电波传播理论（徐立勤）db-3

电波传播理论徐立勤编著|通信工程专业核心课程Contents课程目录电波传播理论的系统性学习框架，涵盖基础理论至工程应用的核心知识模块。01电波传播基础理论02自由空间电波传播03地面波传播特性04对流层与电离层传播05地面固定业务衰落预测06移动通信衰落预测模型07导行电磁波与传输线Chapter01电波传播基础理论电磁波传播的基本概念与分类FUNDAMENTALS电磁波的基本概念电磁波是由时变电场和磁场相互耦合激发形成的横波，其传播遵循麦克斯韦方程组。电磁波谱无线电波·10⁴Hz微波·10¹⁰Hz红外·10¹³Hz可见光·10¹⁴Hz紫外·10¹⁶HzX射线·10¹⁸Hz伽马射线·10²⁰Hz电磁波谱·从无线电波到伽马射线的完整频段分布01麦克斯韦方程组完整描述电磁场规律，由四个偏微分方程组成，预言电磁波存在并揭示光本质02电磁波谱涵盖无线电波、微波、红外、可见光、紫外、X射线和伽马射线，频率从几Hz到10²⁰Hz以上03电磁波极化分为线极化、圆极化和椭圆极化，极化状态影响天线匹配和信号接收效率04坡印廷矢量S=E×H描述电磁波能量流动方向和功率密度，单位为W/m²WavePropagation电波传播方式分类根据传播路径与介质特性的不同，电波传播可分为地波、天波、空间波和散射传播四大类，实际通信中往往多种机制共同作用。01地波传播沿地球表面绕射前进，主要适用于中长波波段，传播距离远但衰减较大，常用于广播和导航中长波·绕射02天波传播依靠电离层对电波的反射实现超视距通信，主要应用于短波通信，受太阳活动影响显著短波·电离层反射03空间波传播包括直射波和地面反射波，是微波、卫星通信和移动通信的主要传播机制，传播距离受限于视距微波·视距传播04散射传播利用对流层或电离层的不均匀性产生散射信号，可实现超视距通信但信号较弱，需要高增益天线超视距·散射电波传播方式示意：地波、天波、空间波与散射波路径对比ELECTROMAGNETICPROPAGATION传播介质特性电磁波传播介质的特性由介电常数ε、磁导率μ和电导率σ三个参数描述。不同介质对电磁波的衰减、相移和极化影响各异。地球大气层作为天然传播介质，其折射率随高度、温度、湿度变化而呈现复杂的时空分布，直接影响电波传播路径和信号质量。地球大气层分层结构示意图01介电常数ε反映介质储存电能的能力，真空ε₀≈8.85×10⁻¹²F/m，相对介电常数εr=ε/ε₀02电导率σ决定介质对电磁波的衰减程度，导体σ>10⁴S/m，绝缘体σ<10⁻¹⁰S/m03大气折射率n随高度递减，标准大气条件下n≈1.000326，导致电波传播路径向地面弯曲04电离层电子密度Ne随高度变化，形成D、E、F1、F2多个分层，对短波通信起关键反射作用Chapter02自由空间电波传播理想传播模型与弗里斯传输公式WirelessPropagation自由空间传播损耗自由空间传播损耗Ls是电波在理想无损耗均匀介质中传播时的固有衰减，仅由能量扩散引起。弗里斯传输公式Pr=PtGtGr(λ/4πd)²定量描述了接收功率与各参数的关系，是无线通信链路预算的基础。01弗里斯传输公式：Pr=PtGtGr(λ/4πd)²，其中Pt为发射功率，Gt、Gr为收发天线增益，d为传播距离02自由空间传播损耗：Ls=(4πd/λ)²，以dB表示为Ls(dB)=20lgd+20lgf+32.4403衰减规律：传播损耗与距离平方成正比，每增加一倍距离损耗增加6dB，与频率平方成正比04有效全向辐射功率EIRP=PtGt，表征发射系统向特定方向的等效辐射能力WirelessFundamentals天线增益与链路预算天线增益反映了天线将能量集中辐射到特定方向的能力，是影响通信链路性能的关键参数。通过合理的链路预算设计，可以确保接收端信号强度满足通信质量要求。01天线增益G=4πAe/λ²，其中Ae为天线有效孔径，同一天线工作频率越高增益越大02分贝毫瓦dBm是以1mW为参考的功率单位，P(dBm)=10lg(P/1mW)，便于链路计算03链路预算方程：Pr=Pt+Gt+Gr−Ls−Lother（dBm），各项均以dB为单位04衰落余量M是设计预留的额外功率储备，用于对抗实际环境中的随机衰落，典型值10–30dB通信基站天线阵列设备CHAPTER03地面波传播特性地波传播机制与场强计算方法WAVEPROPAGATION地面波传播特性地面波沿地球表面传播，场强衰减由地面感应电流能量损耗和波前扩散共同决定，不受昼夜和季节变化影响，是中长波广播和导航系统的主要传播方式。