《微波传播》①-⑥节内容纵向总结.docVIP

第四章 微波传播 自由空间的电波传播 电波与自由空间 微波是一种电磁波，微波频率为300MHz~300GHz。根据微波传播的特点，可视为平面波。 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM波。有时我们把这种电磁波简称为电波。 自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。在这个空间充满着均匀、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数F/M（法/米），导磁系数μ=μ0=4π﹡10-7H/M（亨/米）。 自由空间传播损耗 电波在自由空间传播时不产生反射、折射、吸收和散射现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。 但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。因为电波由天线辐射后，便向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远，这一部分能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。显而易见，距离光源越远的地方，单位面积上接收到的能量也越少。这种电波扩散衰耗就称为自由空间传播损耗。 假定发信设备位于球体中心，使用无方向性天线，以功率Pt向周围空间辐射电磁波，在半径为d的球面上接收点B的单位面积上的平均功率为 由天线理论知道，一个各向均匀辐射的天线，其有效面积为： 这样，一个无方向性天线在B点收到的功率为 还可写成 (4-1) 传播损耗为： (4-2) 或 当距离d以km为单位，频率f以GHz为单位时 (4-3) 当频率f以MHz为单位时 (4-4) 自由空间传播条件下收信电平的计算 微波通信中实际使用的天线为有方向性天线，设收发天线增益分别为Gr（dB），Gt（dB）；收发两端馈线系统损耗分别为Lfr(dB)、Lft(dB)；收发两端分路系统损耗分别为Lbr(dB)、Lbt(dB)。 所以，在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为 (4-5) 例：已知发信功率Pt=1W，工作频率f=3800MHz，两站相距45km，Gt=Gr=39dB，Lft=Lfr=2dB，Lbt=Lbr=1dB。 求：在自由空间传播条件下，接收机的输入电平和输入功率。 解：由已知条件，站距d=45km，工作频率f=3800MHz，由公式（4-4），可求得 Ls(dB)=32.4+20lg45+20lg3800≈137dB 将Pt=1W换算成电平值：Pt=10lg1000mW=30dBm ∴ =30+(39+39)-(2+2)-(1+1)-137=-35dBm 求收信机输入电平时，只要将电平取“反”对数即可。 ∵Pr(dBm)=10lgPr ∴ 地面反射对电波传播的影响 不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、绕射和地面散射。 地面散射往往表现为乱反射，对主波束的影响较小，我们不予讨论。绕射将在下节讨论。 反射影响的主要表现是：地面可以把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线（光滑地面或水面反射的能量更大些），与主波信号产生干涉，并与主波信号（直射波）在收信点进行矢量相加，其结果是，收信电平与自由空间传播条件下的收信电平相比，也许增加，也许减小。 费涅耳区的概念 惠更斯—费涅耳原理 惠更斯提出了电磁波的波动性学说，费涅耳在这个基础上又提出了“费涅耳”区的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。 惠更斯原理关于光波或电磁波波动性学说的基本思想是：光和电磁波都是一种振动，其振动源周围的媒质是有弹性的，故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。 根据惠更斯原理的基本思想可认为：一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等。若点源发出的是球面波，那么由点源形成的二次波源的波前面也应是球面波，三次、四次……波前面也应是球面波。 在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于站间距离的时候，我们可以把发信天线近似看成一个点源。 当把波前面分成许许多多面积元时，这些面积元都将成为一个新的点源。尽管发信和收信点之间有障碍物，由于它不可能阻挡住所有的面积元，故接收点仍有一定的场强值，决不会是零。 费涅耳椭球面 在讨论费涅耳区之前，先介绍一下费涅耳椭球面，如图4-1所示。 图中发信点为T，收信点为R，收发之间的距离d=TR。在高等数学中讲到：平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离之和若为常数，则此动点的轨迹为一个椭圆。在空间，此动点的轨迹为一个椭球面。 BA B A RT R T 图4-1 费涅耳椭球面与费涅耳区 在电波传播中，当此常数为时，得到的球面称为第一费涅耳椭球面；此常数为时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面……，常数为时，得到的椭球面称为第n费涅耳椭球面，如图4-1所示。图中A表示第一费涅耳椭球面，B表示第二费涅耳椭球面。 费涅耳区 如果