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1、第第3 3章章1微波通信郑玉峰郑玉峰第第3 3章章2第三章 微波传播微波在自由空间的传播微波在自由空间的传播微波传播的描述方法微波传播的描述方法地形对电波传输的影响地形对电波传输的影响大气对微波传播的影响大气对微波传播的影响大气与地面效应造成的衰落特性大气与地面效应造成的衰落特性抗衰落技术抗衰落技术第第3 3章章33.1 电波在自由空间的传播无线电波的传播途径：无线电波的传播途径：（1）地波传播）地波传播（2）电离层传播）电离层传播（3）地面、低空视距传播）地面、低空视距传播（4）对流层的传播）对流层的传播（5）外球层传播）外球层传播第第3 3章章4无线电频谱表第第3 3章章5（1）地波传播地

2、波传播：地波传播是指电磁波沿地：地波传播是指电磁波沿地球表面绕射传播。当天线很低时，电磁波球表面绕射传播。当天线很低时，电磁波距地面很近，又加之天线很长，很容易被距地面很近，又加之天线很长，很容易被地面吸收导致迅速衰减。这种衰减与地面地面吸收导致迅速衰减。这种衰减与地面的性质（导电系数的大小）、电磁波的极的性质（导电系数的大小）、电磁波的极化方式和频率有关。因此长波一般用于地化方式和频率有关。因此长波一般用于地波传播。这个波段，我国一般用于电力线波传播。这个波段，我国一般用于电力线载波。它的频率一般规定为载波。它的频率一般规定为30KHz-300KHz,这个频率称为长波。中波的频率是这个频率称

3、为长波。中波的频率是500-1600KHz，也是地波传播，我国用于，也是地波传播，我国用于调幅广播。调幅广播。第第3 3章章6（2）空间传播（地面、低空视距传播）空间传播（地面、低空视距传播）：也就是直发射天线和接收天线必须在视也就是直发射天线和接收天线必须在视距范围内，这时电波为直射波，或由直距范围内，这时电波为直射波，或由直射波和地面反射波组成的相干传播（因射波和地面反射波组成的相干传播（因此接收点的场强为二者之和）。这种传此接收点的场强为二者之和）。这种传播方式用于超短波和微波通信。频率在播方式用于超短波和微波通信。频率在30MHz以上的调频广播和电视信号发射以上的调频广播和电视信号发射

4、都是空间波传播。超短波通信从理论上都是空间波传播。超短波通信从理论上讲，只能在视距范围内进行。讲，只能在视距范围内进行。第第3 3章章7（3）电离层传播（天波传播）电离层传播（天波传播）：由于太：由于太阳和各种宇宙射线的辐射，引起空气分阳和各种宇宙射线的辐射，引起空气分子的电离，而形成了电离层。电离层分子的电离，而形成了电离层。电离层分三层。三层。D层（距地面高度层（距地面高度70-90Km）、）、E层（层（100-120Km）、）、F1层（层（160-180Km）、）、F2层（层（200-900Km），中），中波和短波都能借助电离层的反射传播到波和短波都能借助电离层的反射传播到较远的距离，最

5、常用于短波通信。短波较远的距离，最常用于短波通信。短波频率为（频率为（3MHz-30MHz,有些地方定义有些地方定义为为1.5MHz-30MHz）。有静音区。）。有静音区。第第3 3章章8（4）散射传播：散射传播：由于大气温度、压力、湿度和电子密由于大气温度、压力、湿度和电子密度等的不均匀性，使大气介电系数随度等的不均匀性，使大气介电系数随高度而改变。散射波可在对流层或电高度而改变。散射波可在对流层或电离层发生，也可在流星的余迹上发生。离层发生，也可在流星的余迹上发生。第第3 3章章9（5）外球层传播（外空间传播）外球层传播（外空间传播）：离开：离开地面地面900-1200Km的高度称为外球层

6、，的高度称为外球层，1200Km以上就进入星际空间。星际空间以上就进入星际空间。星际空间的通信可视为自由空间通信。在地面上，的通信可视为自由空间通信。在地面上，在某一个截止频率以上的频率（一般为在某一个截止频率以上的频率（一般为10MHz，太阳活动剧烈时可至，太阳活动剧烈时可至100MHz,极极地夜间频率可降至地夜间频率可降至2MHz）可以利用外球）可以利用外球层进行宇宙通信。卫星通信就是这种传播层进行宇宙通信。卫星通信就是这种传播方式。方式。第第3 3章章10微波是一种电磁波微波是一种电磁波微波是一种电磁波,由随时间变化的电场和由随时间变化的电场和磁场组成，这两者相互依存、相互转化。磁场组成

