第七章__电波传播基础理论

1、第七章第七章 电波传播的基础理论电波传播的基础理论第一节第一节 概述概述一、研究电波传播特性的目的一、研究电波传播特性的目的 系统设计系统设计 收、发信设备指标收、发信设备指标 天线的性能天线的性能 天线的架设方式天线的架设方式 通信质量评定通信质量评定 不同通信业务之间相互干扰的预测和解不同通信业务之间相互干扰的预测和解决决二、影响电波传播特性的因素二、影响电波传播特性的因素 频率频率 距离距离 极化方式极化方式 天线高度天线高度 地形地物地形地物 地面电特性参数地面电特性参数 时间、季节时间、季节 三、三种电波传播的基本方式及其特点三、三种电波传播的基本方式及其特点电波利用电离层的折射、反

2、电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方射和散射作用进行传播的方式称为天波。式称为天波。 沿地球沿地球表面进表面进行传播行传播的电波的电波传播模传播模式称为式称为地表面地表面波。波。 在大气对流层中进行的在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间电波传播方式称为空间波。波。 各种电波传播方式的主要特点各种电波传播方式的主要特点 空间波：空间波：在传播过程中，电波会发生折射、反射、散射等现象。在微波通信中采用视距传播。天线架设在地面以上大于几个波长处。 地表面波地表面波：长波，中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面。 天波：天波：只有这种电波传播方式才能将电波传送到数千公里以外。短波

3、通信采用的就是这种传播方式。 四、固定无线通信的电波传播四、固定无线通信的电波传播 频率范围频率范围：301000MHz 点 点，点 面（随机分布的多点） 传播模式传播模式：空间波 主要业务主要业务：数传，无线寻呼，微波通信五、移动无线通信的电波传播五、移动无线通信的电波传播1. 定义定义 频率范围：特高频，超高频 基站台与移动台之间，移动台和移动台之间 传播模式：与移动体的类型有关 主要业务：GSM，CDMA等五、移动无线通信的电波传播五、移动无线通信的电波传播2. 分类分类陆地移动通信的电波传播海上移动通信的电波传播空中移动通信的电波传播卫星移动通信的电波传播1) 陆地移动通信的电波传播陆

4、地移动通信的电波传播 地面上的基站台与陆地（包括河、湖）上的移动台之间的电波传播 特点：多途径反射场强起伏大用现有的模型预测误差大 天线特点：架设高度很低（5m）2) 海上移动通信的电波传播海上移动通信的电波传播 地面上的基站台与海面上的移动台之间的电波传播 特点：海面反射造成衰落光滑球面模型超视距对流层散射理论 天线特点：架设高度较高（1050m）3) 空中移动通信的电波传播空中移动通信的电波传播 地面上的基站台与近地空间的航空器（包括飞机、飞船和气球等）上的移动台之间的电波传播 特点：近似自由空间因移动体速度快，因此需考虑场强中值的时变和空变特征4) 卫星移动通信的电波传播卫星移动通信的电

5、波传播 借助于对地静止的通信卫星来完成的地面（包括陆地、海面和空中）上的各移动台与地面上的基站台之间的电波传播 特点：近似自由空间传播不受地形、地物和距离的影响第二节第二节 电波传播的费涅尔区电波传播的费涅尔区一、一、 基尔霍夫积分基尔霍夫积分根据惠更斯根据惠更斯-费涅尔原理，有费涅尔原理，有dSnnMS41其中，其中， 为辅助函数，满足波动方程：为辅助函数，满足波动方程：022k解表示离开波源的波，即解表示离开波源的波，即jkrer1dSnndSnnMSS41410设设S由两部分构成：平面由两部分构成：平面S0和半球面和半球面S ，球心在，球心在S0面上，半球面的半径面上，半球面的半径为为r

6、 ，则，则M点的赫芝矢量为：点的赫芝矢量为：假设只有一个电流元位于假设只有一个电流元位于O点，电流元产生的赫芝矢量为：点，电流元产生的赫芝矢量为：jkejIljkejIljkjk1144S0S OMr r nS0S OMr r ncos4coscoscos, 1, 1jkjkrekIlrnrejkrnkkrr则足够大时，当0coscos4lim0coslimcoslimSrjkSrrjkrrdSekIldSnner而时，当dSnnMSS0410为无限大平面时，当 上式说明，在均匀无边界的介质内，观察点上式说明，在均匀无边界的介质内，观察点的场可以用无限平面的积分表示。该平面位于波的场可以用无限

