《数字微波通信(2).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字微波通信(2).docx（107页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、数字微波通信第六章微波传播与衰落20201313年年1010月月88日日2013-10-08Copy right By Dr.Fang16.1 微波在自由空间中的传播自由空间：理想均匀介质的空间，它的介质电导率s = 0(Sm )，介电常数是真空介电常数 e 0(1/ 36p )10-9 (Fm) ，磁导率是真空磁导率 m04p 107 (Hm) 。电波在这里传播不产生反射、折射、吸收及散射等现象。在自由空间中，微波只是因为能量扩散而衰减。电波在自由空间的传播衰减天线理论：无方向性天线的有效面积为 l2 4pA点发射功率为P1, B点接收功率为P2, AB间距离是d。AdBP2 = 接收点功率
2、密度天线有效面积=Pl2l24pd 24p = P1p1 4 d 2013-10-08Copy right By Dr.Fang2P =Pl2= Pl 214pd 2 4p214pd 自由空间的衰减系数为：Ls =P14pd 2= P24pd 24pdl d (km)L = 10 lg= 20 lg= 20 lg 4p + 20 lgll(km)sl = 22 + 20 lg d (km) - 20 lg l(km)= 22 + 20 lg d (km) - 20 lg c(km/s) f (Hz)= 22 + 20 lg d (km) - 20 lg 3105 (km/s) f 106 (M
3、Hz)= 22 + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHz) + 20 lg 103= 32.5 + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHz)2013-10-08Copy right By Dr.Fang3Ls = 32.5 + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHz)dB例1 设某两个微波站的距离为50km，分别计算工作频率为2GHz、8GHz时的自由空间传播衰减。解： 由公式可得f=2GHz：Ls = 32.4+ 20lg50 + 20lg2000 132dBf=8GHz：Ls = 32.4+ 20lg50 + 20lg8000 144dB2
4、013-10-08Copy right By Dr.Fang4自由空间微波收信电平的计算考虑到实际微波接力通信中收、发两端天线的增益，收、发两端馈线及分路系统的衰减，则在自由空间传播条件下，收信机获得的功率应为发分分收路L S路馈线馈线射信系系机L ftL fr机统G TG R统L btL brP RP TPR0 = PT + GT + GR - L ft - L fr - Lbt - Lbr - Ls 2013-10-08Copy right By Dr.Fang56.2 微波在对流层大气中的传播大气划分为对流层、平流层、中间层、热层、外逸层5个层次。对流层：地球表面最近，气温随高度的升高而
5、降低。平流层：对流层往上到50千米。空气稀薄，水汽和尘埃很少，气流以水平运动为主，而且很平稳，适宜于飞机飞行。中间层：平流层往上到85千米。气温随高度升高而降低，最高处气温低至90左右。热层：85千米到500千米。温度随高度升高而升高，可达30004000。氧原子和氮原子处于电离状态，所以又被称为电离层。外逸层：热层以上。下限约在8001000千米，上限可到3000千米以上。是地球大气与星际空间的过渡，空气非常稀薄，一些运动的空气分子和原子会逃逸到宇宙中去，又称散逸层。2013-10-08Copy right By Dr.Fang62013-10-08Copy right By Dr.Fang
6、7一、大气折射率微波接力通信信号在对流层（Troposphere）中传播的。电波在大气中的传播速度为V =1=Cm0 e 0 e re r大气折射率n的定义为： n = CV = e rr与大气湿度、压力、温度等有关，而温度、压力、湿度又随高度变化。可认为大气是由折射率逐渐变化的许多薄层构成。在大气层中传播的电波将因连续折射而使轨迹发生弯曲。折射率梯度：折射率随高度的变化率，dn/dh。dn/dh0时，电波射束向上弯曲；dn/dh0时，电波射束向上弯曲；dn/dh0时，电波射束向下弯曲。电波电波 小（ n大）电电电电电电 大（ n小）电电电电电电电波电波大（n 小） 电电电电电电 小（n大）电
7、电电电电电图10受大受受电受受受电电受受受受2013-10-08Copy right By Dr.Fang9二、等效地球半径系数为了将电波轨迹按直线处理，引入等效地球半径（Effective Earth Radius）的概念。等效条件：电波轨迹与地面之间的高度差相等，或等效前后的电波路径与球形地面之间 R0 Re 的曲率之差保持不变。(1/ Re)(1/)(1/R0 )(1/)等效折射真实折射等效地球Re =R0（王一平著微波传播） r = -1dn1- ( R0 r )2dh等效地球半径系数：K =Re=1R0+ R0dn1dh2013-10-08Copy right By Dr.Fang1
8、0三、折射的分类负折射（K 0 ，K1或Re R0电波射线弯曲方向与地球弯曲方向相反（3）正折射dndh 1或Re R0 ，电波轨迹向下弯曲。无折射（K=1)标准折射（K=4/3)临界折射（K=)超折射（K0)在温带地区，大量实验表明K的平均值为4/3，在两极地区，K取值为(6/54/3)。在赤道地区，K取值为(4/32/3)。2013-10-08Copy right By Dr.Fang116.3地面对微波传播的影响在收发两点相距为d公里时，接收点电场强度为E = E0V = 30PS V (mV m) d衰落因子V（Attenuation Factor）与收、发两点距离，天线高度，发射天线