7、，这两者相互依存、相互转化。电磁波的电场、磁场和电磁能流之间有如下电磁波的电场、磁场和电磁能流之间有如下的基本关系：的基本关系：电场、磁场、能量流方向相互垂直，符合电场、磁场、能量流方向相互垂直，符合右手螺旋准则，右手螺旋准则，S=EH（坡印亭矢量）（坡印亭矢量）第第3 3章章11电场强度和磁场强度的大小的比值是一个电场强度和磁场强度的大小的比值是一个固定值，该值称为媒质的特性阻抗或波阻抗，固定值，该值称为媒质的特性阻抗或波阻抗，记为记为对真空媒质，为对真空媒质，为377欧姆。欧姆。为媒体的导磁率，为媒体的导磁率，为媒质的介电为媒质的介电常数。常数。第第3 3章章12电磁能流密度的大小为电磁能

8、流密度的大小为电磁波具有一定的极化形式，指的是电磁波具有一定的极化形式，指的是电磁波的电场矢量在空间的取向。电磁电磁波的电场矢量在空间的取向。电磁波的极化分为三种形式：水平极化、圆波的极化分为三种形式：水平极化、圆极化、椭圆极化。水平极化和圆极化可极化、椭圆极化。水平极化和圆极化可以看作椭圆极化的特殊形式。以看作椭圆极化的特殊形式。第第3 3章章13电磁波是天线向空间辐射所产生的，电磁波是天线向空间辐射所产生的，辐射后形成辐射场，辐射场的电场强辐射后形成辐射场，辐射场的电场强度和磁场强度的振幅随离开天线的距度和磁场强度的振幅随离开天线的距离离r的增加而按的增加而按1/r的因子减小，辐射场的因子

9、减小，辐射场的等相位面是以距离的等相位面是以距离r为半径的球面。为半径的球面。第第3 3章章143.1.3 自由空间的传播损耗自由空间传播自由空间传播系指天线周围为无限大系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其件。电波在自由空间传播时，其能量能量既不会被障碍物所吸收既不会被障碍物所吸收，也，也不会不会产生产生反射反射或或散射散射。自由空间自由空间是满足下述条件的是满足下述条件的一种理想一种理想空间空间：1.均匀无损耗的无限大空间；均匀无损耗的无限大空间；2.各项同性；各项同性；3.电导率为零。电导率为零。第第3 3章章15

10、电波经天线辐射后，其能量电波经天线辐射后，其能量向周围空间扩散，到达接收向周围空间扩散，到达接收天线的仅是发射功率的一小天线的仅是发射功率的一小部分。部分。d为收发天线间的距离。距离为收发天线间的距离。距离越远，接收天线收到的能量越远，接收天线收到的能量越小，这就是电波在自由空越小，这就是电波在自由空间传播过程的衰减，即间传播过程的衰减，即自由自由空间的传播损耗空间的传播损耗Ls。第第3 3章章16自由空间传播损耗自由空间传播损耗Ls是传播损耗中最是传播损耗中最基本的损耗，接收天线接收的信号功基本的损耗，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大

11、部分能量都向其它方向扩散了分，大部分能量都向其它方向扩散了。工作距离越远，球面积越大，接收。工作距离越远，球面积越大，接收点截获的功率越小，即传播损耗加大点截获的功率越小，即传播损耗加大。电波在大气层以外的空间传播时，。电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播。可以近似看成在自由空间传播。第第3 3章章17关于天线的几个概念天线的口径面积天线的口径面积Ap：天线物理口径的面积；：天线物理口径的面积；天线的有效面积天线的有效面积Ae：表征接收天线接收空间：表征接收天线接收空间电磁波能力的基本参数；天线的负载检测到电磁波能力的基本参数；天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之

12、比的功率与入射到天线的功率密度之比天线的口径效率天线的口径效率：为天线的负载检测到的功：为天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之比；率与入射到天线的功率密度之比；Ae/Ap第第3 3章章18天线的增益天线的增益G：天线增益是指在输入功：天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（一般为点源，有时指偶极辐射单元（一般为点源，有时指偶极子）在空间同一点处所产生的信号的子）在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。线把输入功率集中辐射的程度。第第3 3章章19对无方

13、向性的全向天线，其有效面积对无方向性的全向天线，其有效面积，为所所传电波的波波的波长B点的无方向性天点的无方向性天线收到的收到的功率功率为第第3 3章章20自由空间的衰减系数自由空间的衰减系数取对数为取对数为当当d的单位为的单位为km，f的单位为的单位为GHz，c为自为自由空间的速度即由空间的速度即310105 5km/skm/s时，时，第第3 3章章21例例3-1设某两个微波站的距离为设某两个微波站的距离为60km，频率为频率为4GHz，计算自由空间的传播衰减。，计算自由空间的传播衰减。解：代入上式，可得解：代入上式，可得解：代入上式，可得解：代入上式，可得第第3 3章章22自由空间传播条件