7、平面的积分表示。该平面位于波源和观察点之间。源和观察点之间。令令2121rerejkrjkr其中，其中，r1：从观察点：从观察点M到观察点所在区域内任意一点到观察点所在区域内任意一点B的距离；的距离；r2：从观察点以：从观察点以S0面为对称的对称点面为对称的对称点M到到B点的距离。点的距离。当当B点位于点位于S0面时，面时， r1 = r2 =r 假设假设S0垂直于观察点垂直于观察点M与波源与波源O点的连线，且设一次波源点的连线，且设一次波源为电流元，其轴垂直于为电流元，其轴垂直于S0面，则面，则OM 0r0 rn S0jkejIl4cos11coskrrejkrerrenjkrjkrjkr代

8、入上式，得代入上式，得dSrenddSnMSjkrS0021414cos1120jIlcdSkrreekcjMSjkrjk当当S0的位置满足不等式的位置满足不等式1200rkr时，有时，有dSrecjMSrjkcos0 通过对上式的分析可以证明，通过对上式的分析可以证明， S0面的不同区域对面的不同区域对产生观察点的场贡献是不相等的。也就是说，并不是产生观察点的场贡献是不相等的。也就是说，并不是整个整个S0面上的二次波源对面上的二次波源对M点的场都起主导作用。这点的场都起主导作用。这可以通过划分费涅尔带的方法来分析。可以通过划分费涅尔带的方法来分析。二、二、 费涅尔带和费涅尔区费涅尔带和费涅尔

9、区1) 费涅尔带的划分费涅尔带的划分按照下列等式划分费涅尔带：按照下列等式划分费涅尔带： 22220000220011nrrrrrrnn 可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产可见，分布在相邻两带边界上的二次波源在观察点产生的场是反相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振生的场是反相的，且单位面积上的二次波源产生的场的振幅相差不大。幅相差不大。OM 0r0 nrnS0 1r1R12) 合成赫芝矢量合成赫芝矢量设第设第n费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为费涅尔带的二次波源在观察点产生的合成波矢量为n，则因为，则因为111coscosnnnnnnrr1nn而相位相反而相位相反所以

10、，合成矢量的振幅为所以，合成矢量的振幅为2222254332114321M20lim1nn且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大且级数每一项与左右相邻项的算术平均值相差不大 由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点由于上述级数是收敛的，且收敛很快，所以在观察点的合成场基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源的合成场基本上是由分布在前几个费涅尔带内的二次波源产生的。产生的。3) 费涅尔带的半径费涅尔带的半径OM 0r0 nrnS0 1r1R1由图可知，由图可知，02022002022022rRrRrrRRnnnnnnOM 0r0 nrnS0 1r1Rn mrrnRnrRrrnnnn

11、0000002002112 位于位于S0面上某一范围内面上某一范围内的二次波源对观察点的场起的二次波源对观察点的场起主导作用，该范围的尺寸由主导作用，该范围的尺寸由费涅尔半径决定。费涅尔半径决定。4) 空间费涅尔区空间费涅尔区 当当S0面沿着直线面沿着直线OM移动时，每一费涅尔带的边界移动时，每一费涅尔带的边界将构成一个旋转椭球体，焦点在将构成一个旋转椭球体，焦点在O点和点和M点。点。相邻两旋相邻两旋转椭球体之间的空间称为空间费涅尔区。转椭球体之间的空间称为空间费涅尔区。结论：对电波传播起主导作用的空间区域是一个结论：对电波传播起主导作用的空间区域是一个旋转椭球体。在旋转椭球体。在OM的中点空间费涅尔区的半径的中点空间费涅尔区的半径最大。最大。00max21rddnRn为一次波源与观察点之间的距离为一次波源与观察点之间的距离5) 最小费涅尔半径最小费涅尔半径 可证明三分之一第一费涅尔带的面积在观察点产可证明三分之一第一费涅尔带的面积在观察点产生的波振幅为生的波振幅为B。用。用R0表示从表示从S0面中心处到三分之一第面中心处到三分之一第一费涅尔带面积的半径，则一费涅尔带面积的半径，则 R0称为最小费涅尔带半径。落入最小费涅尔称为最小费涅尔带半径。落入最小费涅尔带内的地形地物将对电波传播产生极大的影响。带内的地