电波传播的菲涅尔区主要内容.pptx

本课主要内容本课主要内容电波传播的基础知识电波传播的基础知识地面波传播地面波传播天波传播天波传播视距传播视距传播地面移动通信中接收场强的预测地面移动通信中接收场强的预测课程要求课程要求1.1.掌握电波传播的基本概念；掌握电波传播的基本概念；2.2.掌握电波传播的基本特点和规律；掌握电波传播的基本特点和规律；3.3.了解地面移动通信接收场强的预测方法。了解地面移动通信接收场强的预测方法。课程研究内容课程研究内容无线电波传播的基本特性及其变化规律。无线电波传播的基本特性及其变化规律。第第8章章 电波传播的基础知识电波传播的基础知识 重点：重点：自由空间电波传播自由空间电波传播 难点：难点：电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 主要内容：主要内容：8.1 概述概述 8.2 自由空间电波传播自由空间电波传播 8.3 电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 第第8 8章章 电波传播的基础知识电波传播的基础知识 8.1 8.1 概述概述 1.1.什么是电磁波？什么是电磁波？电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。电磁波。电场电场 磁场磁场 3.3.无线电波：无线电波：按序排列的频率分布，也称波谱。按序排列的频率分布，也称波谱。无线电波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、射线、射线射线 把各波段按频率由低至高依次排列，分别是：把各波段按频率由低至高依次排列，分别是：2.2.频谱：频谱：频率从几十赫兹到频率从几十赫兹到3000GHz的电磁波。的电磁波。按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来，就是电磁频谱。就是电磁频谱。无线电波频段的划分无线电波频段的划分 电磁场理论发展简史电磁场理论发展简史1电磁场理论的建立电磁场理论的建立 电、磁现象是一种重要的自然现象，也是最电、磁现象是一种重要的自然现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象。早被科学家们关心和研究的物理现象。19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与磁的联系。但这些研究为电磁现象，没有发现电与磁的联系。但这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。学理论的建立奠定了基础。库仑于库仑于17791779年通过年通过实验和采用类比方法归实验和采用类比方法归纳、导出了两个静止点纳、导出了两个静止点电荷间的相互作用规律，电荷间的相互作用规律，即库仑定律，是静电学即库仑定律，是静电学理论建立的实验基础。理论建立的实验基础。奥斯特从奥斯特从18071807年开始研究电磁之间的年开始研究电磁之间的关系。关系。18201820年，他发现电流以力作用于年，他发现电流以力作用于磁针。磁针。近于同时，安培发现磁力作用的规律近于同时，安培发现磁力作用的规律安培力公式。安培力公式。法拉第于法拉第于18211821年开始探年开始探索磁生电的实验。索磁生电的实验。18311831年他年他发现，当磁捧插入导体线圈发现，当磁捧插入导体线圈时，导线圈中就产生电流，时，导线圈中就产生电流，这表明：电与磁之间存在着这表明：电与磁之间存在着密切的联系。法拉第发现了密切的联系。法拉第发现了电磁感应定律。电磁感应定律。麦克斯韦在法拉第实验的麦克斯韦在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象基础上，总结了宏观电磁现象的规律，于的规律，于18641864年提出了一套年提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为基本规律，称为麦克斯韦方程麦克斯韦方程组组，是经典电磁场理论的基本，是经典电磁场理论的基本方程。方程。18871887年，德国科学家赫兹用年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发此开始了电磁场理论应用与发展时代。展时代。2 2、电磁场理论的应用和发展、电磁场理论的应用和发展无线电报无线电报 1895年，马可尼成功地进行了年，马可尼成功地进行了 2.5公里距离的无公里距离的无线电报传送实验。线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约年，波波夫进行了约250米距米距离的类似试验离的类似试验,1899 年年,无线电报跨越英吉利海峡的无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；试验成功；1901 年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的3200公里距离的公里距离的试验成功。试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。明，开始了利用电磁波时期。有线电话有线电话 1876年年,（美）（美）A.G.贝尔在美国建国贝尔在美国建国100周年周年博览会上展示了他所发明博览会上展示了他所发明 的有线电话。此后的有线电话。此后,有线有线电话便迅速普及开来。电话便迅速普及开来。