14、下收信电平的计算某天线的三维波瓣图某天线的三维波瓣图用于微波通信用于微波通信的天线，一般的天线，一般都不是向周围都不是向周围空间均匀辐射空间均匀辐射的全向天线，的全向天线，而是有很强的而是有很强的方向性。方向性。第第3 3章章23发射天线的增益发射天线的增益Gt，通过主射束方向的单位，通过主射束方向的单位面积功率为面积功率为接收天线的增益接收天线的增益Gr，接受天线的有效面积，接受天线的有效面积接收天线的输出功率为接收天线的输出功率为分贝表示为分贝表示为第第3 3章章24实际通信系统中，除传播损耗与天线的增益实际通信系统中，除传播损耗与天线的增益外，馈线、收发分路器均有损耗。收发两端外，馈线、

15、收发分路器均有损耗。收发两端的馈线系统损耗分别表示为的馈线系统损耗分别表示为Lfr、Lft，收发两，收发两端的分路系统损耗分别为端的分路系统损耗分别为Lbr、Lbt。则在自由空间条件下最后接收机的收信功率则在自由空间条件下最后接收机的收信功率电平为电平为第第3 3章章25例例3-2有一微波收通信机，发射机的功率为有一微波收通信机，发射机的功率为Pt=1W，工作频率工作频率f=3.8GHz，两站相距，两站相距45km，收发天线的增，收发天线的增益益Gr=Gt=39dB，收发馈线系统的损耗为，收发馈线系统的损耗为Lfr=Lft=2dB，收发两端分路器损耗为，收发两端分路器损耗为1dB。求在自由空间

16、条件下，。求在自由空间条件下，接收机的输入电平和输入功率是多少？接收机的输入电平和输入功率是多少？解：由已知条件，在自由空间的传播损耗为解：由已知条件，在自由空间的传播损耗为Ls=92.4+20lgd+20lgf=92.4+20lg45+20lg3.8=92.4+33.06+11.6137dB第第3 3章章26发送信号的电平发送信号的电平Pt=10lg1000=30dBm接收机的输入电平接收机的输入电平接收机的输入功率为接收机的输入功率为第第3 3章章273.2 微波传播的描述方法惠更斯惠更斯-菲涅耳原理（菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）微波是一种电磁波，它是以波动的形式传播微波是

17、一种电磁波，它是以波动的形式传播的。既然是波动传播，当其在传播路径上移的。既然是波动传播，当其在传播路径上移动时，必然需要一定的空间。动时，必然需要一定的空间。波动是物质运动的一种形式。它可看成空间波动是物质运动的一种形式。它可看成空间各点直接或间接受波源影响的强迫振动的集各点直接或间接受波源影响的强迫振动的集体表现，是相互干涉的结果。体表现，是相互干涉的结果。第第3 3章章28电波的干涉电波的干涉第第3 3章章29惠更斯惠更斯菲菲涅耳原理涅耳原理光和光和电磁波都是一种振磁波都是一种振动，一个点源的振，一个点源的振动传递给邻近的近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。点后，就形成了二次波源

18、、三次波源等等。如果点源如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次次波前面也是球面波、三次、四次.波前面也是球波前面也是球面波。面波。在微波通信中，当在微波通信中，当发信天信天线的尺寸的尺寸远小于微波中小于微波中继距离距离时，可将，可将发射天射天线看成是一个点源。看成是一个点源。第第3 3章章30惠更斯惠更斯菲涅耳原理菲涅耳原理惠更斯惠更斯-菲涅耳原理认为：在波的传播过程中，波面上的每菲涅耳原理认为：在波的传播过程中，波面上的每一个点都可以看成是一个能进行二次辐射的球面波波源，而一个点都可以看成是一个能进行二次辐射的球面波波源，

19、而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波面的包络面。下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波面的包络面。第第3 3章章31菲涅耳对这个原理进行了扩展。他认菲涅耳对这个原理进行了扩展。他认为为在波的传动过程中，空间上任一点在波的传动过程中，空间上任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭曲的辐射场，是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉的结果相互干涉的结果。也就是说，在空间。也就是说，在空间某点的振动，是由某个包围波源的封某点的振动，是由某个包围波源的封闭曲面上的二次波源在该点的振动的闭曲面上的二次波源在该点的振动的相互叠加。相互叠加。第第