中波广播发射天线设施01地波传播主要适用于3MHz以下频段，频率越高衰减越快，超短波以上基本无法使用地波传播02地面电参数包括电导率σ和相对介电常数εr，海水σ≈4S/m远大于陆地σ≈0.01S/m03索末菲衰减因子A描述地波相对于自由空间的附加衰减，是距离、频率和地面参数的复杂函数04地波传播稳定不受电离层变化影响，适用于广播、导航和授时等需要高可靠性的业务GroundWavePropagation地波场强计算地波场强计算需要综合考虑发射功率、天线效率、传播距离和地面电参数等因素。工程实践中广泛采用地波传播曲线进行场强预测，这些曲线基于索末菲理论和大量实测数据编制，是中长波广播覆盖规划、导航台站布局等工程设计的核心工具。01基本场强公式E₀=300√(PtG)/d（mV/m），其中Pt单位为kW，d单位为km，G为天线增益E₀02实际场强衰减E=E₀·A，衰减因子A≤1，是归一化距离和地面电参数的函数A≤103归一化距离p=πd/(λ·x)，其中x是表征地面损耗的无量纲参数，与频率和地面电导率相关p04工程查算方法工程上使用ITU-R推荐的地波传播曲线，按频率和地面类型（海水、湿地、干燥土壤等）分别查算ITU-RCHAPTER04对流层与电离层传播大气层对电波传播的影响机制TroposphericScatter对流层散射传播对流层散射传播是利用大气层中折射率不均匀体对电磁波的散射作用实现超视距通信的方式。散射信号强度受气象条件、地形和传播距离影响，具有明显的慢衰落特性。对流层散射通信系统需要高发射功率和大口径天线，但其抗毁性和保密性使其在军事通信中具有重要价值。01工作在UHF和SHF频段（0.3–10GHz），通信距离300–500km，超过视距2–3倍300–500km02散射损耗Ls=57+30lgf+10lgd+20lgθ，其中f为GHz，d为km，θ为散射角（毫弧度）03散射信号服从瑞利分布的快衰落叠加对数正态分布的慢衰落，需采用分集接收技术改善分集接收04典型配置：发射功率1–10kW，天线口径3–12m，四重分集接收，传输速率可达数Mbps1–10kW对流层散射通信大型抛物面天线设施IonosphericStructure电离层分层结构电离层是地球大气中受太阳辐射电离形成的等离子体区域，高度范围60–1000公里。按电子密度分布呈现明显的分层结构，各层特性随昼夜、季节和太阳活动周期变化。D60–90km白天存在、夜间消失，对中波有强吸收作用，是短波传播的主要损耗源。E90–140km临界频率约3MHz，可反射低频短波，偶发Es层可反射VHF信号。F1140–200km夏季白天明显，与F2层合并后形成统一的F层。F2200–400km电子密度最高，临界频率5–15MHz，是短波远距离通信的主要反射层。IonosphericPropagation电离层反射与临界频率电离层对电波的反射机制是基于等离子体中折射率随电子密度变化的渐变过程。临界频率f₀和最高可用频率MUF是短波频率选择的两个关键参数。实际工作中通常选择最佳工作频率FOT≈0.85MUF，既能保证可靠反射，又能减少多径干扰和吸收损耗。01电离层折射率n=√(1−81Ne/f²)，当n=0时电波全反射，对应临界频率f₀=9√Nm（MHz）。该公式描述了电波在等离子体介质中的传播特性，是短波通信频率选择的基础理论依据。f₀=9√Nm02垂直入射临界频率f₀是电离层反射能力的直接度量，F2层f₀F2通常在5−15MHz范围。该参数随太阳活动周期、昼夜变化和地理位置而动态波动，需要实时监测以优化通信效果。5–15MHz03斜入射最高可用频率MUF=f₀·secφ₀，φ₀为电波在电离层底面的入射角。斜向传播时由于路径更长、等效电子密度更高，MUF显著高于垂直入射的临界频率，支持更远距离的通信链路。MUF=f₀·secφ₀04最佳工作频率FOT≈0.85MUF，留出15%余量以应对电离层短期波动，确保通信可靠性。该经验系数综合考虑了电离层的不规则变化、多普勒频移及吸收损耗等因素。