电波传播的基础知识

电波传播的基础知识第1页，课件共49页，创作于2023年2月课程要求1.掌握电波传播的基本概念；2.掌握电波传播的基本特点和规律；3.了解地面移动通信接收场强的预测方法。课程研究内容无线电波传播的基本特性及其变化规律。第2页，课件共49页，创作于2023年2月第8章电波传播的基础知识重点：自由空间电波传播

难点：电波传播的菲涅尔区

主要内容：8.1概述8.2自由空间电波传播8.3电波传播的菲涅尔区第3页，课件共49页，创作于2023年2月第8章电波传播的基础知识8.1概述1.什么是电磁波？

电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。电场磁场第4页，课件共49页，创作于2023年2月3.无线电波：按序排列的频率分布，也称波谱。

无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线

把各波段按频率由低至高依次排列，分别是：2.频谱：频率从几十赫兹到3000GHz的电磁波。

按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，就是电磁频谱。第5页，课件共49页，创作于2023年2月无线电波频段的划分第6页，课件共49页，创作于2023年2月

电磁场理论发展简史1．电磁场理论的建立

电、磁现象是一种重要的自然现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象。19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与磁的联系。但这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。第7页，课件共49页，创作于2023年2月

库仑于1779年通过实验和采用类比方法归纳、导出了两个静止点电荷间的相互作用规律，即库仑定律，是静电学理论建立的实验基础。第8页，课件共49页，创作于2023年2月

奥斯特从1807年开始研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。近于同时，安培发现磁力作用的规律——安培力公式。第9页，课件共49页，创作于2023年2月

法拉第于1821年开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入导体线圈时，导线圈中就产生电流，这表明：电与磁之间存在着密切的联系。法拉第发现了电磁感应定律。第10页，课件共49页，创作于2023年2月

麦克斯韦在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，于1864年提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，是经典电磁场理论的基本方程。第11页，课件共49页，创作于2023年2月

1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代。第12页，课件共49页，创作于2023年2月2、电磁场理论的应用和发展无线电报1895年，马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验,1899年,无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。第13页，课件共49页，创作于2023年2月

马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。有线电话1876年,（美）A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来。第14页，课件共49页，创作于2023年2月1906年，（美）费森登用50千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。广播第15页，课件共49页，创作于2023年2月电视1884年，（德）尼普科夫提出机械扫描电视的设想，1927年，（英）贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金1923和1924年相继明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。第16页，课件共49页，创作于2023年2月雷达1936年，（英）瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。第17页，课件共49页，创作于2023年2月卫星通信

1958年,美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功，这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年，借助定点同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年，第一颗商用同步卫星投入运行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星，卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。第18页，课件共49页，创作于2023年2月全球定位系统（GPS）

1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出GPS计划，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。第19页，课件共49页，创作于2023年2月电磁波与我们的生活密切相关第20页，课件共49页，创作于2023年2月无线电波的典型应用

地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。（1）超低频（SLF）（2）极低频（ELF）

对潜通信，地下通信，全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。第21页，课件共49页，创作于2023年2月（3）甚低频（VLF）

超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。

远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。（4）低频（LF）广播、通信、导航（机场着陆系统）。（5）中频（MF）第22页，课件共49页，创作于2023年2月

通信广播，超视距雷达，超视距地-空通信。（6）高频（HF）（7）米波（VHF）

语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力通信，航空导航信标。

电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线通信。（8）分米波（UHF）第23页，课件共49页，创作于2023年2月（9）厘米波（SHF）

多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，卫星通信。（10）毫米波（EHF）通信，雷达，卫星遥感。（11）亚毫米波短路径通信地面站地球

地面站第24页，课件共49页，创作于2023年2月电波传播：无线电波在媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）中的传播过程。8.1.2几种主要的电波传播方式1.地面波传播：优点：传播信号质量好缺点：频率越高，地面对电波的吸收越严重。地面波传播电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。第25页，课件共49页，创作于2023年2月天波传播2.天波传播：

