电波传播-地面反射

1、电波传播理论5-1第5章地面反射基本要求：1.了解镜反射和漫反射的基本概念；2. 掌握掌握反射点和地面费涅尔区的基本概念和计算方法；3.掌握各种反射系数的定义和关系。第5章 地面反射1电波传播理论5-2第5章 地面反射地面及地面覆盖物对无线电波的主要影响：超短波以上频率的无线电波反射、绕射和散射超短波以下频率的无线电波（地波）衰减和吸收地面及地面覆盖物对无线电波的反射、绕射和散射：反射当无线电波在光滑地面（如水面、开阔的平地等）上传播时，会出现镜反射现象，即反射射线与直接射线在接收点相互干涉，合成场强可表现出强烈的衰落。散射（漫反射）当无线电波在粗糙地面上传播时，地面会产生散射（漫反射）波，它

2、与直接射线之间不会形成干涉现象，只是功率相加，合成信号不会出现大幅度的衰落，只是表现为信号的闪烁与起伏。绕射地面及其覆盖物对无线电波的阻挡将引起波的绕射现象，绕射可造成电波的额外衰减（下1章研究）。2电波传播理论5-3第5章 地面反射从严格的波动观点看来，地面反射是个边值问题。来自初始辐射源的电磁波在地面上激起传导电流和位移电流，致使地面成为二次辐射源，地面的每个元面都是二次波源。接收点的场强是初始辐射源在接收点建立的场强和与所有二次辐射源在接收点建立的场强，两者合成的总效果。地面的两种类型光滑地面和粗糙地面5.1 镜反射和漫反射3电波传播理论5-4第5章 地面反射光滑地面的反射对于光滑地面而

3、言，各个元反射面的取向是相同的，可以采用镜反射的几何光学方法处理地面对无线电波传播的影响，即所谓的镜像法。镜像法T为初始辐射源，地面（平面）对接收点R场强的贡献完全等效于初始源T的镜像T的贡献。只是注意，真实源T与虚拟波源T之间有一个相位差。镜反射波是相干波，它与直接 射线之间的干涉叠加，可以使 接收信号出现很深的衰落，但 是会可对无线电通信的质量和 可靠性造成破坏性的影响。4电波传播理论5-5第5章 地面反射粗糙地面的散射组成粗糙地面的诸多元面取向的随机性使得入射波的能量可以被反射到各个方向，即散射。在接收点的场强就是直射波和粗糙表面在接收点的散射（漫反射）波的合成。地面每个元面产生的二次辐

4、射波的幅度和相位是随机的。被各个小元面反射的电波的极化也是不一样的。散射波与直接射线之间是非相干 的，不会形成很深的干涉衰落。散射（漫反射）对无线电通信的 质量与可靠性一般不会构成严重 的威胁，而是表现为信号的闪烁 与小幅度起伏。 5电波传播理论5-6第5章 地面反射判断地面光滑和粗糙的标准雷利准则地面的高度起伏 所导致的射线1与射线2之间，也就是射线1与射线2之间的程差 ，使得它们在接收点合成时产生相差 。当 趋于0时，则 和 也趋于0，接收点合成时表现出同相叠加，信号增强。当 增加使得相差 时，在接收点的表现出反相叠加，信号减弱。通常，采用雷利准则来判断地面的类型，即当 或 时，地面是光滑

5、的，地面反射是镜反射；当 或 时，地面是粗糙的，地面反射为漫反射。掠射角 6电波传播理论5-7第5章 地面反射雷利准则及其应用：要使物理上粗糙的地面可被看成为镜面的最大起伏 当 时，镜反射占觉得优势；当 时，漫反射占绝对优势。它与波长和掠射角有关。同样的粗糙地面，在低频率和低掠射角时可以被看成是镜面，而在高频率和高掠射角时，则不能认为是镜面。 更严格的标准实际的地面上不同点的高度可能是服从某种统计分布（比如，正态分布）的随机变量，所以，上述的 应该理解为某点地面高度相对于反射面内平均高度的高度差，并且，把高度差的标准偏差作为雷利判据的 。（5.6）（5.7）7电波传播理论5-8第5章 地面反射