FOT≈0.85MUFIONOSPHERICSCINTILLATION电离层闪烁衰落电离层闪烁是由电离层中电子密度不规则体引起的信号幅度和相位的快速随机起伏现象。闪烁在地磁赤道和极区最为严重，对卫星通信、导航定位和遥感系统造成显著影响。在10GHz以下频段，必须考虑电离层闪烁对系统性能的恶化，并在链路预算中预留足够的衰落余量。01电离层闪烁在地磁赤道地区最为严重，极区次之，中纬度地区最弱，与地磁活动密切相关赤道·极区02强闪烁幅度服从瑞利分布，弱闪烁服从正态分布，闪烁指数S₄是衡量闪烁强度的关键参数S₄指数03闪烁强度随频率增加而减弱，10GHz以下频段需要重点考虑，L波段（1-2GHz）受影响最显著L波段04Nakagami-m分布常用于描述闪烁衰落统计特性，衰落深度与电离层TEC起伏和几何路径相关Nakagami-m卫星通信地面站天线设施CHAPTER05地面固定业务衰落预测多径衰落机制与预测模型SignalPropagation固定通信衰落产生机制地面固定业务中的信号衰落由多径传播和大气折射率随机变化共同引起。直接射线与多条反射、散射射线的干涉合成导致接收信号幅度波动，而大气层结的不稳定性使得多径结构随时间变化，产生深度衰落。01直接原因：多径传播直接射线、大气层结反射射线与地面地物反射等多条射线的干涉合成，形成多径传播结构02本质原因：介质折射率随机变化传播介质（大气）折射指数的随机变化，大气不稳定导致多径结构和信号幅度随时间变化03深度衰落影响通信质量深衰落发生时接收信号大幅下降，严重影响通信质量，需要预留足够的衰落余量30-40dB04衰落预测核心关系计算衰落深度F与超过该深度的时间百分数p之间的关系，是保障固定无线链路可靠性的关键F(p)PropagationModel衰落深度预测公式衰落深度预测模型建立了衰落深度F与超过该深度的时间百分数p之间的定量关系，引入地理气候因子、路径倾斜度、擦地角等参数，是固定无线链路工程设计的重要依据。01深衰落概率分布G(>F)=10−F/10，反映深衰落事件的概率分布特性02深衰落时间百分数G'=K·dA·fB·(1+|εp|)C·10−DF/1003地理气候因子K与当地地形、气候条件相关，不同地区的K值差异可达数个数量级04参数统计拟合基于全球大量实测数据统计拟合，反映不同地形和气候条件对衰落特性的影响TypicalParamsA=3.3B=0.93C=−1.1D=−1.2MICROWAVELINK·FADINGANALYSIS反射电路衰落深度预测反射电路是指存在明显地面反射路径的微波接力线路，常见于平原、海面等平坦地形。准确的衰落预测是保障微波接力链路可用性指标的基础。计算步骤01确定地理气候因子K，根据链路所处地区的气候类型和地形特征查表获得02计算路径倾斜度εp，考虑收发天线高度差和地球曲率对传播路径的影响03计算与4/3等效地球半径模型相应的平均擦地角，反映反射点处的几何关系04代入衰落深度公式，计算指定时间百分数p对应的衰落深度F(p)关键公式衰落深度F(p)=10lg[K·d3.3·f0.93·(1+|εp|)−1.1]−10lgp(dB)时间百分数p=K·d3.3·f0.93·(1+|εp|)−1.1·10−F(p)/10等效地球半径采用4/3等效地球半径模型，ae=8495km，考虑标准大气折射PropagationModel无地反射电路衰落预测无地反射电路适用于粗糙地形、城市市区等反射线被地形地物阻挡的场景。衰落主要由大气层结变化和散射多径引起，路径长度指数和频率指数的变化反映了不同衰落机制对传播参数的依赖关系。Scenario适用于粗糙地形、城市市区、反射线被地形地物阻挡，地面反射可以忽略的电路FadingDepthF(p)=10lg[Kd2.6·f0.93·(1+|εp|)−1.4]−10lgpdBTimePercentagep=Kd2.6·f0.93·(1+|εp|)−1.4·10−F(p)/10KeyDifference与反射电路相比，路径长度指数从3.3降为2.6，反映衰落对距离的依赖减弱城市楼顶微波接力通信天线设备实拍CHAPTER06移动通信衰落预测模型移动无线信道特性与场强预测PROPAGATION移动通信电波传播特点移动通信中信道环境复杂多变，信号衰落分为瑞利快衰落与对数正态慢衰落两类，多普