20、3 3章章32这样，如果我们求这样，如果我们求波源波源Q产生的场在产生的场在P点的场强，可用点的场强，可用Q产生的在封闭曲产生的在封闭曲面上的二次波源，面上的二次波源，通过面积分叠加，通过面积分叠加，来求得来求得P点场强。点场强。但这样的计算很复但这样的计算很复杂。但有一个近似杂。但有一个近似算法，可使问题简算法，可使问题简化。化。第第3 3章章33菲菲涅耳椭球面假定有一个微波中假定有一个微波中继段段发信点信点为T T，收信点，收信点为R R，站，站间距距为d d，平面上一个，平面上一个动点点P P到两个定点（到两个定点（T T、R R）的距离若）的距离若为一个常数，一个常数，则此点的此点的轨

21、迹迹为一个一个椭圆。在空。在空间此此动点的点的轨迹是一个旋迹是一个旋转椭球面。球面。对于于电波波传播，播，这个常数当个常数当为d+/2d+/2时，得到的，得到的椭球面球面称称为第一第一菲菲涅耳涅耳椭球面；常数球面；常数为d+2/2d+2/2时，得到的，得到的椭球面称球面称为第二第二菲菲涅耳涅耳椭球面球面.常数常数为d+N/2d+N/2时，得，得到的到的椭球面称球面称为第第N N菲菲涅耳涅耳椭球面球面.第第3 3章章34d1d2dd1+d2-d=l/2第一第一菲涅耳椭球面菲涅耳椭球面:菲涅耳椭球面第第3 3章章35菲涅耳区定义第第3 3章章36如果前述定如果前述定义义的一系列菲涅耳的一系列菲涅耳

22、椭椭球面，与我球面，与我们们从从T T或或R R点点出出发认发认定的某一波前面相交割，在交割的界面上我定的某一波前面相交割，在交割的界面上我们们就就可以得到一系列的可以得到一系列的圆圆和和环环，中心是一个，中心是一个圆圆，称，称为为第一菲第一菲涅耳区。涅耳区。其外的其外的圆环圆环（外（外圆圆减内减内圆圆得到的得到的圆环圆环）称）称为为第二个菲涅第二个菲涅耳区，再往外的耳区，再往外的圆环圆环称称为为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区第三菲涅耳区、第四菲涅耳区.第第N N菲涅耳区。菲涅耳区。这这些些圆圆和和环环我我们们可以把它可以把它们们近似地看成，都近似地看成，都为为在垂直于在垂直于地面且垂直与地面且垂

23、直与T T与与R R间间射射线线的平面区域的平面区域图图形。形。菲涅耳区定义第第3 3章章37直射线直射线第一第一菲涅耳区菲涅耳区+第二菲涅耳区第二菲涅耳区-第三第三菲涅耳区菲涅耳区+菲涅耳区定义微波能量在直射微波能量在直射线周围的空间中分线周围的空间中分布传播布传播不同菲涅尔区的不同菲涅尔区的场强对总场强的贡场强对总场强的贡献不同献不同第第3 3章章38经有关研究知道：在电波的传播空间中，由第一非涅耳经有关研究知道：在电波的传播空间中，由第一非涅耳区在接收点的场强区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅区在接收点接近于全部有贡献的非涅区在接收点的自由空间场强的的自由空间场强的2倍倍;相邻菲涅

24、耳区在收信点处产生的场强的相位相反；相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反；若以第一菲涅耳区为参考若以第一菲涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。在接收点接收到的是各个菲涅耳区的合成场强，当菲涅在接收点接收到的是各个菲涅耳区的合成场强，当菲涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；非涅耳区的能量分布非涅耳区的能量分布:第第3 3章章39菲涅耳半径菲涅耳半径 The Fresnel Radius:The Fresne

25、l Radius:我我们们把菲涅区把菲涅区边边界上的任意一点到界上的任意一点到R-TR-T连线连线的距的距离称离称为为菲涅耳区半径，用菲涅耳区半径，用F F 表示。表示。当当这这一点一点为为第一菲涅耳区第一菲涅耳区边界边界上的点上的点时时，此半径，此半径称称为为第一菲涅耳区半径第一菲涅耳区半径F1。当这一点为第二菲涅耳区边界上的点时，此半径当这一点为第二菲涅耳区边界上的点时，此半径称为第二菲涅耳区半径称为第二菲涅耳区半径F2。.第第N N 个菲涅耳区半径表达式：个菲涅耳区半径表达式：F Fn n=(n)=(n)1/21/2 F F1 1 上式中：上式中：F F1 1为为第一菲涅耳半径。第一菲涅