6、依据等效球面地球法计算地反射的几何参数 ，这样既计及了大气折射的影响，而且计算也很简便。地反射的几何参数:三条线直射线、入射线和反射线四个面海平面、地面、反射面和等效反射平面几个角度掠射角、不同射线的出射角或到达角、射线 之间的夹角、射线的地心张角. 几个高度海拔高度、离地面的高度、相对于等效反射 平面的高度、相对于反射面的高度. 利用地反射的几何参数可以确定反射点位置、反射面的费涅尔区、费涅尔反射系数、球面反射的扩散系数、等效反射系数、有效反射系数、反射损耗.5.2 地反射的几何参数8电波传播理论5-9第5章 地面反射三条线直射线、入射线和反射线四个面海面、地面、反射面和等效平面反射面:通过

7、反射点的等效球面等效反射平面：通过反射点P相切于反射面的平面 9掠射角直接射线的出射角 和到达角入射线的出射角地面反射线的到达角 入射线与直接射线的夹角 地反射线与直接射线的夹角入射线的地心张角地反射线的地心张角 电波传播理论5-10第5章 地面反射几个角度： 直接射线与等效反射平面的夹角 10电波传播理论5-11第5章 地面反射在发射端的几个高度： 发射站地面的海拔高度发射天线离发射端地面的高度发射天线的海拔高度发射天线相对于等效反射平面的高度发射天线相对于反射面的高度反射点（反射面）的海拔高度 11电波传播理论5-12第5章 地面反射在接收端的几个高度： 接收站地面的海拔高度接收天线离接收

8、端地面的高度接收天线的海拔高度接收天线相对于等效反射平面的高度接收天线相对于反射面的高度反射点（反射面）的海拔高度 12反射点到发射站的地面距离电波传播理论5-13第5章 地面反射5.2.1 等效反射平面与等效高度等效反射平面：通过反射点P相切于反射面的平面发射天线等效高度 发射相对于等效反射平面的高度接收天线等效高度 接收相对于等效反射平面的高度当电路距离和天线高度等参数都远远小于地球半径时 （5.8）（5.9）反射点到接收站的地面距离地球半径等效地球半径因子 13电路的距离电波传播理论5-14第5章 地面反射5.2.2 地反射线的掠射角地反射射线的掠射角也就是反射线与等效反射平面的夹角。根

9、据反射定律，地反射射线的掠射角就等于入射射线与等效反射平面的夹角。两者都可以简称为掠射角 。当电路距离和天线高度等参数都远远小于地球半径时（5.10）14电波传播理论5-15第5章 地面反射5.2.3 地反射射线的出射角和到达角入射线的出射角（俯仰角） 入射线与发射端地平线的夹角地反射线的到达角（俯仰角） 地面反射线与接收端地平线的夹角当电路距离和天线高度等参数都远远小于地球半径时值得注意的是，以上公式算出的结果总是正值，这对应于俯角。（5.11）（5.12）15电波传播理论5-16第5章 地面反射5.2.4 直接射线的出射角和到达角直接射线的出射角（俯仰角） 直接射线与发射端地平线的夹角直接

10、射线的到达角（俯仰角） 直接射线与接收端地平线的夹角当电路距离和天线高度等参数都远远小于地球半径时等效地球半径因子的出现说明了以上两式包含了大气折射的影响。 （5.13）（5.14）16电波传播理论5-17第5章 地面反射视在俯仰角和真实俯仰角视在俯仰角 和 包含大气折射的影响时直接射线的俯仰角真实俯仰角 和 在真实地球上（ ）直接射线的俯仰角当电路距离和天线高度等参数都远远小于地球半径时射线的视在俯仰角是随大气折射指数空间分布的变化而变化的，而电路的真实俯仰角是与大气的状态无关，在收发点确定后它们都是个常数。（5.15）（5.16）17电波传播理论5-18第5章 地面反射5.3 反射点的位置

