电波与天线
天
线
与
电
波
传
播
作
业
学院：电气信息工程学院
专业班级：电信12-01班
姓名：朱建林
学号：541201030161
1.Ae=(λ/4π)G
将G=20dB=100，λ=1m代入，则可得
Ae=(1/4π)*100=7.96㎡.
2.答案：（1）蝙蝠翼天线由水平对称振子天线排列组成，朝空间辐射水平极化波，以满足电视广播信号的要求；（2）两幅蝙蝠翼在空间正交布置，构成旋转场天线，以获得在水平平面的全向特性；（3）各振子沿传输线两侧水平放置，中间馈电处振子较短，而两侧短路端振子较长，以获得宽频带阻抗特性，满足电视信号发射的带宽要求。
3.螺旋天线工作原理
阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增加：
r=r0+αφ
一式中, r0是起始半径, a 是螺旋增长率, φ是角度(弧度) 。但是不可能像非频变天线要求的那样按式中使其结构缩比到无限小。因此,对高端频率有所限制。但是,若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电,那么馈电点附近,由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消,在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为λ的圆环上的行波电流将辐射圆极化波,因此,在周长为一个波长附近的区域,形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时,主要辐射区随之变动,方向图基本不变。因此,天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1. 25λmax ,对最高频率,由馈电点间隔尺寸决定,其间隔必须小于λmin/4 。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射,通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。这样螺旋线上是行波电流,它产生的是圆极化波。如果存在从末端反射回馈电点的电流,它辐射的是反相圆极化波。平衡馈电的巴仑可放在反射腔内,这样可避免方向图倾斜并可以用同轴线馈电。
4.答案：理想缝隙天线和与之互补的电对称振子的辐射场之间的异同有：（1）极化不同，它们的E面和H面是互换的;(2)它们有相同的方向性，有共同的方向函数。
5.电波在传播时，能量是通过以发射、接收两点为焦点的一系列椭球区域来传播的，这些区域称为菲涅尔区。其中第一菲涅尔区对电波传播起主要作用，因此将第一菲涅尔区称为电波传播的主要通道。如果第一菲涅尔区内有障碍物，则接收点的信号强度将受到影响。
6.大地对地波能量吸收的大小与下列因素有关：
(1)地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。因为电导率越大，地电阻越小，故电波沿地面传播的损耗越小。因此，电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。
（2）电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，所以频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。因此，利用地波传播的频率使用范围一般在1．5～5MHz。
（3）垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，导致地面的感生电流增大，故产生较大的衰减。
7.①电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。②现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。慢衰落产生的原因：（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。（3）天气变化、障
碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。快衰落原因（1）多径效应。1、时延扩展：多径效应（同一信号的不同分量到达的时间不同）引起的接受信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展。时延扩展（多径信号最快和最慢的时间差）小于码元周期可以避免码间串扰，超过一个码元周期（WCDMA中一个码片）需要用分集接受，均衡算法来接受。2、相关带宽：相关带宽内各频率分量的衰落时一致的也叫相关的，不会失真。载波宽度大于相关带宽就会引起频率选择性衰了使接收信号失真。（2）多普勒效应。f频移 = V相对速度/（C光速/f电磁波频率）*cosa（入射电磁波与移动方向夹角）。