1906年，（美）费森登用年，（美）费森登用50千赫频率发电机作千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航发射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座在英国建成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。无线电广播电台。广播广播电视电视 1884年，（德）尼普科夫提出机械扫描电视的年，（德）尼普科夫提出机械扫描电视的设想，设想，1927年，（英）贝尔德成功地用电话线路把年，（英）贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金1923和和1924年相继明了摄像管和显像管。年相继明了摄像管和显像管。1931年，他组年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。装成世界上第一个全电子电视系统。雷达雷达 1936 1936年，（英）瓦特设计的警戒雷达最先投入了年，（英）瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。19381938年，年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。19441944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。19451945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间明，使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。卫星通信卫星通信 19581958年年,美国发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功，卫星成功，这是第一颗用于通信的试验卫星。这是第一颗用于通信的试验卫星。19641964年，借助年，借助定点同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲定点同步通信卫星首次实现了美、欧、非三大洲的通信和电视转播。的通信和电视转播。19651965年，第一颗商用同步卫年，第一颗商用同步卫星投入运行。星投入运行。19691969年年,大西洋、太平洋和印度洋上大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星，卫星地球站已遍布空均已有定点同步通信卫星，卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。通信网接通。全球定位系统（全球定位系统（GPS）19571957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。目标的定位和导航。19581958年底，美国开始研究实年底，美国开始研究实施这一计划，于施这一计划，于19641964年研究成功子午仪卫星导航年研究成功子午仪卫星导航系统。系统。19731973年美国提出年美国提出 GPSGPS计划，其含义是利用计划，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。导航卫星进行测时和测距。19901990年最终的年最终的 GPSGPS方方案是由案是由2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗在轨备用卫星组成。颗在轨备用卫星组成。无线电波的典型应用无线电波的典型应用 地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。信，地震电磁辐射前兆检测。（1）超低频（）超低频（SLF）（2）极低频（）极低频（ELF）对潜通信对潜通信，地下通信，全球通信，地下遥，地下通信，全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。感，电离层与磁层研究。（3）甚低频（）甚低频（VLF）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。递，远程通信广播。（4）低频（）低频（LF）广播、通信、导航（机场着陆系统）。广播、通信、导航（机场着陆系统）。（5）中频（）中频（MF）通信广播，超视距雷达，超视距地通信广播，超视距雷达，超视距地-空通信。空通信。（6）高频（）高频（HF）（7）米波（）米波（VHF）语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力通信，航空导航信标。力通信，航空导航信标。电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线通信。导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线通信。（8）分米波（）分米波（UHF）（9）厘米波（）厘米波（SHF）多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，卫星多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，卫星 通信。通信。（10）毫米波（）毫米波（EHF）通信，雷达，卫星遥感。通信，雷达，卫星遥感。（11）亚毫米波）亚毫米波短路径通信短路径通信 地面站地面站地面站地面站地球地球地球地球 地面站地面站地面站地面站电波传播：无线电波在媒质（如地表、地球大气层电波传播：无线电波在媒质（如地表、地球大气层 或宇宙空间等）中的传播过程。