第11章 视距传播.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,11,章 视距传播,视距传播：,收发天线在视线距离内，电波直接从,发射点传到接收点的传播方式。,视距传播可分为三类：,地,地：中继通信、广播电视、移动通信,地,空：地面,-,飞机、地面,-,卫星,空,空：飞机间、宇宙飞行器间,地面及对流层大气对视距传播有一定的影响。,11.1,地面对视距传播的影响,1.,光滑平面地条件下视距传播场强的计算,假设发射天线,A,的高度为,H,1,，,直接波的传播路径为,r,1,，,地面反射波的传播路径为,r,2,、,与地面之间的投射角为,。,收、发两点间的距离为,d,。,接收点,B,的高度为,H,2,。,r,2,-,r,1,为两条路径之间的路程差，它可以表示为,(1112),根据二项式定理：,得：,（取前,2,项）,接收点,B,场强应为直接波与地面反射波的叠加。,(1111),为地面的反射系数，它与电波的投射角,、,电波的极化和波长以及地面的电参数有关。,一般可表示为,设沿,r,1,路径在接收点,B,处产生的场强振幅为,E,1,，,沿,r,2,路径在接收点,B,处产生的场强振幅为,E,2,，,则,B,处的总场强为,(1113a),对于水平极化波,对于垂直极化波,(1113b),对于水平极化波来讲，,实际地面的反射比较接近于理想导电地，特别是在波长较长或投射角较小的区域近似程度更高。因此在估计地面反射的影响时，,可粗略地将实际地面等效为理想导电地。,对于垂直极化波情况就比较复杂。垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值的投射角称为布鲁斯特角（,Br,ewste,r,），记作,B,；在,B,两侧，反射系数的相角,180,突变。,尽管垂直极化波的反射系数随投射角的变化起伏较大，但在很低投射角时，仍然可以将其视为,-1,。,海水的反射系数,海水和陆地的反射系数,（图中,V,代表垂直极化，,H,代表水平极化）。,GHz,GHz,干土的反射系数,水平极化波反射系数的模在低投射角约为,1,，,相角几乎可以被看作,180,常量。,当,很小时，将,代入下式,合成场可以做如下简化：,(1114),因此，波的干涉与天线的架高、电波波长及,传播距离有关。,垂直极化波在海平面的干涉效应（,r,=80,，,=4,）,（,a,）,f,=0.1GHz,，,H,1,=50m,，,H,2,=100m,（,b,）,f,=0.1GHz,，,H,1,=50m,，,d,=7000m,下,图是以,|,E,/,E,1|,为纵坐标计算得到的垂直极化波,在海平面上的干涉效应。,则得到,维建斯基反射公式：,(1115),解 地面反射波与直接波之间的相位差为,【,例,】,某通信线路，工作波长,=0.05m,，,通信距离,d,50km,发射天线架高,H,1,=100m,。,若选接收天线架,高,H,2,=100m,，,在地面可视为光滑平面地的条件下，,接收点的,E,/,E,1,=,？,今欲使接收点场强为最大值，调整,后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？,所以接收点处的,E,/,E,1,=0,，此时接收点无信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天线高度，使得接收点处地面反射波与直接波同相叠加，接收天线高度最小的调整应使得,=16,。,若令,可以解出,H,2,=93.75m,，接收天线高度可以降低,6.25m,。,地面上的有效反射区,2.,地面上的有效反射区,反射波的主要空间通道是以,A,和,B,为焦点的第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面相交的区域为一个椭圆，该区域内对反射波具有重要意义。,这个椭圆也被称为地面上的,有效反射区,。,(1116),该椭圆的长轴在,y,方向，短轴在,x,方向。,(1117a),长半轴：,短半轴：,(1117b),根据第一菲涅尔椭球的尺寸，可以计算出该椭圆（有效反射区）的中心位置,C,的坐标为,不平坦地面的反,射,3.,光滑地面的判别准则,实际地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想情况。,电波在上、下两边界处反射时的波程差为,(1118),由此引起的附加相位差为,为了能近似地将反射波仍然视为平面波，即仍,有足够强的定向反射，要求 ，,相应地要求,瑞利准则,(1119),瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据。,当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑；,当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。,表,1111 ,h,的实际计算数据,波长越短，投射角越大，越难视为光滑地面，,地面起伏高度的影响也就越大。,11.1.2,光滑球面地情况,地球是球面体，在大多数情况下应该考虑到地,球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。,如图,1117,所示，在给定的发射天线和接收天线高度,H,1,、,H,2,的情况下，由于地球表面的弯曲，当收发两点,B,、,A,之间的直视线与地球表面相切时，存在着一个极限距离。当,H,1,、,H,2,远小于地球半径,R,时，,d,0,也就为,B,、,A,之间的距离,r,0,。,1.,视线距离,视线所能达到的最远距离,在通信工程中常常把由,H,1,、,H,2,限定的极限地面,距离,称为视线距离。,(11110),(11111),由于常满足,R,H,1,，,R,H,2,，,因此视线距离可写为,(11112),根据图,1117,所示的几何关系，若,C,点为,A,B,与地球的切点，则有,将地球半径,R,=6370km,代入上式并且,H,1,、,H,2,均以米为单位时，,(11113),在标准大气折射时，视线距离将增加到,(11114),在收、发天线架高一定的条件下，实际通信距,离,d,与,r,0,相比，有如下三种情况：,(1),d,0.7,r,0,，接收点处于亮区；,(2),d,1.2,r,0,，接收点处于阴影区；,(3)0.7,r,0,d,1.2,r,0,，接收点处于半阴影区。