电磁波的传播特性教学课件.pptVIP

*************************************电离层对电磁波的影响层状结构电离层由D、E、F1和F2多个子层组成，不同高度电子密度不同反射特性频率低于临界频率的无线电波被反射回地面，实现超视距通信穿透效应高于临界频率的电磁波可穿透电离层进入太空，用于卫星通信3时变特性电离程度受太阳活动、昼夜和季节变化影响，导致通信质量波动电离层是地球大气层中由于太阳辐射作用形成的带电粒子层，高度约在60-1000公里之间。它对无线电通信既有帮助也有干扰：低频和中频电波可通过电离层反射实现远距离传播，而高频信号则会受到明显的衰减和多径效应。在现代通信系统设计中，必须考虑电离层的动态变化特性，特别是在极区和赤道区，电离层的不规则结构可能导致信号闪烁和中断。多径传播形成机制电磁波通过多个不同路径到达接收点，包括直射、反射、散射和衍射路径时延扩展不同路径长度导致到达时间不同，产生时延扩展，引起码间干扰信号干涉多路径信号相位差异导致的干涉，引起信号强度随位置快速变化多径利用现代通信系统利用多径特性增加信道容量，如MIMO技术多径传播在无线通信系统中无处不在，特别是在城市和室内环境中更为严重。过去，多径主要被视为干扰源，导致信号衰落、符号间干扰等问题。但现代通信技术已能将这一缺点转变为优势，通过多天线和高级信号处理技术利用多径信号提高传输速率和可靠性。衰落现象快衰落快衰落是由多径传播引起的信号强度快速变化现象，特点是在很短的距离（通常是波长级别）内信号强度就会有显著波动。快衰落的主要原因是多径信号的相位关系随接收位置变化，导致信号相互增强或抵消。快衰落的统计特性通常用瑞利分布或莱斯分布描述。慢衰落慢衰落是由大尺度地形特征、建筑物遮挡等因素引起的信号平均强度的缓慢变化，变化距离通常是几十到几百米。慢衰落主要受传播环境的大尺度变化影响，如移动终端进入建筑物阴影区或地形变化引起的路径损耗增加。慢衰落通常用对数正态分布描述。衰落现象是无线通信系统设计中必须考虑的关键因素。为了克服衰落影响，现代通信系统采用多种技术，如分集接收（时间、频率、空间分集）、自适应调制编码、交织和信道编码等。了解衰落的统计特性有助于预测通信系统的性能并优化网络设计。多普勒效应f=f(1±v/c)频率变化观测频率与发射频率的关系Δλ/λ=v/c波长变化移动导致的波长相对变化±方向因素靠近时频率增加，远离时频率减小5-100Hz典型频移车载移动通信中的多普勒频移范围多普勒效应是指波源与观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的波频率与波源发出的频率不同的现象。在电磁波传播中，多普勒效应在雷达测速、天文观测和移动通信等领域有重要应用。在移动通信系统中，终端的移动会导致接收信号出现多普勒频移，产生频率扩展，影响系统性能。高速铁路和航空通信面临的多普勒效应更为显著，需要特殊的信号处理技术来补偿。红移现象是宇宙膨胀的重要证据，就是基于电磁波的多普勒效应。电磁波在导波管中的传播导波机制电磁波在金属管壁之间反射前进，能量集中在管内，避免辐射损耗传输模式根据场分布分为TE模(横电场)、TM模(横磁场)和TEM模(横电磁场)截止频率每种传输模式都有最低工作频率，低于此频率信号无法传播应用领域广泛用于微波和毫米波设备，如雷达、卫星通信、粒子加速器导波管是一种用于引导电磁波沿特定路径传播的传输线结构，特别适合高频微波信号的传输。与同轴电缆相比，导波管在高频段具有更低的损耗和更高的功率容量。导波管内部通常是空心的，内壁为导体，形状可以是矩形、圆形或椭圆形。导波管的工作原理基于电磁波在金属界面上的反射和导波效应，通过特定几何设计可以支持特定模式的传播，同时抑制其他不需要的模式。矩形波导结构特点矩形波导是最常见的波导类型，由四个矩形排列的金属壁组成空心管道。其截面尺寸（宽a和高b，通常ab）决定了传播特性。矩形波导中的主模式是TE10模式，即电场垂直于传播方向，且沿宽度方向分布为半个正弦波。传播性质TE10模式的截止频率fc=c/(2a)，其中c为光速，a为波导宽度。工作频率必须高于截止频率才能有效传播。波导中的传播波长λg大于自由空间波长λ0，两者关系为λg=λ0/√(1-(fc/f)2)。波长越接近截止频率，导波波长越长，群速度越慢。矩形波导广泛应用于微波雷达、卫星通信和粒子加速器等系统中。设计时通常使波导工作在单模状态，即仅允许TE10模式传播，这样可以避免模式间的干扰和色散。矩形波导还支持TE11、TM11等高阶模式，但这些模式的截止频率更高，通常在设计时予以避免。圆形波导结构特点