或宇宙空间等）中的传播过程。8.1.2 几种主要的电波传播方式几种主要的电波传播方式1.地面波传播：地面波传播：优点：传播信号质量好优点：传播信号质量好缺点：频率越高，地面对电波的吸收越严重。缺点：频率越高，地面对电波的吸收越严重。地面波传播地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。天波传播天波传播 2.天波传播：天波传播：发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。传播。优点：传播距离远优点：传播距离远缺点：衰落现象比较严重缺点：衰落现象比较严重3.视距传播视距传播 电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。方式称为视距传播。视距传播视距传播 特点：特点：直射波与地面反射波之间存在干涉现象，降直射波与地面反射波之间存在干涉现象，降雨和大气对电波传播有衰减及散射作用，山、建筑物雨和大气对电波传播有衰减及散射作用，山、建筑物和树木对电波的散射和绕射作用显著。和树木对电波的散射和绕射作用显著。散射传播散射传播 4.散射传播散射传播 利用非均匀介质团利用非均匀介质团对电波具有散射特性来对电波具有散射特性来达到传播的目的。达到传播的目的。对流层散射对流层散射电离层散射电离层散射优点：距离远，抗毁性好，保密性强。优点：距离远，抗毁性好，保密性强。电波传播特性的决定性因素电波传播特性的决定性因素 媒质的电参数（媒质的电参数（）的空间分布）的空间分布和时间变化及边界状态。和时间变化及边界状态。8.2 自由空间电波传播自由空间电波传播 天线置于自由空间天线置于自由空间A处，其辐射功率为处，其辐射功率为Pr，方，方向系数为向系数为D，在最大辐射方向上距离为，在最大辐射方向上距离为 r 的点的点M处处产生的场强振幅为产生的场强振幅为 自由空间的电波传播自由空间的电波传播（821）自由空间传播损耗：自由空间传播损耗：当发射天线与接收天线的方向系数都为当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，时，发射天线的辐射功率发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功与接收天线的最佳接收功率率PL的比值，记为的比值，记为L0，即，即（822）（823）D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为的无方向性接收天线的有效接收面积为（824）所以该接收天线的接收功率为所以该接收天线的接收功率为（825）D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为的无方向性发射天线产生的功率密度为于是自由空间传播损耗为于是自由空间传播损耗为（826）或或（827）当电波频率提高当电波频率提高1 1倍或传播距离增加倍或传播距离增加1 1倍时，自由倍时，自由空间传播损耗分别增加空间传播损耗分别增加6dB6dB。衰减因子：衰减因子：（828）相应的衰减损耗为相应的衰减损耗为（829）E：实际情况下的接收点的场强：实际情况下的接收点的场强E0：自由空间传播的场强：自由空间传播的场强 A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。地物、传播方式等因素有关。基本传输损耗：基本传输损耗：（8210）如果发射天线的输入功率为如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为，增益系数为Gr，接收天线的增益系数为，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密度，则相应的功率密度和最佳接收功率分别为和最佳接收功率分别为（8211）（8212）衰减损耗衰减损耗自由空间传播损耗自由空间传播损耗（8213）（8214）在在路路径径传传输输损损耗耗Lb为为客客观观存存在在的的前前提提下下，降降低低传传输输损损耗耗L的的重重要要措措施施就就是是提提高高收收、发发天天线线的的增增益系数。益系数。电道的传输损耗：电道的传输损耗：发射天线输入功率与接收天线输出功率（满足发射天线输入功率与接收天线输出功率（满足匹配条件）之比，即匹配条件）之比，即【例例8-2-1】设微波中继通信的段距为设微波中继通信的段距为r=50km，工，工作波长为作波长为7.5cm，收发天线的增益系数都为，收发天线的增益系数都为 45dB，馈线及分路系统一端损耗为馈线及分路系统一端损耗为 3.6dB，该路径的衰减，该路径的衰减因子因子A=0.7。若发射天线的输入功率为。若发射天线的输入功率为 10W，求其，求其收信电平。收信电平。L0=121.98+20lgr(km)20lg(cm)=121.98+20lg5020lg7.5 =121.98+33.9817.5 =138.46dB解：解：考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的总传输损耗总传输损耗L为为LL0LFGrGL23.6 138.4620lg0.7245+23.6 58.8dB 因为因为 Pin=10W=40dBm（分贝毫瓦）（分贝毫瓦）于是收信电平即接收天线的输出功率为于是收信电平即接收天线的输出功率为PLPin L40 58.8 18.8dBm 菲涅尔带菲涅尔带8.3 电波传播的菲涅尔区电波传播的菲涅尔区 空间空间A处有一球面波源，做一个与之同心、半径为处有一球面波源，做一个与之同心、半径为R的球面，的球面，P点与点与A点相距点相距d=R+r0，将球面，将球面S分成许多环形带分成许多环形带Nn(n=1,2,3,)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长（物理学上并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长（物理学上称这种环带为菲涅尔带称这种环带为菲涅尔带)。