假设：(1)电波传输距离在视线范围内，且地面可看成平面。(2)收、发天线架设较高，即hr>>λ，hs>>λ，此时表面波影响能够忽略不计；同时天线高度远小于通信距离，即hr、hs<<d。(3)两天线本身尺寸远比它们离地高度小，此时天线能够看成点源来考虑。(4)直射波和地面反射波在空间以直线传输，且假定空间没有吸收损耗，则接收天线处场强能够简单地看成直接波与反射波场强矢量和。平地面上空间波场强计算第56页57在上述假设下，有：(1)因为天线高度远小于通信距离，此时反射线仰角很小，则反射波反射系数都等于-1，即反射过程中吸收损耗能够忽略，而只有π相移。(2)此是直射波和反射行程差也很小，行程差引发场强振幅差异能够忽略。(3)不过旅程差引发相位差异很大，不能够忽略。即直射波与反射波含有相同场强振幅和不一样相位差。第57页58接收点R场强应为直接波（DirectWave）与地面反射波（GroundReflectedWave）叠加。在传输路径远大于天线架高情况下，两路波在R处场强视为相同极化。在实际问题中，假如沿r1路径在R处产生场强振幅为E1，沿r2路径在R处产生场强振幅为E2，在忽略方向系数差异，忽略强度上差异后，R处总场强为第58页59考虑到反射系数约等于-1，可得合成场振幅模值为其中为旅程差造成相位差。第59页60讨论：1）电场强度E与旅程差φ关系φ=0时，E/E1=0,E=0φ=60时，E/E1=1,E=E1φ由60增大到180，E/E1由1增大到2，E由E1增大至2E1φ由180增大到300，E/E1由2减小到1，E由2E1减小至E1φ增大到360，E/E1=0,E=0电场强度比值E/E1随φ增加成振荡形式改变。第60页612）电场强度E与d关系φ=0时，d→∞,在离发射天线很远地方，辐射场强E=0φ=60时，,E=E1Φ>60,即

时，E能够在0和2E1之间作振荡改变。在选择距离时，应选在最大峰值点。然而实际上，因为天气条件改变，使电波旅程改变，常使Δr有起伏改变，从而引发衰落。E时大时小，信号不稳定。所以这种由反射波引发偶然加强并不能带来良好效果，应尽力设法减弱反射波作用。如增加天线方向性系数、减小反射波、适当选择地形等。第61页62气体分子吸收或辐射：在电磁波作用下,气体分子从一个能级状态跃迁至另一个能级状态时气体分子便吸收或辐射能量。莱比(Liebe)把频率1THz以上谱线贡献归结为一个连续边翼贡献。提出大气三要素(温度、压力和湿度)表示大气吸收谱线参数经验公式。分子光谱从气体分子吸收频谱来看,存在着三种能级跃迁类型:第一个是气体分子电子能级从一个状态跃迁到另一个状态。电子能级跃迁吸收或辐射频率为2.4×1015～2.4×1016Hz,属于可见光和紫外光。气体分子吸收和辐射理论第62页第二种是气体分子振动能级从一个状态跃迁到另一个状态。吸收或辐射频率为2.4×1014~2.4×1015Hz,属于红外光。第三种是分子转动能级从一个状态跃迁到另一个状态，纯转动能级跃迁能量差很小吸收或辐射频率为2.4×1010～2.4×1012Hz,恰好属于毫米波讨论范围。研究表明,在频率1THz以下有30条水汽分子谱线和48条氧气分子吸收谱线。第63页经高空电离层反射后抵达接收点传输方式长、中、短波都可利用天波进行通信传输损耗小，因而能够利用较小功率进行远距离通信因为电离层是一个随机、色散、各向异性媒质，电波在其中传输时会产生各种效应，比如多径传输、多普勒频移等都会对传输信号尤其是短波信号有较大影响天波传输第64页Nn——反射点电子密度。电波能从电离返回地面时，电波频率f、入射角θ0和反射点电子密度N