电波传播基础PPT课件

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1、EMW Propagation Engineering2012,May.8第二讲第二讲 电波传播基础电波传播基础EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 内容安排EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 天线或自然辐射源所辐射的无线电波，在媒质（如地表、地球大气层或宇宙空间等）中的传播过程就称为无线电波传播。根据不同频段的电波在媒质中传播的物理过程，可将电波传播方式分为地波传播、对流层电波传播、电离层传播、地电离层波导传播以及外大气层及星际

2、空间电波传播。v地波传播 无线电波沿着地球表面的传播就称为地波传播。主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、标准频率和时间信号的广播、对潜通信等业务。传播特点是：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响小，传播情况稳定；有较强的穿透海水及土壤的能力；但大气噪声电平高，工作频带窄。电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering v对流层电波传播 无线电波在低空大气层对流层中的传播就称为对流层电波传播。按传播机制可分为：视距传播。当收发天线架设高度较高（远大于波长），电波直接从发射天线传播至接收点（有时有反射波到

3、达），亦称直射波传播。主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业务。其主要传播特点是：传播距离限于视线距离以内，一般为1050 km；频率愈高受地形影响愈大；微波衰落现象严重；10 GHz以上电波、大气吸收及雨衰减严重。电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 散射传播。利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播，常用频段200 MHz5GHz。由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备。单跳跨距可达300800 km，特别适用于

4、无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地区。v电离层电波传播。无线电波经电离层反射或散射后达到接收点的一种传播方式。依传播机制又可分为：电离层反射传播，通常称为天波传播。主要用于中、短波远距离广播、通信、船岸间航海移动通信，飞机地面间航空移动通信等业务。主要特点是：传播损耗电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 小，可以较小功率进行远距离传播；衰落现象严重；短波传播受电离层扰动影响大。电离层散射传播，利用电离层中电子浓度不均匀性（通常发生在地面高度90110 km处），对

5、电波的散射作用完成远距离通信得。常用的频段为3570 MHz。其主要传播特点是：传输损耗大；允许传输频带窄，一般为35 kHz；衰落现象明显。但单跳跨距可达10002000 km。特别是当电离层受到骚扰时，仍可保持通信。流行电离余迹反（散）射传播，利用发生在80120 km处流行电离余迹对电波的反（散）射作用，可实现2000 km以内的远距离传播。常用频段为3070 MHz。由于流星余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它建立瞬间通信，在军事上应用较多。电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering v地电离层

6、波导传播 电波在以地球表面及电离层下缘为界的地壳形空间内传播。主要用于低频、甚低频远距离通信及标准频率和时间信号的传播。其主要传播特点是：传输损耗小，受电离层扰动影响小，传播相位稳定，有良好地可预测性，但大气噪声电平高，工作频带窄。v外大气层及行星际空间电波传播 电波传播的空间主要是在外大气层或行星际空间，并且是以宇宙飞船、人造地球卫星或星体为对象，在地空或空空之间传播。目前主要应用于卫星通信、宇宙通信及无线电探测、测控等业务中。其传播的主要特点是：因距离远，自由空间传输损耗大，在地空电路中要受到对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速粒子的影响，例如10 GHz以上的电波大

7、气吸收和降雨衰减严重。电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 如上介绍的五种电波传播方式，实际工作中往往取其一种作为主要的电波传播途径，在某些条件下可能几种传播途径并存，例如中波广播业务，某些地区既可收到经电离层反射的天波信号，同时又可收到沿地表传播的地波信号。通常是根据不同频段电波传播的特点，利用天线的方向性来限定一种主要的传播方式。在利用电波传递信息、完成无线电通信、广播电视、导航、遥控遥测、雷达等业务中，掌握电波传播的特点及其规律，以及进行必要的传输特性的估算（传输损耗、干扰信号及噪声电平、衰

8、落、时延、交叉极化特性等），是研究各种无线电信道特性和正确论证、设计组织使用各种无线电系统的重要依据。电波传播方式分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 内容安排EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering v自由空间 自由空间是一种理想情况，通常指充满均匀、无耗媒质的无限大空间，并具有各向同性、电导率=0、相对介电常数r=1及相对磁导率r=1。为各种传播方式提供了一个进行比较的标准，同时也为了简化电波传输损耗的计算。设一天线置于自由空间

