微波传输.ppt
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1、1.电波与自由空间的概念电波与自由空间的概念 微波是一种电磁波,微波射频为微波是一种电磁波,微波射频为300300103MHz,是全部电磁波频谱的一个有限频,是全部电磁波频谱的一个有限频段。段。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分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,记作量的,故称为横电磁波,记作TEM波。有时我们波。有时我们把这种电磁波简称为电波。把这种电磁波简称为电波。4.1 自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.自由空间传播损耗自由空间传播损耗 在自由空间传播的电磁波不产生反射、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,总折射、吸收和散
2、射等现象,也就是说,总能量并没有被损耗掉。能量并没有被损耗掉。3.自由空间传播条件下收信电平的自由空间传播条件下收信电平的计算计算微波通信中实际使用的天线均为有方向性天线,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当收发天线增益分别为Gr(dB),Gt(dB);收);收发两端馈线系统损耗分别为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收发两端分路系统损耗分别为Lbr(dB),Lbt(dB)时,则在自由空间传播条件下,接收机的)时,则在自由空间传播条件下,接收机的输入电平为输入电平为Pr(dBm)Pt(dBm)+(Gt+Gr)(Lf
3、tLfr)()(LbtLbr)Ls 【例例4-1】已知发信功率已知发信功率Pt=1W,工作频率,工作频率f=3800MHz,两站相距,两站相距45km,GtGr39dB,LftLfr2 dB,LbtLbr1 dB。求:在自由空。求:在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。解解 由已知条件站距由已知条件站距d45km,工作频率,工作频率f=3800MHz,由公式(,由公式(4-4),可求得),可求得 Ls(dB)=32.4+20lg 45+20lg 3800137 dB将将Pt=1W换算成电平值:换算成电平值:Pt=10lg1000mW30 dBm
4、4.2 地面反射对电波传播的影响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。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。主要影响有反射、绕射和地面散射。4.2.1 费涅耳区的概念费涅耳区的概念1.惠更斯惠更斯费涅耳原理费涅耳原理 惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想:光和电磁波都是一种振动,振动源周基本思想: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
5、,而成为在传递给邻近的质点,并依次向外扩展,而成为在媒质中传播的波。媒质中传播的波。2.费涅耳区的概念费涅耳区的概念3.费涅耳区半径费涅耳区半径 我们把费涅耳区上一点我们把费涅耳区上一点P到到TR连线的连线的垂直距离称为费涅耳区半径,用垂直距离称为费涅耳区半径,用F表示。第表示。第一费涅耳区半径用一费涅耳区半径用F1表示。表示。4.收收信信点点场场强强与与各各费费涅涅耳耳区区参参量量的的关系关系 经分析可以知道,相邻费涅耳区在收信点经分析可以知道,相邻费涅耳区在收信点R产生的场强反相(相位相差产生的场强反相(相位相差180)。也就是说,)。也就是说,第二费涅耳区在第二费涅耳区在R点产生的场强与
6、第一费涅耳区点产生的场强与第一费涅耳区反相;第三费涅耳区在反相;第三费涅耳区在R点产生的场强与第二费点产生的场强与第二费涅耳区反相,但与第一费涅耳区同相。涅耳区反相,但与第一费涅耳区同相。4.2.2 地面反射对收信电平的影响地面反射对收信电平的影响1.平坦地形对电波的反射平坦地形对电波的反射 这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。下面所研究的环境己不再是自由空间,而影响。下面所研究的环境己不再是自由空间,而是在真实大气中地面对电波的反射。是在真实大气中地面对电波的反射。2.用用费费涅涅耳耳区区的的概概念念分分析析地地面面反射影响反射影响 当图当图4-
