《电波传播理论》课件-自由空间和空间波传播模式

第三章、自由空间和空间波传播模式移动通信无线电波主要是在地球周围的大气空间里传播，或者沿地球表面传播。根据大地和大气对电波传播的影响，自然界中的电波传播模式分为3类：空间波、地表面波和天波。2023/7/241第三章、自由空间和空间波传播模式移动通信无线第1节、电波传播的基本模式2023/7/242第1节、电波传播的基本模式2023-07-242Propagationmodes2023/7/243Propagationmodes2023-07-243电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波。

沿地球表面进行传播的电波传播模式称为地表面波。

在大气对流层中进行的电波传播方式称为空间波。

2023/7/244电波利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的方式称为天波。GroundWavePropagationTheelectromagneticwaveformessentiallyfollowsthecontouroftheearthTransmissionbelow3MHzCanbeusedtolongdistancescommunicate2023/7/245GroundWavePropagationTheeleSkyWavePropagationSWmakesuseofthereflectingpropertiesoftheearth’satmosphereataltitudesfrom100to250milesforfrequenciesintheband,3-30MHz2023/7/246SkyWavePropagationSWmakesuLine-of-SightWavePropagationUsedbyfrequenciesabove30MHzThesewavestravelinastraightlineandpassthroughanyportionoftheatmosphereeasilyTheatmosphereofourplanetdoesnotrefractorbendtheelectromagneticwavemuch.2023/7/247Line-of-SightWavePropagation各种电波传播模式的主要特点空间波：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：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：只有这种电波传播方式才能将电波传送到数千公里以外。短波通信采用的就是这种传播方式。

2023/7/248各种电波传播模式的主要特点空间波：在传播过程中，电波会发生折定义：所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1的均匀介质所在空间介电常数和磁导率为

特点：无源，各向同性，电导率为零（σ＝0）

自由空间：第2节电波在自由空间中的传播2023/7/249定义：所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1的均匀电波在自由空间中的传播特点在自由空间中，电波的传播是直线传播，没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象。电波传播速度等于真空中的光速c＝3×108m/s。实际介质与障碍物对电波传播的影响可忽略的空间，可近似为自由空间。2023/7/2410电波在自由空间中的传播特点在自由空间中，电波的传播是直线传播自由空间的电波传播模型距离发射机为d时，自由空间中接收点的场强为式中，E为场强，单位为dBV/m；

PΣ为辐射功率，单位为W；

Gt为发射天线的增益。

2023/7/2411自由空间的电波传播模型距离发射机为d时，自由空间中接收点的场接收机输入端的最大接收功率2023/7/2412接收机输入端的最大接收功率2023-07-2412自由空间的传输损耗传输损耗：又称为系统损耗，定义为辐射功率与接收功率之比。如果d的单位用km，f的单位用MHz，Ls的单位为dB，可得：2023/7/2413自由空间的传输损耗传输损耗：又称为系统损耗，定义为辐射功率与自由空间的路径损耗自由空间的路径损耗：显然，Lbs与收、发天线的特性无关，而仅与传输路径有关

由上述公式我们也可以看出，在自由空间传播条件下，电磁波的能量并没有损失。自由空间的传输损耗实际指的是球面波扩散损耗。

2023/7/2414自由空间的路径损耗自由空间的路径损耗：显然，Lbs与收、发天在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等例：

本图适用于半波偶极子天线，标尺2表示辐射功率为1W的场强作为距离（km）的函数，对于Pt（W）的辐射功率，应在标尺2的数值上增加一个校正值10lgpt（dB）。

标尺2标尺3标尺4标尺1距离d(km)频率f(MHz)接收功率(dBw)场强E(dBu)10km57dBu100MHz2023/7/2415在工程应用中，我们常采用诺模图来求接收功率、传播损耗等例：

标尺2和标尺4又表示了半波偶极天线的接收功率和场强之间的关系。当频率f=100MHz,E=50dBμ时，可查得

标尺2标尺3标尺4标尺1距离d(km)频率f(MHz)接收功率(dBw)场强E(dBu)-95dBW2023/7/2416标尺2和标尺4又表示了半波偶极天线的接收功率和场强之第3节空间波传播模式电磁波直接从发射天线传播到接收天线，或经过地面反射而到达接收天线。一般接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强。特点：直射波不受地面影响反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响传播的距离受到地球曲率的影响收，发天线之间的最大距离被限制在视矩范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度2023/7/2417第3节空间波传播模式电磁波直接从发射天线传播到接收天线，最小有效天线高度h0

表面波起支配作用时的天线高度称为天线最小有效高度。h0与波长、极化方式、地面电特性参数有关。

在固定无线通信中，天线架设高度与波长相比均很高，因此：

f<30MHz——表面波

30MHz<f<300MHz——空间波和表面波

f>300MHz——空间波2023/7/2418最小有效天线高度h0表面波起支配作用时的天线h1h2dTR直射波反射波地表面波

在光滑平面地面上传播的波主要是直射波、反射波和地表面波的叠加。2023/7/2419h1h2dTR直射波反射波地表面波在光滑平面空间波传播模式分类视矩传播，应用于微波中继通信与卫星通信、超短波与微波的定位测速对流层散射传播，应用于米波与分米波的远距离通信障碍绕射传播，对于短波高端、超短波和微波无线通信电路，当传播途径上存在山峰时，出现障碍绕射传播大气波导传播，当对流层的折射指数梯度满足一定的条件时，对于米波至厘米波的无线电波会出现大气波导传播2023/7/2420空间波传播模式分类视矩传播，应用于微波中继通信与卫星通信、超1、光滑平面地面上电波传播的双线反射模型