26、耳半径。第第3 3章章40第一菲涅耳半径的计算第第3 3章章41第第3 3章章42d1d2d300d1xd2fxdF1=F1：米：米d,d1,d2：千米 f：GHzrFCxd1xd2fxd菲涅耳半径x x d1xd2d第第3 3章章43从从Q点到点到P点的电磁能量基本上是通过以点的电磁能量基本上是通过以Q和和P为焦点的一些为焦点的一些菲涅尔区来传播的。菲涅尔区来传播的。所以，为了获得自由空间传播，只要保所以，为了获得自由空间传播，只要保证一定的菲涅尔区证一定的菲涅尔区不受障碍就可以了。不受障碍就可以了。这个区域是电波在这个区域是电波在自由空间传播时起主要自由空间传播时起主要作用的空间区域，它被

27、作用的空间区域，它被S0平面所截的面积是对接收场强起主要作平面所截的面积是对接收场强起主要作用的二次源分布面积。用的二次源分布面积。第第3 3章章44得到推论：波长愈短，距离波长愈短，距离d愈短，愈短，菲涅尔区半菲涅尔区半径越小；径越小；波长和距离一定时，波长和距离一定时，Fn与与S0的位置的位置有关，如在中点，则菲涅尔区半径最有关，如在中点，则菲涅尔区半径最大，此时大，此时d1=d2=d/2，第第3 3章章45例例3-3设设f=6GHz，d=50km，若天线的半，若天线的半功率波束宽度为功率波束宽度为1.5，求第一菲涅尔半径求第一菲涅尔半径和中点处包含多少菲涅尔区？和中点处包含多少菲涅尔区？

28、解：解：中点中点处这个波束个波束宽度的尺寸度的尺寸为第第3 3章章46这个里面包含很多这个里面包含很多菲涅尔区。根据菲涅尔区。根据可以计算，里面包含近可以计算，里面包含近170个菲涅尔区。个菲涅尔区。第第3 3章章47最小菲涅尔区假设假设S0是一个电磁波不能穿透平面，是一个电磁波不能穿透平面，围绕着直射线开圆孔，先开一个孔与围绕着直射线开圆孔，先开一个孔与第一第一菲涅尔区半径一样大，则接收点菲涅尔区半径一样大，则接收点的场强是自由空间值的两倍。也就是的场强是自由空间值的两倍。也就是说要得到自由空间场强，我们需要的说要得到自由空间场强，我们需要的传播空间比传播空间比第一第一菲涅尔区还要小，我菲涅

29、尔区还要小，我们把这个半径称为最小菲涅尔区半径们把这个半径称为最小菲涅尔区半径F0。第第3 3章章48最小菲涅尔区半径最小菲涅尔区半径F0的大小为的大小为最小菲涅尔区半径和第一菲涅尔区半最小菲涅尔区半径和第一菲涅尔区半径是微波电路勘探设计中重要的两个径是微波电路勘探设计中重要的两个物理量。物理量。第第3 3章章493.3 地形对电波传播的影响地形对大气中电波传播的影响表现在三地形对大气中电波传播的影响表现在三个方面：个方面：反射反射、绕射绕射和和散射散射。这三种情。这三种情况在一般条件下都存在，只不过在不同况在一般条件下都存在，只不过在不同条件下有主次之分：条件下有主次之分：天线高架，地面平滑

30、，反射为主；天线高架，地面平滑，反射为主；地面粗糙起伏较大，散射为主；地面粗糙起伏较大，散射为主；天线低架，或障碍物尺寸较小，绕射天线低架，或障碍物尺寸较小，绕射为主。为主。第第3 3章章503.3.1 在平滑地面上的传播这里所述的平坦地形是指不考虑地这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的影响。下面所研究的环境球曲率的影响。下面所研究的环境己不再是自由空间，而是在真实大己不再是自由空间，而是在真实大气中地面对电波的反射。气中地面对电波的反射。为了讨论问题的方便，对问题简化：为了讨论问题的方便，对问题简化：不考虑地面媒质对电波的吸收，即不考虑地面媒质对电波的吸收，即地面对电波为全反射。地面对电波

31、为全反射。第第3 3章章51从从A点发出点发出到达到达B点的点的波有两条途波有两条途径，其间有径，其间有行程差和相行程差和相位移。位移。第第3 3章章52行程差：行程差：在三角形在三角形和和中，中，故故第第3 3章章53一般情况下，一般情况下，所以，所以因此，因此，第第3 3章章54故行程差为故行程差为行程差引起相位差，经过途径行程差引起相位差，经过途径ABC的反射引起的反射引起相位滞后相位滞后设直射波的场强为设直射波的场强为设反射系数为设反射系数为R，反射时还会引起，反射时还会引起的相移，的相移，故反射故反射场强为第第3 3章章55合成场强为合成场强为可得到衰减因子可得到衰减因子可以看到，可