7、6中的投射角中的投射角很小时(这符合很小时(这符合实际情况),实际情况),接近接近180,可按,可按180计计算(角算(角TPR为为角)。角)。3.路径上刃形障碍物的阻挡损耗路径上刃形障碍物的阻挡损耗 在实际的微波线路中,有时会遇到传输路径在实际的微波线路中,有时会遇到传输路径上的刃形障碍物,如图上的刃形障碍物,如图4-8所示。这时,因为刃形所示。这时,因为刃形障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区,所以在收障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区,所以在收信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡,信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡,电波就能绕过刃形障碍物,使收信电平达到一定电波就能绕过刃形障碍物,使
8、收信电平达到一定的数值。的数值。图4-8 传输路径上的刃形障碍物【例例4-2】已已知知条条件件见见例例题题4-1,且且传传播播路路径径上上有有如如图图4-8所所示示的的刃刃形形障障碍碍物物,若若余余隙隙hc0,求求收收信信电电平。平。解解 (1)求求刃刃形形障障碍碍物物的的阻阻挡挡损损耗耗,由由hc0,查查图图4-9得得 VdB6dB (2)根根据据【例例4-1】得得出出的的结结果果,收收信信电电平平为为pr(dBm)=35dBm,故实际的收信电平为,故实际的收信电平为pr(dBm)=35dBm(6)41 dBm图4-9 刃形障碍物的阻挡损耗4.微波线路的分类微波线路的分类 视距微波通信常常根
9、据路径余隙视距微波通信常常根据路径余隙hc的大小将的大小将线路分为三类:线路分为三类:(1)hc h0称为开路线路;称为开路线路;(2)0 hc h0称为半开路线路;称为半开路线路;(3)hc 0称为闭路线路。称为闭路线路。对应于三种情况,衰落因子对应于三种情况,衰落因子V的计算方法:的计算方法:(1)对于开路线路,粗略估算时可用图)对于开路线路,粗略估算时可用图4-7;但因曲线族数量有限,作精确计算时使用式;但因曲线族数量有限,作精确计算时使用式(4-11)为宜。)为宜。(2)对刃形障碍物,)对刃形障碍物,V值可由图值可由图4-9所示的所示的曲线查出。曲线查出。(3)对于由较大高地、山岭等障
10、碍物造成)对于由较大高地、山岭等障碍物造成的半开路线路和闭路线路,衰落因子的半开路线路和闭路线路,衰落因子V应按绕射应按绕射公式求出(下节讲述),也可由图公式求出(下节讲述),也可由图4-7左半部所示左半部所示的曲线查出。的曲线查出。4.3 对流层对电波传播的影响对流层对电波传播的影响从地面算起,垂直向上,可把大气分为从地面算起,垂直向上,可把大气分为6层,层,依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。离导以及逸散层。对流层是指自地面向上大约对流层是指自地面向上大约10km范围的低范围的低空大气层。空大气层。对流层集中了整个大气质量的四
11、分之三。对流层集中了整个大气质量的四分之三。对对流流层层对对微微波波传传播播的的影影响响,主主要要表表现现在在以以下下几点。几点。(1)由由于于气气体体分分子子谐谐振振引引起起对对电电磁磁波波能能量量的吸收。的吸收。(2)由由雨雨、雾雾、雪雪引引起起对对电电磁磁波波能能量量的的吸吸收收。(3)由由于于气气象象因因素素等等影影响响,使使对对流流层层也也会会形形成成云云、雾雾之之类类的的“水水气气囊囊”,形形成成了了大大气气中中的的不均匀结构。不均匀结构。4.3.1 大气折射大气折射1.大气折射率大气折射率 我们知道,电波在自由空间的传播速度为我们知道,电波在自由空间的传播速度为 n值通常在值通常
12、在1.0到到1.00045之间,为了便于计算,之间,为了便于计算,有时用折射指数有时用折射指数N:N(n1)106 在在自自由由空空间间N0,在在地地球球表表面面N300左左右右。2.折射率梯度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、温度及湿度对大气折现了不同高度的大气压力、温度及湿度对大气折射的影响,表示为射的影响,表示为 。(1)0,n随高度的增加而增加,由式随高度的增加而增加,由式(4-13)看出,)看出,v与与n成反比。成反比。(2)0,v随高度的增加而增加,使电波随高度的增加而增加,使电波传播的轨迹向下弯曲