11、和反射面的费涅尔区减小地面反射影响的几种方法：在无线网络和传播电路的设计中适当控制反射点的位置。粗糙地面对电波的反射比较光滑地面要弱得多。地面、地物对入射线和反射线得阻挡也可以大大削弱地反射的影响。减小地面反射影响的主要工作：必须估算反射点的的位置，而后才能加以调整。决定地面反射的费涅尔区以及反射的强弱。 18电波传播理论5-19第5章 地面反射反射点的位置确定 确定反射点的位置的方程：（5.21）19电波传播理论5-20第5章 地面反射地面反射的费涅尔区 在使用镜像法处理地面对波传播的影响时，发射源的镜像可取代地面的作用。此时，在发射源和接收点之间以及发射源的镜像与接收点之间的主要空间通道都

12、必须满足费涅尔区（椭球）的要求。地面反射的费涅尔区以发射源的镜像和接收点为焦点的费涅尔椭球与地面反射的等效平面相交在地面上截取的部分地面（椭圆面）。20电波传播理论5-21第5章 地面反射地面反射的费涅尔区大小的确定椭圆的长轴和短轴 有效反射区的大小基本上由第一菲涅耳区或者23个菲涅耳区所决定。以发射源的镜像和接收点为焦点的第n阶费涅尔椭球被等效平面所截取椭圆中心C的坐标以及椭圆的的长半轴和短半轴近似为通常，对于地面通信电路而言，地面反射第一费涅尔区的长半轴可达数公里，短半轴却比长轴小得多。 21电波传播理论5-22第5章 地面反射5.4 费涅尔反射系数反射系数入射波场强与反射波场强之比。可近

13、似地把空气看成是真空，即其介电常数和导磁率为 和 、相对介电常数为1的均匀介质；在局部范围内，地球表面下的土壤或液态、固态水也可近似地看成是均匀介质；地球表面（地面或水面，水面又可以是海水或淡水）可以看成是平面。22电波传播理论5-23第5章 地面反射地面的费涅尔反射系数（5.23）（5.24）（5.25）擦地角 入射波的极化 水平极化 垂直极化 地面介质的复相对介电常数 真空中的波长 地面介质的相对介电常数 地面介质的导电率 地反射系数的大小与电波的极化、波长（频率）、入射线的擦地角以及地面的电气特性有关。23电波传播理论5-24第5章 地面反射对于两种最典型的地面的反射系数24电波传播理论

14、5-25第5章 地面反射地反射系数幅度的特点：对于水平极化波，反射系数随擦地角的增加而降低；当擦地角小于1 时，反射系数非常接近于1；当擦地角大于1 时，反射系数在10.6之间变化。对于垂直极化波，存在一个特殊的擦地角，在这个角度上反射系数达到最小值，这个角度叫布勒斯特角。对于中等干燥土壤，布勒斯特角大约等于15，几乎与频率无关；而对于海水而言，当频率从300MHz变到3000MHz时，布勒斯特角处在56.5之间，随频率增加而增加。对于垂直极化波，反射系数可从1变到几乎接近于0。当擦地角小于布勒斯特角时，反射系数随擦地角的增加而降低；当擦地角大于布勒斯特角时，反射系数随擦地角的增加而增加。25