32、以看到，衰减因子衰减因子与直射波和反射波的与直射波和反射波的行程差行程差和和地面反射系数地面反射系数有密切的关系。有密切的关系。第第3 3章章56当地面无吸收，即出现最大反射，当地面无吸收，即出现最大反射，R=1时时第第3 3章章57衰减因子与行程差的关系表明：衰减因子与行程差的关系表明：接收点接收的场强随行程差的变化而接收点接收的场强随行程差的变化而呈周期性的变化，变化周期为一个波呈周期性的变化，变化周期为一个波长周期；长周期；衰减因子的变化范围为衰减因子的变化范围为02。第第3 3章章58考虑地面反射后，接收机的实际接收电平考虑地面反射后，接收机的实际接收电平可由下式求出：可由下式求出：式

33、中，式中，为自由空间的收信电平，为自由空间的收信电平，第第3 3章章593.3.2 电波在球形地面的传播地球是圆形地球是圆形的。当通信的。当通信距离远时，距离远时，必须考虑地必须考虑地面的弧度，面的弧度，对前面的结对前面的结果进行修正。果进行修正。先来看看先来看看直直视距离视距离。第第3 3章章60a代代表地球的半径，则表地球的半径，则因为因为很小，很小，且，且a+h1a故故第第3 3章章61故故直视距离直视距离为为将地球半径将地球半径a=6370km代入，则代入，则式中，式中，d0的单位是的单位是km，h1和和h2的单位是米。的单位是米。当当h1和和h2一定的条件下，实际的通信距离最大一定的

34、条件下，实际的通信距离最大不能超过不能超过d0。第第3 3章章62比较实际距离比较实际距离d和直视距离和直视距离d0的关系，可的关系，可得：得：如果如果dd0，称接收点处于，称接收点处于阴影区阴影区；如果如果dd0，称接收点处于，称接收点处于半阴影区半阴影区。第第3 3章章63在球面条件下公式的修正若地面上的反射区域不可看成若地面上的反射区域不可看成是平面而必须看成球面时，必是平面而必须看成球面时，必须对前面的电波反射公式作修须对前面的电波反射公式作修改。修改主要有两个方面：改。修改主要有两个方面：修正天线的高度；修正天线的高度；修正地面的反射系数。修正地面的反射系数。第第3 3章章64衰减因

35、子衰减因子衰减因子衰减因子与直射波和反射波的与直射波和反射波的行程差行程差和和地地面反射系数面反射系数有密切的关系。有密切的关系。第第3 3章章65修正天线的高度通过反射点通过反射点作切面，则作切面，则实际的天线实际的天线高度高度h1和和h2应修改为自应修改为自切平面算起切平面算起的等效高度的等效高度h1和和h2。第第3 3章章66与前面的计算相同，可以得到：与前面的计算相同，可以得到：故天线的等效高度为故天线的等效高度为:第第3 3章章67修正地面的反射系数球形地面对电波球形地面对电波的扩散作用，类的扩散作用，类似于凸面镜对光似于凸面镜对光线的发散，故对线的发散，故对以相同角度、相以相同角度

36、、相同距离的入射波同距离的入射波束，其反射波的束，其反射波的接收强度要弱一接收强度要弱一些。些。S平面S球面第第3 3章章68球面反射的反射系数要在平面反射的基础上乘以一球面反射的反射系数要在平面反射的基础上乘以一个个扩散因子扩散因子Df的计算公式为的计算公式为r1r2波束的边缘到球面，波束的边缘到球面，a是地球的直径，是地球的直径，波束的波束的中中间间到球面的距离。到球面的距离。第第3 3章章69与传输距离与传输距离d相比，天线的高度一般很相比，天线的高度一般很小，这时小，这时远距离传输时，远距离传输时，这样，代入这样，代入Df的表达式的表达式第第3 3章章70从上面的公式，可以得到：从上面

37、的公式，可以得到：对光滑的地面，对光滑的地面，Df接近于接近于1（约等于（约等于1）；）；对起伏不平的复杂地面，反射点的曲率半对起伏不平的复杂地面，反射点的曲率半径不为径不为a，而是小于地球半径。曲率半径越小，而是小于地球半径。曲率半径越小，Df就越小。所以在选择地形时，希望选择起就越小。所以在选择地形时，希望选择起伏不平的山区而尽可能避免大的开阔地带和伏不平的山区而尽可能避免大的开阔地带和湖泊。湖泊。下表是不同地面实测的反射系数下表是不同地面实测的反射系数R的范围。的范围。第第3 3章章71地面实测的反射系数地面实测的反射系数1频率频率水水面面稻稻面面田田野野城市、森林、山城市、森林、山地地