9、，在其最大辐射方向上、距离为d的接收点处产生的场强为 pt为发射天线输入功率（W），Gt为发射天线增益，d为距离（m），E0为自由空间场强振幅值。为便于实用，或写成：自由空间电波传播060V mttPGEd(1)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 当接收天线与来波极化匹配并与负载阻抗匹配时，其接收功率为 式中S为坡印廷矢量（W/m2）,Ae为接收天线的有效面积（m2），Pt为发射天线的输入功率（W），Gt和Gr分别是发射天线和接收天线的增益，为自由空间电波的波长（m）。实际中若要设计一条通信链路，要对发射机功率

10、、天线增益、接收机灵敏度等提出合理指标要求，一般要进行信道计算，而其中对信道传输损耗的考量是其中重要内容。自由空间电波传播(2)0245kWmV mkmttPGEd222(W)444ttrerttrP GPSAGPGGdd(3)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 传输损耗度量电波在传输过程中信号电平的衰减程度。对于自由空间，电波的衰减可用“自由空间传输损耗”Lbf来度量，Lbf定义为在自由空间内两个理想点源天线（G=1）之间的传输损耗，即自由空间内，增益Gt=1的发射天线的输入功率Pt与Gr=1的接收天线的输出

11、功率Pr之比，即上式代入(3)中，得若以分贝(dB)表示自由空间电波传播(4)1tbftrrPLGGP24bfdL(5)410lg20lgdBtbfrPdLP(6)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 或可写为 由（7）知，当电波频率提高一倍或传播距离增加一倍时，自由空间传输损耗将增加6 dB。自由空间的传输损耗反映了球面波的扩散损耗，是随着传播距离的增大，能量的自然扩散而引起的损耗。自由空间电波传播(7)32.4520lg(MHz)20lg(km)dBbfLfdEMW Propagation Engineeri

12、ngSchool of Electronic Engineering 内容安排EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering l传输损耗 电波在实际中是在有耗媒质中传播的，因此接收点的场强总是小于自由空间传播时的场强。设实际情况下接收点场强E（振幅值）的表达式为 式中A=|E|/|E0|称衰减因子，它与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物情况、传播方式等因素有关。相应的坡印廷矢量和接收功率分别表示为：传输媒质对电波传播的影响060(W)V m(m)ttPGEE Ad(8)222W m4ttPGSAd(9)22W4rtr

13、tPA GG Pd(10)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 对于某一传输电路，发射天线输入功率与接收天线输入功率（满足匹配条件）之比，定义为该电路的传输损耗L，即 若用分贝表示，则为 由于A1，因此A（dB）是一负值，它反映了对电波能量的吸收，因而使电路的传输损耗增加。舍去设备因素的影响（令Gt=Gr=0 dB）,传输媒质对电波传播的影响2241trtrPdLPA GG(11)(12)420lgdB(dB)(dB)dBtrdLAGG 420lgdBdBbdLA(13)EMW Propagation Engin

14、eeringSchool of Electronic Engineering （13）表示信道（即传输媒质）中功率的传输情况，称为“路径传输损耗”或称为“基本传输损耗”。由于衰减因子A随不同的传播方式、不同的传播情况而异，因此A的计算将结合各种传播方式来定义。l衰落 衰落，一般是指信号电平随时间而随机起伏的现象。信号电平有几秒或几分钟内快速的变化（快衰落），也有几十分钟或几小时至几天、几个月内出现缓慢的变化（慢衰落）。根据引起衰落的原因，可分为吸收型衰落和干涉型衰落。传输媒质对电波传播的影响EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engi

15、neering v吸收型衰落 吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化，使得信号衰减发生相应的改变而引起的。如电离层的电子浓度有明显的日变化、月变化、年变化等，因而使电离层的等效参数r、等相应改变，经电离层反射的信号电平亦相应起伏变化。由于媒质的变化是随机的、缓慢的，因此由这种机理形成信号电平的变化也是缓慢的，故吸收型衰落是慢衰落。v干涉型衰落 干涉型衰落是由随机的多径传输引起的。接收点场强是不同传输路径的场的叠加，只要各路径的相对时延稍有变化，合成信号电平就会有明显的快速起伏，表现出快衰落的特性，故干涉型衰落又称为多径衰落。传输媒质对电波传播的影响EMW Propagation Engine

16、eringSchool of Electronic Engineering 事实上，信号的快衰落与慢衰落兼而有之，快衰落往往叠加在慢衰落之上，只不过在较短时间内观测时，后者不易被察觉，而前者则表现明显。信号电平的衰落情况如图1所示。由于信号衰落是随机的，人们只能掌握信号随时间变化的统计规律。通常是用信号电平中值、衰落幅度（或衰落深度）、衰落率、衰落持续时间等参数来说明信号的衰落统计特性。传输媒质对电波传播的影响(a)慢衰落(b)快衰落图1 信号衰落EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering l传输失真 无线电波通过媒质