勒效应与多径延迟扩展是其特有挑战城市环境中的移动通信基站铁塔设施多径散射环境：移动台天线约3m，低于建筑物，接收信号由直射波、反射波和绕射波叠加天线高度≈3m快衰落：由多径干涉引起，信号幅度服从瑞利分布，衰落速率与移动速度成正比Rayleigh分布慢衰落：由地形地物遮挡引起，信号中值服从对数正态分布，标准差6–12dBσ=6–12dB多普勒效应：信号频移fd=v·f/c，高速移动时频移显著，影响相干解调与系统性能fd=v·f/cShort-TermFading短期衰落与瑞利分布短期衰落由多径信号干涉引起快速幅度波动，无主导直射路径时服从瑞利分布，存在较强直射路径时服从莱斯分布。CAUSES短期衰落成因散射体运动—移动台静止时，周围车辆等散射体运动导致多径结构持续变化移动台穿越驻波场—移动台运动穿越驻波场引起接收信号幅度起伏多径信号干涉—N个反射波相位叠加导致建设性或破坏性干涉DISTRIBUTIONS衰落统计分布瑞利分布—无直射路径时信号包络分布，概率密度p(r)=(r/σ²)exp(−r²/2σ²)莱斯分布—存在直射路径时的包络分布，K因子反映直射与散射功率比衰落深度—瑞利衰落信号低于中值10dB概率约24%，深衰落严重影响通信WIRELESSPLANNING移动通信场强预测模型移动通信场强预测模型是基于大量实测数据统计建立的经验或半经验公式，选择合适的预测模型直接影响基站布局与覆盖规划的准确性。Okumura-Hata模型L=69.55+26.16lgf−13.82lght−a(hm)+(44.9−6.55lght)lgd，基于大量实测数据建立的经典经验公式150–1500MHzCOST231-Hata模型在Hata模型基础上增加3dB修正项，将适用频段向高频方向扩展至PCS/UMTS频段1500–2000MHzWalfisch-Ikegami模型综合考虑建筑物高度和街道宽度对信号传播的影响，适用于密集城区微蜂窝场景DENSEURBAN模型选择原则宏蜂窝场景优先选用Hata系列模型，微蜂窝场景采用WI模型，室内覆盖采用ITU-R室内传播模型SCENARIO-DRIVENPROPAGATIONMODELS传播模型对比不同的移动通信传播模型适用于不同的频段、场景和小区类型。Okumura-Hata模型是宏蜂窝规划的基础模型，COST231-Hata将其扩展到2GHz频段，Walfisch-Ikegami模型适用于密集城区的微蜂窝场景，射线追踪模型精度最高但计算复杂。模型名称适用频段适用场景主要特点Okumura-Hata150–1500MHz宏蜂窝（城市/郊区/开阔地）经验模型，计算简单，精度中等COST231-Hata1500–2000MHz宏蜂窝（城市/郊区）Hata扩展模型，适用于2G/3G频段Walfisch-Ikegami800–2000MHz密集城区微蜂窝考虑建筑物参数，精度较高射线追踪任意频段复杂城区/室内确定性模型，精度高，计算复杂ITU-R室内模型800–5000MHz室内环境考虑楼层衰减和墙体损耗传播模型选择需综合考虑频段、场景和精度要求CHAPTER07导行电磁波与传输线波导与传输线中的电磁波传播TRANSMISSIONLINETHEORY传输线基本理论传输线是引导电磁波能量定向传输的导波结构，其特性用分布参数模型描述。特性阻抗Z₀和传播常数γ是传输线的两个基本参数，决定了电磁波在传输线中的传播特性。阻抗匹配是传输线应用中的核心问题，匹配状态下无反射、传输效率最高，是射频和微波系统设计的基本要求。分布参数模型：单位长度电阻R、电感L、电导G、电容C，满足Telegrapher方程TELEGRAPHER特性阻抗：Z₀=√((R+jωL)/(G+jωC))，无耗线简化为Z₀=√(L/C)，典型值50Ω或75Ω50Ω/75Ω传播常数：γ=α+jβ，α为衰减常数（Np/m），β为相位常数（rad/m），决定波的衰减和相移γ=α+jβ反射与匹配：Γ=(ZL-Z₀)/(ZL+Z₀)，匹配时Γ=0，全反射时|Γ|=1，驻波比VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)VSWR射频同轴电缆与连接器ElectromagneticTheory波导中的导行电磁波金属波导是微波频段广泛使用的导波结构