15、电波传播理论5-26第5章 地面反射地反射系数相位的特点：对水平极化波，反射系数的相位非常接近于180，几乎与频率、擦地角和地面电气特性无关。也就是说，在水平极化的情况下，入射波经地面反射之后，反射波相对于入射波有180的相位突变（增加）。对于垂直极化波，反射系数的相位可从180（低擦地角为0）单调降低到0（擦地角为90）。擦地角低于1和高于20时，反射系数相位随擦地角的变化比较缓慢，但是，在布勒斯特角附近反射系数的相位随擦地角的增加而十分迅速地减少。26电波传播理论5-27第5章 地面反射5.5 球面反射的扩散系数镜像法只能适用于反射面是平面时的情况。而地球表面实际上是个球面，所以，必须考虑

16、球面反射产生的扩散。平面反射与球面反射之间明显的差别就是两者对波束的扩散不一样。由源发出的的锥形波束使得能量沿射线传播不会逸出波束外，所以在离源点不同距离的波束横截面内流过的能量的能流密度就不一样。它反比于横截面的面积。由于球形地面对反射波的扩散作用，便产生了球面反射引起的附加扩散损耗。27电波传播理论5-28第5章 地面反射球形地面对反射波的扩散对于平面反射而言，由波源发射的圆锥波束可以等效于波源的镜像发出的圆锥波束，所以这个波束经地面反射后不会变形，截面仍然是圆。对于球面反射而言，横截面为圆形的入射波束经地面反射后成为横截面为椭圆的波束，因为反射点在入射面内的射线扩散较大，反射点不在入射面

17、内的射线扩散较小。因此，费涅尔椭圆的长轴在入射面内。 28电波传播理论5-29第5章 地面反射球面反射的扩散系数扩散系数 在接收点处经球面反射后的场强 与经平面反射后的场强 之比。 （5.26）（5.27）电路的距离（程度） 只有在低擦地角的情况下，扩散系数才有明显小于1的值。29电波传播理论5-30第5章 地面反射5.6 等效反射系数、有效反射系数与反射损耗费涅尔反射系数只是表达了光滑、平面地面的理想条件下的反射情况，它仅是一个参考值，通常可以把它看成为真实地面反射系数的可能的最大值。真实地球表面是个球面，与平面地面比较，球面将会引起的波束扩散从而带来扩散损耗。当无线电波投射到粗糙地面时，除

18、要考虑镜反射波和折射波之外，还存在所谓的散射问题。30电波传播理论5-31第5章 地面反射5.6.1 等效反射系数考虑到粗糙地面散射的等效反射系数 （5.28）（5.29）粗糙地面引起的 地反射射线的减弱因子 再考虑到球面地面扩散的等效反射系数球形地面的扩散系数 31电波传播理论5-32第5章 地面反射等效反射系数 的说明：等效反射系数更真实地反映球形粗糙地面的的综合反射能力。减弱因子无法有效计算出来的，也很难实际测量扩散系数理论上可以计算，但实际上也是无法单独测量出来的。有效反射系数 是可以测量出来的。 32电波传播理论5-33第5章 地面反射5.6.2 有效反射系数有效反射系数 考虑到天线

19、方向性图以及地面对反射射线的阻挡时间接收点的反射线场强与直接射线场强之比（5.28-29）天线方向性图对反射场的减弱地面阻挡对反射场的减弱33电波传播理论5-34第5章 地面反射5.6.3 场的叠加、相干和非相干场的叠加当两列或两列以上的波在相同的空间中传播时，空间中每一点的合成场强是这些波在该点的场强的矢量和，即合成总场。场的相干叠加相互叠加的场强是一些极化、相位和幅度都是确定的、以非随机的方式改变的波。由于相干波在任何时刻的相位和幅度是确定的，所以它们的合成场强可以按通常的矢量相加的办法确定。此时合成场强的空间分布会出现明显的强弱变化。波的相干现象在光学上可以直接用肉眼感知。34电波传播理论5-35第5章 地面反射场的非相干叠加相互叠加的场强是一些极化、相位和幅度都是以随机的方式改变的波。此时，总场强的在空间的分布也是随机的，不会形成在某些空间点上合成场强明显加强或削弱的相干现象。甚至