无线电波在空间传播过程中将遇到空气和地面两种不同介质的分界面。由此，将影响到电波传播的特性。影响程度取决于：地球表面的电特性地球表面的形状地球表面的起伏不平影响程度取决于地面起伏不平的幅度与波长的比值判断地面的起伏不平是否影响电波传播特性的准则———瑞利准则2023/7/24211、光滑平面地面上电波传播的双线反射模型h1h2dTR直射波反射波地表面波

在光滑平面地面上传播的波主要是直射波、反射波和地表面波的叠加。电波在光滑平面地面上的传播2023/7/2422h1h2dTR直射波反射波地表面波在光滑平面

地面尺寸比波长大得多地面起伏不平与波长相比可忽略近似条件：在光滑平面地面上电波传播的特点：

镜面反射——反射损耗地面σ≠0，有地电流存在——吸收损耗空间波和地表面波两种传播模式同时存在光滑平面地面的近似及电波传播特性2023/7/2423地面尺寸比波长大得多近似条件：在光滑平面地面上电波传播的当电波主要以空间波的方式传播时，接收点的场强主要为直射波和反射波场强的叠加：h1h2ABA’dr1r22023/7/2424当电波主要以空间波的方式传播时，接收点的场强主要为直射波和反a)垂直极化波：入射波与反射波的电场场强均垂直于纸面，在同一水平方向入射波与反射波的相位差：不同反射点反射系数的相位差2023/7/2425a)垂直极化波：入射波与反射波的电场场强均垂直于纸面，在同一接收点的场强为：D1，D2为接收天线在直射波方向和反射波方向的方向性系数。其模为

2023/7/2426接收点的场强为：D1，D2为接收天线在直射波方向和反射波方向b)水平极化波：入射波与反射波的电场场强均在纸面内，而不在同一方向h1h2ABA’dr1r2αγ2023/7/2427b)水平极化波：入射波与反射波的电场场强均在纸面内，而不在同首先将、分解为x,y方向上的分量，然后相加，得

其模为

2023/7/2428首先将、分解为x,y方向上的分量，然后近似条件一：则

在上述条件下，垂直极化与水平极化的结果相同（因为Emx＝0）。和在同一方向上，得

2023/7/2429近似条件一：则在上述条件下，垂直极化与水平极化的结而当，即

场强将随天线高度h1，h2和通信距离d的变化而变化，这种起伏是电场干涉作用的结果。

2023/7/2430而当，即场强将随天线高度h1，h2和通信距离d的变近似条件二：通信距离足够大，如维新斯基干涉场公式

由于存在地面的镜像反射，辐射的能量集中分布在地表以上的半个空间，故其功率密度比自由空间增加一倍，但距离－损耗斜率也增加了一倍。

2023/7/2431近似条件二：通信距离足够大，如维新斯基干涉场公式由近似条件三：在VHF,UHF波段，认为天线的效率近似为100％，那么天线增益G与方向性系数相等，则对各向同性天线而言，场强有效值E为

其中，

如果天线增益采用相对于半波振子的增益Gd表示，那么上式为

2023/7/2432近似条件三：在VHF,UHF波段，认为天线的效率近似为1002、光滑平面地面上电波传播损耗损耗值以dB为单位的路径损耗2023/7/24332、光滑平面地面上电波传播损耗损耗值2023-07-2433传播损耗的计算光滑地面上电波传播的传输损耗：考虑实际地面状态以后，传输损耗具有以下特点：

Lp与f有关，Lp∝f；

Lp不是一个恒值，而是一个随时间和空间而变的随机变量。它围绕一个均值上下波动，呈对数正态分布。2023/7/2434传播损耗的计算光滑地面上电波传播的传输损耗：考虑实际地面第4节光滑球面反射模型球面平面近似为平面地面的极限通信距离：2023/7/2435第4节光滑球面反射模型球面平面近似为平面地面的极限通信距离1、照明区，半阴影区和阴影区的划分

当天线的高度h1

和h2一定时，以h1的顶点A作一直线与地球相切，变动h2的位置，使h2的顶点B正好落在切线上，此时两天线之间的球面距离r0称为视距。

定义：r>1.2r0的区域称为阴影区；

r<0.7r0的区域称为视区；

0.7r0≤r≤1.2r0的区域为半阴影区。

2023/7/24361、照明区，半阴影区和阴影区的划分当天线的高度h1和r0（视距）的确定：2、照明区内光滑球面反射模型2023/7/2437r0（视距）的确定：2、照明区内光滑球面反射模型2023-球面反射的扩散特性AA’BAA’B3、球面反射的扩散特性2023/7/2438球面反射的扩散特性AA’BAA’B3、球面反射的扩散特性201.球面反射系数与平面反射系数的关系为：

为扩散因子

2.扩散因子

①定义：

和分别表示在相同的入射波束张角时，接收天线处的球面和平面反射波束的截面。②计算公式

R为地球半径

AA’B2023/7/24391.球面反射系数与平面反射系数的关系为：为扩散因子2.球面视距内求场照明区求场原理2023/7/2440球面视距内求场照明区求场原理2023-07-24401.等效天线高度的计算

2.几何反射点的确定（r1,r2的计算）

其中，2023/7/24411.等效天线高度的计算2.几何反射点的确定（r1,r2的光滑无耗球面地面上视距内场的计算：对于有耗光滑球面来讲，考虑反射系数。2023/7/24