38、反射系反射系数数损耗损耗dB反射系反射系数数损耗损耗dB反射系反射系数数损耗损耗dB反射系反射系数数损耗损耗dB2GHz1.000.820.640.3104GHz1.000.820.560.2148GHz1.000.820.560.21411GHz1.000.820.480.1616第第3 3章章72地面实测的反射系数地面实测的反射系数2地面类型地面类型反射系数反射系数频率频率GHz树林（树林（1-3米高）米高）菜地、杂草菜地、杂草草地草地0.05-0.20.05-0.20.05-0.63草地（草地（10mm高）高）中等粗糙地面中等粗糙地面非常粗糙地面非常粗糙地面0.3-0.80.1-0.50

39、.2-0.45浓密森林浓密森林再生林再生林长草长草棉花地、不平海面、浅草棉花地、不平海面、浅草平滑海面、盐滩平滑海面、盐滩0-0.10.1-0.40.5-0.70.7-0.80.9未注明频率未注明频率第第3 3章章733.3.3 电波在复杂地面的传播电波传播要在一定的空间内进行，要电波传播要在一定的空间内进行，要求在传播路径中要有一相当尺寸的截求在传播路径中要有一相当尺寸的截面，否则就有可能使接收的场强大大面，否则就有可能使接收的场强大大下降。如果在传播的路径中有障碍物下降。如果在传播的路径中有障碍物的存在，就会挡着直射波传播而影响的存在，就会挡着直射波传播而影响接收点的场强。所以在设计时应抬

40、高接收点的场强。所以在设计时应抬高接受点接受点R和发送点和发送点T连线的位置。连线的位置。第第3 3章章741.地球的凸起高度将地球看作规则的将地球看作规则的球形。在地面上两球形。在地面上两点点TR之间的某一点之间的某一点C处的地球凸起高处的地球凸起高度为度为Hb，它为，它为C点点至弦至弦TR的垂直距离的垂直距离CO，O点与点与T点的点的距离为距离为d1，与，与R点点的距离为的距离为d2。第第3 3章章75由相交弦定理，有由相交弦定理，有整理后得到整理后得到实际上实际上,TR之间的距离对地球的周长来说很之间的距离对地球的周长来说很小小,也就是地面上的距离，而也就是地面上的距离，而DO与地与地球

41、的直径相等球的直径相等,即即2a。这样，。这样，第第3 3章章76例如，如果例如，如果d=50km，求中点处地球的凸，求中点处地球的凸起高度，将起高度，将代入，可得代入，可得在此情况下，如果收、发天线的高度也是在此情况下，如果收、发天线的高度也是50m，是不行的，因为此时视线刚好擦过，是不行的，因为此时视线刚好擦过地球表面，最小菲涅尔区都是受阻的。这地球表面，最小菲涅尔区都是受阻的。这时，又产生了时，又产生了传播余隙传播余隙的概念。的概念。第第3 3章章772.传播余隙传播余隙传播余隙Hc指的是在微波传输路径中，指的是在微波传输路径中，地形起伏最高点与收发二点连线的距离地形起伏最高点与收发二点

42、连线的距离。Hc：传播余隙：传播余隙Hs：障碍物海拔高度：障碍物海拔高度Hb：地球凸起高度：地球凸起高度第第3 3章章78由上图的关系，不难得到由上图的关系，不难得到应用菲涅尔区的概念，可把传播电路分为三应用菲涅尔区的概念，可把传播电路分为三种类型：种类型：HcF0时，称，称为开开电路路；0HcF0时，称，称为半开半开电路；路；Hc1;当当，K1时，传播轨迹向下弯曲，视线距时，传播轨迹向下弯曲，视线距离增长，原来处于阴影区的接收天线，离增长，原来处于阴影区的接收天线，可能处于照明区而延长了传播距离；可能处于照明区而延长了传播距离；K1时，传播轨迹向上弯曲，视线距离时，传播轨迹向上弯曲，视线距离

43、缩短，原来处于照明区的接收天线，可缩短，原来处于照明区的接收天线，可能处于阴影区而接受不到信号；能处于阴影区而接受不到信号；第第3 3章章1014.大气折射对电波传播的影响对折射的实际情况，根据等效对折射的实际情况，根据等效地球半径因子，可分为三类：地球半径因子，可分为三类：正折射；正折射；无折射；无折射；负折射负折射第第3 3章章102正折射电波射线向下弯曲，射线弯曲方向与地球表面相同，电波射线向下弯曲，射线弯曲方向与地球表面相同，可使传播距离变远。又有三种特殊情况：可使传播距离变远。又有三种特殊情况：dN/dh=-39N/km时，时，K=4/3，称为标准大气折射；，称为标准大气折射；dN/