17、时除产生传输损耗外，还会产生失真。对模拟信号而言，振幅失真和相位失真将使信号畸变，信号逼真度下降；对数值信号而言，则将提升误码率。一般而言，产生失真的原因一是媒质的色散效应，二是随机多径传输效应。v色散效应 色散效应是由于不同频率的无线电波，在媒质中传播速度有差别而引起的信号失真。载有信息的无线电信号总是占据一定频带，当电波通过媒质传播到达接收点时，由于各频率分量的传播速度不同，因而不能保持原来信号中的相位关系，引起波形失真。具有色散效应的媒质就是色散媒质。如电离层对30 MHz以下的电波就有色散效应。传输媒质对电波传播的影响EMW Propagation EngineeringSchool

18、of Electronic Engineering v多径传输 当电波以两个或两个以上不同长度的路径传播到达接收地点时，则接收天线捡拾的信号是由几个不同路径传来的电场之和。因路径长度有差别，它们到接收地点的时间延迟（简称时延）不同。若以表示最大传输时延与最小传输时延之差，若值太大就会引起较明显的信号失真。图2(a)示出了接收点场强是由两条路径传来的、振幅不等的、相位差=的两个电场叠加。传输媒质对电波传播的影响(a)(b)图2 多径传输效应EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 对传输信号中的各个频率分量而言，相同的

19、值却引起了不同的相位差。如对频率为f1的分量，若1=1=时，两条路径传来的f1分量合成场呈最小值；而对f2分量，2=2=2时，则此分量的合成场呈最大值。如图2（b）所示，f1和f3是两个相邻的、合成场强为最小值的频率，它们之间的相位差等于2，即3-1=(3-1)=2，则=3-1=2/，或 式中f为多径传输媒质的相关带宽，它与多径时延的值成反比。若所传输的信号带宽很宽，与1/可比拟时，则所传输的信号波形将产生明显的畸变，也就是说，信道的多径传输效应对传输信号的带宽提出了一定的限制。传输媒质对电波传播的影响1f(14)EMW Propagation EngineeringSchool of Ele

20、ctronic Engineering 实际上，多径传输路径不止两条。若传输媒质电参数是随机变化的，则值也是随机量，因此合成场强模值随频率的变化时随机的，即传输媒质对不同频率成份有着不同的、随机的响应，这种现象就称为频率选择性衰落。它对快速通信的误码率、雷达目标识别的精确度等都有重要影响。l电波的折射、反射与绕射现象 当电波在无限大均匀、线性媒质内传播时，射线是沿直线传播的。然而实际中，电波所经历的空间场所是非常复杂的。例如球形地面和障碍物将使电波产生绕射；地貌、地物等将对电波产生折射、反射或散射作用，对流层中的湍流团、雨滴等水凝物对电波特别是微波产生散射；既使电波在对流层中传播，也由于温度、

21、传输媒质对电波传播的影响EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 湿度随高度而异，致使波射线产生连续的小角度折射，结果使射线轨迹弯曲。总之，上述现象都会使电波传播方向发生变化，这对于利用电波传播完成通信、雷达、遥控、遥测等系统的工作带来一定的麻烦或影响测量精度，因此，在系统设计或实际工作中必须予以考虑。传输媒质对电波传播的影响EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 内容安排EMW Propagation EngineeringSchool

22、 of Electronic Engineering 前已述及信号通过任何传输媒质都会不可避免的产生衰减、时延、畸变等，特别是通过对流层、电离层等随机时变媒质时，将受到更复杂的影响。另外，信号在开放空间传播时，无用干扰信号和噪声的引入，也会使信号的传输质量下降。从电子工程的角度考虑，主要关心的是媒质对所传输信号的最终作用结果。l信道模型的一般表示式 所谓信道是指传输信息的媒质或通道。例如电离层就是短波天线传播的信道。信道，通常具有下列共性：所有信道都有输入端和输出端 即使信道输入端无信号输入，但输出端也有噪声 信号在传输过程中均遭受到衰减、时延或其它影响 绝大多数信道是线性的 干扰与噪声EMW

