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第2章地表电波传播模式
1
§2.1空间波传播模式
地表传播模式
2
图2.1光滑平面地面上电波的传播模式
在电波的传播过程中,由于地面的存在,电波在传播中首先会遇到空气和大地两种不同媒质的分界面。地面的尺寸比波长大得多,因此,电波在传播过程中首先要发生反射,导致反射损耗;其次,由于地球表面的电导率r≠0,当电波射入地面后,将产生地电流,导致吸收损耗。
由电波射入地面后所产生的地电流,将改变地球表面电磁场的分布,从而影响到电波传播的特性。在平面地面上传播的波具有两种传播模式:一种是空间波传播模式,即直射波与反射波的叠加;另一种是地表面波传播模式。
§2.1空间波传播模式
3
2.1.1光滑平面双线反射模型
图2.2双线地面反射模型
当天线架设高度与波长相比较高时,电波主要以空间波的方式进行传播,因此可以忽略地表面波的影响。
在工程设计中,当频率大于150MHz时,通常就只考虑直射波和反射波,这时可以用双线地面反射模型来研究电波传播的特性。
在大多数移动通信系统中,收发信机间距最多达到几千米,这时可假设地球表面为平面。总的接收场强ETOT为直射波场强ELOS和地面反射的反射波场强Eg的合成结果。
§2.1空间波传播模式
4
2.1.1光滑平面双线反射模型
如图2.2所示,hT为发射天线高度,hR为接收天线高度。如果E0为距发射无线d0处的场强(单位为V/m),则对于传播距离dd0,自由空间传播的场强为
|E(d,t)|=E0d0/d表示距发射机d(m)处的场强包络
设直射波经过距离d,反射波经过距离d传播到接收机,接收机收到的直射波场强为
根据反射定理,假定垂直极化波在理想地面上反射,总电场是ETOT和ELOS的矢量和,总的电场包络为
§2.2双径反射模型
5
2.2.1反射的有效区域
图2.5有反射时路径损耗的最简单情况
在图2.5中,如果以发射源T的镜像源T和接收点R为焦点画出一个菲涅耳区的椭球面。由它可以估计出对反射波起主要作用的地面上的菲涅耳区的大小,该区称为有效反射区。有效反射区的大小基本上第一菲涅耳区或者2个菲涅耳区所定。
§2.2双径反射模型
6
2.2.1反射的有效区域
如图2.6所示,T、T和R均在zy平面上,地面反射的椭圆有效区域与XY平面重合,该椭圆的长轴在y轴上,短轴通过c点平行于x轴,假设图中的椭圆是第n菲涅耳区的边界面(椭球面)与地面相交所得。在这第n菲涅耳区椭圆上任取一点,根据菲涅耳区的定义有
图2.6反射地段上的菲涅耳区
§2.2双径反射模型
7
2.2.2平坦地面上的反射系数
平坦地面反射波的幅度和相位的大小取决于反射系数(也就是和地面特性有关)、反射点处入射波的幅度和相位的大小以及入射波的初始极化。事实上,对于在地面上的电波传播,地面特性由地表面的电导率和介电常数所决定,其中εr是相对介电常数εr的实部,σ/wε0是其虚部。另外,经常用掠射角代替,。
反射系数R//和R⊥并不相同,而且都是复数量,所以反射波在幅度和相位上都不同于入射波。
§2.2双径反射模型
8
2.2.2平坦地面上的反射系数
表2.2地面特性表
地形
电导率(S/m)
相对电导常数
海水
5
80
淡水
8×10-3
80
干地
2×10-3
10
沼泽地,森林
8×10-2
12
农业用地,低山
1×10-3
15
牧场,中等山
5×10-3
13
岩石地,陡峭山
2×10-3
10
群山
1×10-3
5
住宅区
2×10-3
5
工业区
1×10-4
3
在理论计算时,地球表面的电特性是用表2.2来表征的。
根据电导率、频率及介电常数关系,可以将地表做两种近似
电介质
电导体
§2.2双径反射模型
9
2.2.3双射线传播模式
双射线模式可以描述无线电波在平坦地面上的传播过程。该传播模式可直接作为路径损耗计算的公式,例如用在微蜂窝中,也可以作为评估各种场强衰耗和路径损耗计算公式的参考。下面来考虑地面附近的两点之间的无线电波传播,并用平面波近似代替球面波。此时,根据来自场源的直达射线和来自平坦地面的反射射线的叠加,就可得到双射线模式。
自由空间中两个单位增益(G=1)天线之间,接收点处场强大小写成
对于平坦地面,考虑到传播相位时,由镜像原理可以得到接收点处的场强为
§2.2双径反射模型
10
2.2.3双射线传播模式
当入射波的掠射角很小时,对于远离发射的区域φ≈180°。此时,(2.41)式亦可简化为
由上式可以看到,决定直达波和反射波组成的接收场强与自由空间场强之间的振幅比是反射系数和△φ。其中△φ的变化会引起合成场按(2.44)式作周期性变化,这是干涉场的主要特征。如果
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