发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。优点：传播距离远缺点：衰落现象比较严重第26页，课件共49页，创作于2023年2月3.视距传播

电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。视距传播特点：

直射波与地面反射波之间存在干涉现象，降雨和大气对电波传播有衰减及散射作用，山、建筑物和树木对电波的散射和绕射作用显著。第27页，课件共49页，创作于2023年2月散射传播4.散射传播

利用非均匀介质团对电波具有散射特性来达到传播的目的。对流层散射电离层散射优点：距离远，抗毁性好，保密性强。第28页，课件共49页，创作于2023年2月电波传播特性的决定性因素

媒质的电参数（）的空间分布和时间变化及边界状态。第29页，课件共49页，创作于2023年2月8.2自由空间电波传播

天线置于自由空间A处，其辐射功率为Pr，方向系数为D，在最大辐射方向上距离为r的点M处产生的场强振幅为

自由空间的电波传播（8―2―1）第30页，课件共49页，创作于2023年2月自由空间传播损耗：

当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值，记为L0，即（8―2―2）第31页，课件共49页，创作于2023年2月（8―2―3）D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为（8―2―4）所以该接收天线的接收功率为（8―2―5）D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为第32页，课件共49页，创作于2023年2月于是自由空间传播损耗为

（8―2―6）或

（8―2―7）

当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB。第33页，课件共49页，创作于2023年2月衰减因子：（8―2―8）相应的衰减损耗为

（8―2―9）E：实际情况下的接收点的场强E0：自由空间传播的场强A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。第34页，课件共49页，创作于2023年2月基本传输损耗：（8―2―10）

如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为Gr，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密度和最佳接收功率分别为（8―2―11）（8―2―12）衰减损耗自由空间传播损耗第35页，课件共49页，创作于2023年2月（8―2―13）

（8―2―14）

在路径传输损耗Lb为客观存在的前提下，降低传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。电道的传输损耗：

发射天线输入功率与接收天线输出功率（满足匹配条件）之比，即第36页，课件共49页，创作于2023年2月【例8-2-1】设微波中继通信的段距为r=50km，工作波长为7.5cm，收发天线的增益系数都为45dB，馈线及分路系统一端损耗为3.6dB，该路径的衰减因子A=0.7。若发射天线的输入功率为10W，求其收信电平。L0=121.98+20lgr(km)－20lgλ(cm)=121.98+20lg50－20lg7.5=121.98+33.98－17.5=138.46dB解：第37页，课件共49页，创作于2023年2月

考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的总传输损耗L为L＝L0＋LF－Gr－GL＋2×3.6

＝138.46－20lg0.7－2×45+2×3.6

＝58.8dB

因为Pin=10W=40dBm（分贝毫瓦）于是收信电平即接收天线的输出功率为PL＝Pin

－L＝40－58.8＝－18.8dBm第38页，课件共49页，创作于2023年2月

菲涅尔带8.3电波传播的菲涅尔区

空间A处有一球面波源，做一个与之同心、半径为R的球面，P点与A点相距d=R+r0，将球面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,…)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长（物理学上称这种环带为菲涅尔带)。菲涅尔带：第39页，课件共49页，创作于2023年2月（8―3―1）第40页，课件共49页，创作于2023年2月

在这种情况下，相邻两带的对应部分的惠更斯源在P点的辐射将有λ/2的波程差，因而有180°的相位差，起着互相削弱的作用。可以证明，当r0>>λ时各带的面积大致相等。设第n个菲涅尔半波带在P点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,...)，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样，因此有以下的关系式（8―3―2）第41页，课件共49页，创作于2023年2月（8―3―3）

如果将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2，则式（8―3―3）可以重新写为（8―3―4）

从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于是P点的合成场振幅为第42页，课件共49页，创作于2023年2月

仔细观察上式，如果总带数足够大，利用下式（8―3―2）的结论，（8―3―5）可以认为（8―3―2）第43页，课件共49页，创作于2023年2月

上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看，可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔区。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半