23、 Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 最简单的信道模型如图3所示，e1(t)表示信道输入端的已调制信号，e0(t)是输出信号。一般而言，信道对信号的影响可以用两个因子来表示：一是乘性干扰因子k(t)，作用于所传输的信号上，另一个为加性干扰因子n(t)，是混迹于信号之中一定数量的噪声。信道的输入、输出关系可表示为：乘性干扰是与e1(t)共存的一种干扰，k(t)e1(t)反映了信道对信号传输的最终作用结果。k(t)一般是一个复杂的函数，因信道而异。若k(t)随时间变化极为缓慢或基本不变，则此信道称为恒参信道；若k(t)随时

24、间而随机快变化，则此信道称为随参信道，对随参信道的分析则要复杂得多。干扰与噪声 01etk t e tn t(15)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 干扰与噪声图3 信道模型 加性干扰n(t)与输入信号e1(t)彼此独立不发生依从关系，既使信道无输入信号，n(t)干扰噪声依然存在。通常所说的干扰噪声均系指加性干扰而言的。EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 加性干扰n(t)与输入信号e1(t)彼此独立不发生依从关系，既使信道无输

25、入信号，n(t)干扰噪声依然存在。通常所说的干扰噪声均系指加性干扰而言的。l电磁噪声的分类及表述方法 在任何一个电子系统中，广义的噪声是指本系统所欲传输的信号之外，一切规则的和不规则的、可懂的和不可懂的干扰，统称为噪声。若按噪声源的情况区分，可分为：自然噪声；人为噪声；系统内部噪声。具体如图4所示。干扰与噪声EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 干扰与噪声图4 电磁干扰分类EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 若按噪声的性质可分为随

26、机噪声和非随机噪声。v随机噪声 随机噪声通常是指不可预测的噪声、如单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声等。单频噪声通常是指一种窄带的连续波的干扰、如外台信号等。这种噪声并不是在任何电子系统中普遍存在的，其频率可通过实测确定，并且在电路上或天线上采取某些措施是可以克服的。脉冲噪声是指突发性的一种噪声，如工业中的点火系统、大气中的闪电、电器开关的通断时所产生的噪声。特点是突发脉冲幅度大，但持续时间短，相邻脉冲之间的时间间隔较长，占有很宽的频谱（从甚高频到高频），但频率越高幅度越小，一般来说，这种干扰的危害最大。干扰与噪声EMW Propagation EngineeringSchool of Electr

27、onic Engineering 起伏噪声如热噪声和宇宙噪声等，其中热噪声是普遍存在的和不可避免的。至于非随机噪声，如电源噪声、自激振荡和系统内部的谐波干扰等，它们是可预测的，并且至少在原理上可以设法消除和基本消除。综上，除电台干扰外，很多噪声都属于随机噪声的范畴。通常用噪声温度或噪声系数来描述随机噪声功率。理论和实验表明，一个电阻（R）所产生的噪声电压un(t)，通过带宽B（Hz）的理想矩形带通滤波器后，在其输出端噪声电压的均方根值为 式中，k为波尔兹曼常数，其值为10-23。K)，T为电阻的绝对温度(K)，B为理想矩形带通滤波器的带宽(Hz)。当一个电阻热噪声源与负载电阻匹配相连时，其输出

28、的噪声功率为干扰与噪声24nUkTBR(16)EMW Propagation EngineeringSchool of Electronic Engineering 该式表明，当电阻热噪声源与其负载电阻匹配时输出的最大噪声功率与电阻R无关，仅与温度(T)与带宽(B)的乘积成正比。若将天线所接收的外部噪声以及由天线导体产生的热噪声都等效地看成是天线电阻引起的，当天线与其接收系统阻抗匹配时，则天线送给系统的噪声功率Pn也可用一个天线的等效噪声温度Te来表示，即或其中B为等效噪声宽度。干扰与噪声22W2nnUPRkTBR(17)WnePkT B(18)(K)nePTkB(19)EMW Propaga

29、tion EngineeringSchool of Electronic Engineering 此外，对于来自接收机的外部噪声，也可用等效天线的噪声系数Fe来表示式中，Pn(W)表示从等效的、无耗的垂直短天线中所测得的噪声功率；T0是参考温度，通常取290 K。由(18)和(20)知如是可用等效噪声系数Fe和等效噪声温度Te来表示外部噪声功率。若以分贝表示，则噪声功率可写为或干扰与噪声10lg10lg(K)10lg(Hz)228.6(dBW)neePT kBTB(22)0nePFkT B(20)0eeTFT(21)010lg(dB)10lg(Hz)204(dBW)neePFT kBFB(23)