13、,如图传播的轨迹向下弯曲,如图4-10(b)所示。)所示。图4-10 大气折射对电波轨迹的影响3.等效地球半径等效地球半径 由上所述,由于大气的折射作用,使实际的由上所述,由于大气的折射作用,使实际的电波传播不是按直线进行,而是按曲线传播的。电波传播不是按直线进行,而是按曲线传播的。定义定义K为等效地球半径系数为等效地球半径系数K与折射率的关系为与折射率的关系为4.折射的分类折射的分类 我们可以根据电波受大气折射后的轨迹(因我们可以根据电波受大气折射后的轨迹(因K值不同而不同),将大气折射分为三类。值不同而不同),将大气折射分为三类。(1)无折射:当)无折射:当 0时,时,N不随大气的不随大气
14、的垂直高度而变化,由式(垂直高度而变化,由式(4-16)得,)得,K1或或aea。(2)负折射:当)负折射:当 0时,由图时,由图4-10(a)可见,上层空间的电波射线速度小,下)可见,上层空间的电波射线速度小,下层空间电波射线速度大,使电波传播轨迹向上弯层空间电波射线速度大,使电波传播轨迹向上弯曲。曲。(3)正折射:当)正折射:当 0时,由图时,由图4-10(b)可见,上层空间的电波射线速度大,下)可见,上层空间的电波射线速度大,下层空间电波射线速度小,使电波传播轨迹向下弯层空间电波射线速度小,使电波传播轨迹向下弯曲。曲。对所选天线高度应按下述标准检查。对所选天线高度应按下述标准检查。(1)
15、0.5,即地面反射系数较小的,即地面反射系数较小的线路。线路。(2)0.7,即地面有较强反射的线,即地面有较强反射的线路。路。4.3.2 大气折射引起的余隙变化大气折射引起的余隙变化1.地球的凸起高度地球的凸起高度 前面已经讨论过,当使用等效地球半径的概前面已经讨论过,当使用等效地球半径的概念后,虽然折射使电波射线弯曲,但我们仍可视念后,虽然折射使电波射线弯曲,但我们仍可视电波射线为直线,而认为地球半径有了变化,即电波射线为直线,而认为地球半径有了变化,即由实际半径由实际半径a变为等效半径变为等效半径ae。2.余隙的变化与选取余隙的变化与选取 设地球凸起高度的变化为设地球凸起高度的变化为he,
16、由图,由图4-13可见,可见,在数值上,余隙的变化就是地球凸起高度的变化在数值上,余隙的变化就是地球凸起高度的变化K1(正折射)时,等效的余隙(正折射)时,等效的余隙hce增大;增大;K1(负折射)时,等效的余隙(负折射)时,等效的余隙hce减小;减小;图4-13 折射引起余隙的变化4.3.3 复杂球形地面引起电波衰复杂球形地面引起电波衰落的计算落的计算1.路路径径中中地地势势最最高高点点为为反反射射点点时时VdB的计算的计算 如图如图4-14所示为复杂球形地面的地形剖图。所示为复杂球形地面的地形剖图。图4-14 复杂球形地面的剖面图【例例4-3】设微波通信频率为设微波通信频率为8GHz,站距
17、为,站距为50km,若路径为真实的光滑球形地面,求:,若路径为真实的光滑球形地面,求:(1)当不计及气象影响时()当不计及气象影响时(he=0),为保证),为保证h0的自由传播空间不受阻挡,收、发天线高度的自由传播空间不受阻挡,收、发天线高度Hmin为多少米(设收发天线等高)?为多少米(设收发天线等高)?(2)当)当K2/3时,即考虑气象条件对电波时,即考虑气象条件对电波传播影响,且要求传播影响,且要求hch0时,收、发信天线高度至时,收、发信天线高度至少应为多少米?少应为多少米?图4-15 【例4-3】的题图解解 (1)根根据据题题意意,所所给给地地形形为为光光滑滑球球面面,故故可可设设线线
18、路路中中点点为为地地球球凸凸起起高高度度最最高高点点和和反反射射点点,因设收、发天线等高(因设收、发天线等高(H1H2),可画出图),可画出图4-15。根根据据上上面面的的假假设设,d1d225km,自自由由空空间间余隙为余隙为 (2)考虑气象条件影响,考虑气象条件影响,K2/3时,地时,地球凸起高度为球凸起高度为讨论:本题是以保证自由空间余隙为讨论:本题是以保证自由空间余隙为前提的,当不考虑气象条件影响时,即前提的,当不考虑气象条件影响时,即he=0,当,当K=时,地球凸起高度为零,最时,地球凸起高度为零,最小天线高度将最矮;当小天线高度将最矮;当K2/3时,因地球时,因地球凸起高度增大,最
19、小天线高度将最高。凸起高度增大,最小天线高度将最高。2.平原地区反射点的确定及平原地区反射点的确定及VdB计算计算 当天线高度已经确定,路径基本属于平原地当天线高度已经确定,路径基本属于平原地形时,欲求出地面反射对电波传播的影响,首先形时,欲求出地面反射对电波传播的影响,首先应求出反射点。应求出反射点。3.余隙较小时绕射衰落的计算余隙较小时绕射衰落的计算 当当hc很小或为负值时,电路呈半开路很小或为负值时,电路呈半开路或闭路线路状态。或闭路线路状态。对绕射公式的理论推导相当麻烦,这对绕射公式的理论推导相当麻烦,这里只讲工程上对绕射衰落的近似计算方法,里只讲工程上对绕射衰落的近似计算方法,用下述
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