9、的方向性及地面情况等条件有关。一、微波在光滑地面(A Plane Earth)上的传播为了使问题简化，先假定：收、发之间的距离不大，不考虑地球的曲率，认为地面是平坦的；也不考虑地面媒质对电波的吸收。2013-10-08Copy right By Dr.Fang12直射波与反射波的行程差为Dr = AB - AB= d 2 + (h1 +h2 )2 - d 2 + (h1 -h2 )2h+ h2h- h2= d 1+ 12-1+ 12ddh1 + h2 1,h1 - h2 1ddA直射波B反射波h 1Ch 2d 1d 2dA h + h 21 h + h 2h - h 21h - h21+ 12
10、 1+12,1+ 12 1+12d2dd2dDr = 2d可得行程差为:h1h22013-10-08Copy right By Dr.Fang13直射波与反射波的行程差Dr = 2 h1dh2地面C点的反射系数f = fe- jj直射波到达收信点的场强e1 (t) = E0 cosw t反射波到达收信点的场强e2 (t) = f E0 cosw t - j - 2pDr / lA直射波B反射波h 1Ch 2d 1d 2dA 2013-10-08Copy right By Dr.Fang14e (t) = E cosw t2p10j +2pDrp - j +Dr le2 (t) =fE0 cos
11、w t - j - 2pDr / ll收信点的合成场强E = E 2+ E 2f2 - 2 E 2f cosp -j +2pDr000l= E2+ E 2f2 + 2E 2f cosj +2pDr= E1+f2 + 2f cosj +2pDr000l0l地面衰落因子:V = E = 1 + f 2 + 2f cosj + 2lp DrE02013-10-08Copy right By Dr.Fang15V = E = 1 + f 2 + 2f cosj + 2lp DrE0地面C点的反射系数 f = fe- jj假定反射系数的模 f = 1 ，站距d远远大于天线高度h，使反射波的入射角 q 很
12、小，反射系数相角j p 。回顾“电磁场理论”公式 RN=h2 cosqi -h1 cosqth2 cosqi +h1 cosqtE2pV = 2+ 2 cosp +DrE0l故V =22 cos(2pDrl) = 2 sin(pDrl)2013-10-08Copy right By Dr.Fang16V = 22 cos(2pDrl) = 2 sin(pDrl)讨论衰落因子V1) Dr /6时，V1。V| |=121| |=0.52r0 5 7 3 116 2 66 2 62) Dr在(n/2) (/3)与(n/2)+（/3)之间时， 1V2, (n1,3,5,)。3) Dr在(n/2)(/6
13、)与(n/2)+（/6)之间时，0VF1，d2F1，可得22l+F1+F1 d1+ d2+ d1+ d222d1 2d2 可解出：F1=ld1d2dTR F 1P d 1 d 2 d 反射点P在路径中点时，菲涅尔区半径最大，记为Fmax。2013-10-08Copy right By Dr.Fang23例 某微波线路，工作频率f=8GHz，两端天线距离为50km，试计算线路中间点的第一菲涅尔区半径F1的值。解：由公式可得F =0.0375 25 25 103= 21.65m150最小菲涅尔椭球面：使反射波与直射波的行程差为/6 的反射点形成的面，其合成波的场强等于自由空间场强。最小菲涅尔区半径
14、： F =1F =ld1d2= 0.577F33d011有时也用 h0 表示最小菲涅尔区半径。2013-10-08Copy right By Dr.Fang24二、传播余隙（Clearance）RH = h1d2 + h2d1 - H - HPcbshdH ch2T（631）Hsh 1d1d2Hb =H b2KR0d 1d 2（630）d2013-10-08Copy right By Dr.Fang25借助于传播余隙去计算VDr =2F2可以证明：lH c考虑到实际中 j p ，可得1E22p2Hc2 V =1 +f+ 2f cos j +Dr =1 +f2f cos p ElF01pH c2
15、若f= 1则： V= 2sinVdB = 20 lgV (dB)2F1要求： HcF0保证接收场强不小于自由空间场强2013-10-08Copy right By Dr.Fang262013-10-08Copy right By Dr.Fang27三、微波线路的分类微波线路的设计，需要根据线路的类型决定何种设计方案。1.按地形状况分类A型剖面地区：由山岭、城市建筑物或二者混合组成。无宽敞河谷和湖泊，反射区域内有起伏大于20m的山岭；天线高差大；电波仰角大于0.5，等效地面反射系数小于0.5，地面反射引起接收电平的下降不超过6dB。B型剖面地区：由丘陵组成，无宽敞河谷和湖泊；反射区域内有地形起伏
16、大于10m的丘陵地带；天线高差较大；等效地面反射系数小于0.7，地面反射引起接收电平下降小于10dB。C型剖面地区：由平原和水网区域组成。等效地面反射系数大于0.7，地面反射引起接收电平下降超过10dB。天线高差不大、沿海地区和大部分跨越水面的线路都属于C型剖面。2013-10-08Copy right By Dr.Fang282.按余隙分类开路线路：HcF0，这种线路可等效为平滑地面反射的情况。半开线路：0Hc h1首先求出反射点位置，即d1Q=d 2+ 2.125K (h2+ h1 )12Pj = arccosQ3 2d j+ 2400d1=+ 2Q cos23然后采用与前面相同的方法求出V。H c =h1 d 2+ h2 d1- H b - Hs,F1=ld1d2dd22Hc2 V = 1+ff cosp ， VdB = 20 lgV (dB)F12013-10-08Copy right By Dr.Fang322. 半开路线路（0Hc1，所以中点的地球凸起高度将减小 DH b2KR0DH=d d2-d d2=25 25 10 6-25 25106=9.5(m)112R2KR2 6370 10 32 1.24 6370 103b00考虑了折射后的余隙用Hce表示HH ce = H c + DH b=20 + 9.5 = 29.5(m)HcecH