第3章 移动信道的传播特性

1、1、了解无线电波传播特性、移动信道的特征；2、理解陆地移动信道的传输损耗及其常用的传播模型。3、掌握陆地移动信道的传输损耗的计算方法。重点内容：移动信道的特征及陆地移动信道传输损耗计算方法。教学难点： 无线电波传播特性的理解第3章 移动信道的传播特性 3.1 无线电波传播特性 3.1.1 3.1.1 电波传播方式电波传播方式 发射机天线发出的无线电波,可依不同的路径到达接收机，当频率f f30 MHz30 MHz时，典型的传播通路如下图所示。 发射天线接收天线图3-13-1 典型的传播通路沿路径从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHFVHF(甚高频)和UHFUHF(超高频)频段的

2、主要传播方式；沿路径的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波； 沿路径的电波沿地球表面传播，称为地表面波。由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大,传播距离迅速减小,因此在VHFVHF、UHFUHF频段地表面波的传播可以忽略不计。 高频电波在空间传播产生的许多现象与光的传播相似：n光在传播过程中,遇到两种均匀媒质的分界面时，会产生反射和折射现象。n光在不均匀媒质中传播时,情况有所不同。由于一部分光线不能直线前进,就会向四面八方散射开来,形成光的散射现象。 n地球周围由空气形成的大气层, 就是这样一种不均匀媒质，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生

3、反射和散射现象。 3.1.2 直射波 直射波传播可按“自由空间”传播来考虑。 所谓自由空间传播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，不会产生反射或散射。 若地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数r和相对导磁率r都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。 由电磁场理论可知，若各向同性

4、天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源 dm 处的 电场强度有效值E0为磁场强度有效值H0为)/(300mVdPET（3-1）)/(120300mAdPHT（3-2）单位面积上的电波功率密度s为)/(422mWdPST（3-3） 若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式可改写为)/(4)/(12030)/(30200mWdGPSmAdGPHmVdGPETTTTTT（3-4）（3-5）（3-6） 接收天线获取的电波功率 PR = SAR (3-7) 式中， AR为接收天线的有效面积。RG4A2R(3-8)式中，GR为接收天线增益，2 2/4/4为各

5、向同性天线的有效面积。 电场强度有效值磁场强度有效值单位面积上的电波 功率密度接收天线的有效面积由式(3-6)至式(3-8)可得24dGGPPRTTR(3-9) 当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为：(3-10) 由上式可见，自由空间传播损耗Lfs可定义为： 24dPPTR2s f4LdPPRT(3-11)以dB计得：)(4lg20)(4lg10(dB)L2s fdBddBd(3-12) 或或LfsLfs(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) (3-13)(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz) (3-13

6、) 式中，d的单位为km，频率f单位以MHz计。接收天线上获得的功率 由式可见，自由空间中电波传播损耗（衰减）只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时Lfs将分别增加6dB。3.1.3 3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播1. 大气折射 因移动通信信道在不是均匀介质的低层大气中传播,会产生与吸收现象，而影响到视线传播的距离。大气对电波的折射是指由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象。当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时,由于不同高度上的电波传播速度不同,从而使电波射束发生弯曲,弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度(dn/dh)。 在不考虑传导电流和介质磁化的情况

7、下，介质折射率n与相对介电系数r的关系为：rn(3-14) 大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，r也不同，即dn/dh是不同的。根据折射定律，电波传播速度 与大气折射率n成反比，即：nc(3-15) 式中，c为光速。 大气折射对电波传播的影响是使得传播速度减慢，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37106m)变成了等效半径Re。 Re与R0之间的关系为： dhdnRRRke0011 式中，k称作地球等效半径系数。 垂直梯度dn/dh0时，表示大气折射率n随着高度升高而减小，因而k1，ReR0。（3-16） 在标准

8、大气折射情况下，dn/dh-410-8(l/m)时，等效地球半径系数 k=4/3，Re=8500km。 由上式可知，大气折射有利于电波的超视传播，但在视线距离内，因由折射现象所产生折射波与直射波同时存在，会产生多径衰落。 2. 视线传播极限距离 视线传播的极限距离可由下图计算，天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。htReoAd1Cd2Bhr图3 32 2 视线传播极限距离 由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为：tehRd21（3-17）)(221rtehhRdddrthhd12. 4同理，由切点C到接收天线顶点B的

9、距离d2为：（3-18）可见，视线传播的极限距离d为： 标准在大气折射情况下，Re=8500km, 故：式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km（3-19）（3-20）rehRd223.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图3-3示。图中：表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正，分别如下图3-3中的(a)与(b)所示。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2