44、dh=-157N/km时，时，K=无穷，无穷，ae=a，称为临界，称为临界折射折射,微波传播路线与地面平行微波传播路线与地面平行,能传输无限远；能传输无限远；dN/dh-157N/km时，时，K0，ae0时，时，K1,这对建设一条微波线这对建设一条微波线路是有利的。但在特殊情况下，有可路是有利的。但在特殊情况下，有可能发生负折射或超折射的情况。能发生负折射或超折射的情况。第第3 3章章105相距相距 50 km 直线传播直线传播微波实际传播路线微波实际传播路线正折射能延长微波站距正折射能延长微波站距第第3 3章章106在均匀大气中，视距传播的距离为在均匀大气中，视距传播的距离为考虑大气的折射，

45、在标准折射情况下，考虑大气的折射，在标准折射情况下，第第3 3章章1073.4.4 影响传播余隙的因素1.大气折射对传播余隙的影响大气折射对传播余隙的影响2.考虑大气折射的影响时，利用等效地球半径代替考虑大气折射的影响时，利用等效地球半径代替地球半径，可得到等效后的地球凸起高度：地球半径，可得到等效后的地球凸起高度：3.凸起变化：凸起变化：4.凸起变化导致余隙的变化，对确定的传播距离线凸起变化导致余隙的变化，对确定的传播距离线路，中间余隙的变化为：路，中间余隙的变化为：第第3 3章章108折射引起余隙的变化折射引起余隙的变化第第3 3章章1092.站距长度的影响考虑大气折射后，传播余隙考虑大气

46、折射后，传播余隙若若K不变，不变，不变，则站距越长余隙变化不变，则站距越长余隙变化量越大。为保证余隙的变化量不太大，通量越大。为保证余隙的变化量不太大，通常在平原地段的微波线路站距为常在平原地段的微波线路站距为3040km，山区为，山区为5060km。第第3 3章章1103.反射点位置的变化在反射存在的地表传输中，接收点的场在反射存在的地表传输中，接收点的场强是由直射波和反射波迭加的结果。直强是由直射波和反射波迭加的结果。直射波和反射波的行程差严重影响到接收射波和反射波的行程差严重影响到接收效果。效果。K的值随着气候条件的变化而变化，的值随着气候条件的变化而变化，其变化影响到收发两点间的传播途

47、径从其变化影响到收发两点间的传播途径从而影响到行程差。这样，在具体的两站而影响到行程差。这样，在具体的两站之间，必须考虑随之间，必须考虑随K的变化影响到的变化影响到的接的接收效果。收效果。第第3 3章章1114.传播余隙的选择大气折射的主要影响是通过等大气折射的主要影响是通过等效地球半径因子的改变而引起效地球半径因子的改变而引起地球凸起高度。当地球凸起高度。当K减小，地减小，地球凸起高度增大，余隙减小。球凸起高度增大，余隙减小。在微波线路设计时，要注意工在微波线路设计时，要注意工作区域作区域K的变化，尤其是最小的变化，尤其是最小值和出现的时间。值和出现的时间。第第3 3章章112余隙的大小决定

48、了允许通过的菲涅尔区的数余隙的大小决定了允许通过的菲涅尔区的数目。目。在一般情况下，我们决定到达与自由空间传在一般情况下，我们决定到达与自由空间传播场强相等的最小余隙。也即最小菲涅尔区播场强相等的最小余隙。也即最小菲涅尔区半径半径确定传播余隙的一条原则确定传播余隙的一条原则：在一个传播段上，相应于最小在一个传播段上，相应于最小K值的传播余隙值的传播余隙应在应在0.6F1左右。左右。第第3 3章章113第三章 微波传播微波在自由空间的传播微波在自由空间的传播微波传播的描述方法微波传播的描述方法地形对电波传输的影响地形对电波传输的影响大气对微波传播的影响大气对微波传播的影响大气与地面效应造成的衰落

49、特性大气与地面效应造成的衰落特性抗衰落技术抗衰落技术第第3 3章章1143.5 大气与地面效应造成的衰落特性微波微波在空间传输中将在空间传输中将受到大气效应受到大气效应和地面效应的影响和地面效应的影响，导致接收机接导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起收的电平随着时间的变化而不断起伏变化伏变化，我们把这种现象称为，我们把这种现象称为衰落衰落。衰落影响信号传播的稳定性和系统衰落影响信号传播的稳定性和系统可靠性。可靠性。第第3 3章章1153.5.1 衰落特性快衰落和慢衰落快衰落和慢衰落(按持续时间划分按持续时间划分):慢衰落慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般：持续时间长的叫慢衰落，

50、其持续时间一般长达数分种到几小时。长达数分种到几小时。快衰落快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。到几分钟之间。上衰落和下衰落上衰落和下衰落(按接收点场强的高低划分按接收点场强的高低划分):上衰落上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落下衰落下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。第第3 3章章116衰落的发生是随机的衰落的发生是随机的,无法预知某一无法预知某一时间信号的具体规律时间信号的具体规律,只能掌握