,在实际的视距传播工程应满足亮区条件，否则,地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。,天线的等效高度,2.,天线的等效高度,过反射点,C,作地球的切面，把球面的几何关系,换成平面地，此时由,A,、,B,向切平面作垂线所得的,H,1,、,H,2,就称为天线的,等效高度,或折合高度。,(11115),(11116),假定反射点,C,的位置已经确定，沿地面距离,d,=,d,1,+,d,2,r,10,+,r,20,，,r,10,、,r,20,就是天线架高为,H,1,、,H,2,时的极限距离。,(11117),(11118),因此，天线的等效高度为,在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实,际高度置换成等效高度，就是对球面地条件下的修,正之一。,球面地的扩散,3.,球面地的扩散因子,由于球面地的反射有扩散作用，因而球面地的,反射系数要小于相同地质的平面地的反射系数。,扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量。,定义球面地的扩散因子,如果平面地反射时的场强为,E,r,，球面地反射时的场强为,E,d,r,，入射波场强为,E,i,，为平面地反射系数的模值，则,(11119),(11120),在引进扩散因子之后，如将视距传播的有关计算公式中的反射系数,替换成,D,f,就完成了球面地条件下的另一个修正。,扩散因子的具体表示式为,11.2,对流层大气对视距传播的影响,在前述的分析中，尽管讨论了由平面地到球面地的修正，但是都假定电波按直线传播，这种情况只有在均匀大气中才可能存在。实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射及吸收等物理现象。,11.2.1,电波在对流层中的折射,1.,大气的折射率,实验证实大气折射率,n,近似满足下面的关系式：,(1121),P,为大气压强（毫巴，即,mb,；,1mb=100Pa,）；,T,为大气的绝对温度（,K,）；,e,为大气的水汽压强（,mb,）。,表,1121,折射指数数据,(,年平均值,),2.,大气折射及类型,由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹,弯曲，这种现象称为大气折射。,n,sin,=(,n,+d,n,)sin(,+d,),(11,2,3),当电波由折射率为,n,的一层传播到,n,+d,n,的一层,时，电波发生了折射，沿曲线,AC,传播。,假设电波在点,A,的入射角为,折射角为,+d,则按照折射定律：,将方程的右边展开并略去二阶无穷小量并整理后得,(1124),由图所示的几何关系，射线的曲率半径,应为,(11,2,5),在,AB,C,中,(11,2,6),由于,d,很小，,cos(,+d,)cos,，并将式,（,11,2,4,）代入上式得,(11,2,7),考虑到,n,1,并且对大多数情况而言，,90,，因此,射线的曲率半径,(11,2,8),大气折射分为三类：,(1),零折射,电波射线为直线,(2),负折射,电波射线上翘,(3),正折射,电波射线向下弯曲,d,n,/d,h,=-410,-8,1/m,，射线的曲率半径,=2.510,7,m,d,n,/d,h,=-15.710,-8,1/m,，,电波射线与地球同步弯曲,d,n,/d,h,-15.710,-8,1/m,，,标准大气折射,临界折射,超折射,折射类型,3.,等效地球半径,电波在大气层内传播轨迹是弯曲的，但习惯上仍把电波射线当作沿直线传播，因此引入等效地球半径因子来修正。,等效地球半径,R,e,：,保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率,不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球,半径。,图,11,2,3,等效地球半径,(a),实际地球上的电,波射线；,(b),等效地球上的电波射线,地球半径,电波射线,曲率半径,等效地球半径,等效电波射线曲率半径,(11,2,9),式中，,R,e,为等效地球半径。由此，,(11,2,10),由图,11,2,3,的几何关系，得,将式（,11,2,8,）半径代入上式，则低仰角情,况下的等效地球半径为,(11,2,11),定义等效地球半径因子,K,为,(11,2,12),等效地球半径,R,e,与实际地球半径,R,之比。,11.2.2,大气衰减,（,1,）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子、氧分子对电波的谐振吸收；,大气是一种成分不均匀的半导电媒质。,大气对电波的衰减有两方面：,（,2,）云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方向传播的电波衰减。,氧和水汽的,衰减系数,水分子的谐振吸收,发生在,1.35cm,与,1.6mm,的波长上。,氧分子的谐振吸收,发生在,5mm,与,2.5mm,的,波长上。,（,60GHz,、,118GHz,）,（,22GHz,、,183GHz,）,在选择工作频率时，要注意避开这些,谐振吸收频率，工作于吸收最小的频率附,近（通常将这些频率称为,大气窗口,）。,热吸收与小水滴的密度有关，例如大雨比小雨对电波的吸收要大。,谐振吸收与工作波长有关。,不同强度的雨对电波的衰减系数,（,2,）,f,3G,H,z,时衰减很小，一般可忽略不计。,结论：,（,1,）散射衰减与小水滴半径的,6,次方成正比，,与波长的,4,次方成反比。,（,3,）当频率进一步增高时，波在雨中的衰减将随着频率的增高迅速增大，并且雨的强度越大，电波受到的衰减越大。,思考题：,1.,什么是大气折射效应,?,大气折射有哪些类型,?,2.,什么等效地球半径,?,为何引入等效地球半径,?,