菲涅尔带：菲涅尔带：（831）在这种情况下，相邻两带的对应部分的惠更斯在这种情况下，相邻两带的对应部分的惠更斯源在源在P点的辐射将有点的辐射将有/2的的波程差波程差，因而有，因而有180的的相位相位差差，起着互相削弱的作用。，起着互相削弱的作用。可以证明，当可以证明，当r0时各带的面积大致相等。设时各带的面积大致相等。设第第 n 个菲涅尔半波带在个菲涅尔半波带在 P点产生的场强振幅为点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,.)，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样，因此有以下的关系式不一样，因此有以下的关系式（832）（833）如如 果果 将将 上上 式式 的的 奇奇 数数 项项 拆拆 成成 两两 部部 分分，即即En=En/2+En/2，则式（，则式（83 3）可以重新写为）可以重新写为（834）从平均角度而言，相邻两带对从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，点的贡献反相，于是于是P点的合成场振幅为点的合成场振幅为 仔细观察上式，如果总带数足够大，利用下式仔细观察上式，如果总带数足够大，利用下式（832）的结论，）的结论，（835）可以认为可以认为（832）上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空间从波源间从波源A辐射到观察点辐射到观察点P的电波，从波动光学的的电波，从波动光学的观点看，可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，观点看，可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是但起最重要作用的是第一菲涅尔区第一菲涅尔区。作为粗略近。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。（835）令第一菲涅尔区的半径为令第一菲涅尔区的半径为F1，根据第一菲涅尔，根据第一菲涅尔区半径的定义区半径的定义（836）通常通常d1F1,d2F1，将上式作一级近似，可得，将上式作一级近似，可得（837）显然，该半径在中点显然，该半径在中点d1=d2=d/2处达到最大值处达到最大值（838）划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径当球面半径R R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以义恰恰就是以A A、P P两点为焦点的椭圆定义。两点为焦点的椭圆定义。菲涅尔椭球菲涅尔椭球 如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性，如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性，不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收、发两点为焦点的旋转椭球。个以收、发两点为焦点的旋转椭球。称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，这种现象称为挡住，因此接收点仍然可以收到信号，这种现象称为电波绕射。电波绕射。电波绕射：电波绕射：不同波长的绕射能力不同波长的绕射能力 在地面上的障碍物高度一定的情况下，在地面上的障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道的横截面积波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越大。就越大。因此，频率越低，绕射能力越强。因此，频率越低，绕射能力越强。电波电波 媒质效应媒质效应 衰减损耗、衰落衰减损耗、衰落 干扰和噪声干扰和噪声 极化偏转极化偏转 反射、折射、散射反射、折射、散射 时域、频域畸变时域、频域畸变 这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产生严重影响，因此各种媒质中各频段电磁波的传播效生严重影响，因此各种媒质中各频段电磁波的传播效应是电波传播研究的主要对象。应是电波传播研究的主要对象。内容小结内容小结3.以收发两点为焦点的旋转椭球区域称为菲涅尔以收发两点为焦点的旋转椭球区域称为菲涅尔区，称第一菲涅尔椭球为区，称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道电波传播的主要通道。1.无线电波的主要传播方式有无线电波的主要传播方式有4种种：地面波传播、天波传播、视距传播和散射传播。地面波传播、天波传播、视距传播和散射传播。2.自由空间传播损耗是一种扩散式的能量自然损自由空间传播损耗是一种扩散式的能量自然损耗，当电波频率提高耗，当电波频率提高1倍或传播距离增加倍或传播距离增加1倍时，倍时，自由空间损耗分别增加自由空间损耗分别增加6dB。思考题思考题 1.什么是电波传播的主要通道？什么是电波传播的主要通道？2.为什么说电波具有绕射能力？为什么说电波具有绕射能力？