10、(a)(b)(a) 负余隙(b) 正余隙 图3-33-3 障碍物与菲涅尔余隙 横坐标为/1/1, 其中11是第一菲涅尔区在P点横截面的半径（第一菲涅尔半径），它由下列关系式可求得：21211ddddx(3 - 21) 。m位是的d、d、式中211单 由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如后图3-4所示。 图中： 纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。图3 34 4 绕射损耗与余隙关系由图中可见: 当x/x10.5 时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1; 当x0时，即直

11、射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加； 当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB。 电波在空中传播的波面是以收、发二点为焦点的旋转椭球面，椭球面所包含的空间叫菲涅尔区。 可以推导计算出波在传播时的菲涅尔区半径和菲涅尔带面积。工程中只需计算第一菲涅尔半径（X1）和最小菲涅尔半径（X0）。 第一菲涅尔半径式为 式中：X1为第一菲涅尔半径，为工作频率波长，d为收发二端距离，d1，d2分别为中间某点到收发二端的距离。 由公式可以看出：距离一定时，波长越短，即频率越高，菲涅尔半径就越小，在同等x和同等d时的绕射损耗越小。并且菲涅尔半径在收、发中点处可取得最大值。 最小菲涅尔半径（X0

12、），表示只要在传播空间中有X0为半径的孔就能在接收点得到与自由空间传播相同的信号强度。X X0 0=0.577 X=0.577 X1 1。21211ddddx附:菲涅尔知识 （1）（附-1） 电磁波具有类似光波的特性。近距离传输时，由于功率余量大，即使中间有阻挡也能通过反射波或天线旁瓣进行通信。但远距离时，一定要求收发天线之间实现“视线无阻挡”。 参考（附-1）式，当距离固定时，频率越高，其菲涅尔半径越小。这表明在低频段通信中影响通信的某些障碍物，在高频段可能不再影响通信。 为保证系统正常通信，收发天线架设的高度要满足使它们之间的障碍物尽可能不超过其菲涅尔区的20，否则电磁波多径传播就会产生不

13、良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。 例如在海上通信，通信双方高度相同，频率为2.4GHz，通信距离7Km，海浪的高度为2米，那么天线架设的高度要大于 H = 2 + 14.790=16.790m。 附:菲涅尔知识 （2） 例3 31 1：设图3-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙 x = -82m, d1 = 5km,d2 = 10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。 解： 由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为 dBggLfs5 .99150201)105(20144.32由式(3-21)求第一菲涅尔区半径x1为 mddddx7 .811015101105234

14、321211 由图3-4查得附加损耗(x/x1-1)为17dB。求出电波传播的总损耗L为 dBLLfs5 .11617 3.1.5 反射波TaobcRhrd1d2ht图3-53-5 反射波与直射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜面反射。由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在大地和大气的界面上产生反射，如图3-5所示 通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值。 R = |R|e-j (3 - 22) 式中：|R|为反射点上反射波场

15、强与入射波场强的振幅比， 代表反射波相对于入射波的相移。 水平极化波反射系数2/122/12)cos(sin)cos(sinccccvR(3 - 23) (3 - 24) 式中：c是反射媒质的等效复介电常数，它与反射媒质的相对介电常数r、电导率和工作波长有关，即 2/122/12)cos(sin)cos(sinccjhheRR垂直极化波反射系数60jrc(3 - 25) 对于地面反射，当工作频率高于150MHz(2m)时，1，由式(3-23)和式(3-24)可得 Rv = Rh = - 1 (3-26)即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相位差为180。 在图3-5中，由发射点T发出的电

16、波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。由图3-5可知，反射波与直射波的路径差为：222221222111)()()()(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt(3-27) 式中， d = d1+d2。 通常(ht+hr) a2 a3 假设有两个信号同时作用于非线性器件，即tBtAuBAcoscos332210uauauaaic 式中失真项为： 在 n = 3的三阶失真项中，会出现： 这两种组合干扰对接收机的影响比较大，并称为三阶互调干扰。ci,4,3 ,2)coscos(ntBtAanBAnn0022ABBAci

17、4. 阻塞干扰 当外界存在一个离接收机工作频率较远，但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时，由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高，使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰。这种干扰与干扰信号的幅度有关，幅度越大，干扰越严重。当干扰电压幅度非常强时，可导致接收机收不到有用信号而使通信中断。 5. 近端对远端的干扰 当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台（距离2)到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台（距离1，d2d1）的到达功率，若二者频率相近，则距基站近的移动台会造成对距基站远的移动台的有用信号干扰或仰制，甚至将移动台的有用信号淹没。这种现象称为近端对远端干扰（远近效应）。 第3章 思考题与习题 （P132） 1. 试简述移动信道中电波传播方式及其特点。 2. 试比较10 dBm、10W及10dB之间的差别。 4. 在标准大气折射下，发射天线高度为200m