多普勒效应引起时间选择性衰落，我的理解是由于相对速度的变化引起频移度也随之变化这是即使没有多径信号，接受到的同一路信号的载频范围随时间不断变化引起时间选择性衰落。交织编码可以克服时间选择性衰落。时间选择性衰落用T相关时间来表示=1/相关频率。例如某移动台速度为540公里/小时那么它的最大频移为1KH相关时间就是1毫秒想要克服这样速度的快衰落就要有1.5倍于衰落变化频率的功控即1500Hz 快速功控。③克服衰落的方法主要根据形成衰落的原因而确定。例如,在对流层视距电波传播中,为克服由于地面反射引起的干涉型衰落，可通过选择粗糙的反射面、用刃型屏蔽体阻挡反射波、加大收发天线的高差等方法，减少或消除由多径产生的衰落。此外，分集接收技术是克服多径衰落的最有效的方法。有时，也用提高发射功率、采用强方向性天线、抗衰落天线、自适应接收技术和留足够衰落余额等方法克服衰落的影响。
8.①大气折射就是光在密度不均匀的大气中传播时路径发生曲折的现象。②四种：对流层折射、平流层折射、电离层折射和磁层折射。
9.（1）引入建筑物密度修正因子。（2）扩展Hata公式的使用距离。（3）公式Lb（市区）=69.55+26.16㏒10f-13.82㏒10hb-α（hm）+(44.9-6.55㏒10hb) ㏒10dγ-S(α) dB中α(hm)取α（hm）=(1.1㏒10f-0.7)hm-1.56㏒10f+0.8(中小城市)中确定的中、小城市的值。（4）改变山地和丘陵路径的基本传输损耗中值的计算方法。（5）建议林区路径的基本传输路径损耗中值按市区公式计算。
天线与电波传播论文
摘要
简单介绍了雨衰的机理,并以我国原邮电部给出的雨衰模型为基础, 根据我国10 个主要城市的降雨数据和地理位置参数, 计算出轨道位置在80bE的通信卫星在上行水平极化/下行垂直线极化的情况下, Ka 波段( 30/ 20 GHz) 的雨衰A0. 01, 并就雨衰对下行卫星链路G/ T值恶化带来的影响进行了分析讨论, 给出了相应的计算方法, 最后总结了几种抗雨衰措施。关键词: Ka 频段; 雨衰; 抗雨衰; 噪声温度。
论文
降雨对电波传播的影响
电磁波通过降雨区域时，雨滴对电波的吸收和散射使得电波发生衰减，可根据Mie理论或点匹配法计算的雨滴衰减截面确定降雨衰减率。
γ=4.343x103∫σ(D)N(D)dD (dB/km),
式中的γ是降雨衰减率，σ(D)是直径为D的雨滴消光截面，他与雨滴温度和雨的介电常数及形状有关，N(D)是单位体积内直径为D的雨滴数密度。当电波穿过降雨的区域时，雨不仅吸收电波能量，而且对电波产生散射。这种吸收和散射共同形成电波衰减，散射还能导致大范围无线电干扰，并对电波存在去极化效应，我们称这些衰减和干扰为雨衰。这种衰减呈现非选择性能和缓慢的时变特性，是导致信号劣化，影响系统可用性的主要因素，因此雨衰问题也就成为系统设计过程中必须考虑的重要问题。雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的关系，当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用，当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用，无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减；当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴直径，故衰减很小，Ｃ波段信号受雨衰的影响也可以忽略。对于10GHz以上的电磁波，雨衰的影响就非常明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高雨衰的影响越大，大雨和暴雨的对电磁波的衰减要比小雨大得多。图１是国际无线电咨询委员会（ＣＣＩＲ）（现为国际电联（ＩＴＵ））提供的雨衰与频率和降雨大小的关系图，从图中可以很清楚地看出Ｋｕ波段信号受雨衰的影响
应对雨衰的措施
1、将天线的仰交与方位角、LNB的极化角都应精调到最佳位置，不能认为图声出来就算完事,可用寻星仪、场强仪等器材来显示天线的调试精度。
2、采用优质的LNB。购可靠的正宗名牌，优质的LNB在收视弱信号或遇到天气不好时，就能显示其优点，差的LNB收不到信号，在更换LNB的实践中，也足以证明这一情况。
3、天线应稍大些，使其采集信号的面积加大，留些余量给雨衰时的影响，信号的损耗相应也会少些。将天线尽量装在防雨处,或在天线上做个雨蓬,这一措施在防止雨衰中非常重要,不妨来做个试验,在天线面上浇上水,就会立即发现图像出现马赛克,水珠在天线上越多,雨衰就越严重,将天线的水擦干,图像就立即恢复正常。给天线做个雨蓬,虽然下雨时本身对信号的穿透会有些损耗,但天线面上没有雨水,就能使收到的信号全部折射到LNB上,加上优质的器材,雨衰也就迎
刃而解了。考虑Ku频段抗雨衰策略时，首先应准确得到某一特定区域的降雨衰减。它要求进行长期的观察测量，得到长期连续的降雨实测数据(如连续多年的分钟降雨率)，获取该区域精确的降雨统计特性，并通过实测数据，计算该区域的降雨衰减，通过迭代，补充完善降雨统计特性，以获取该区域在各种条件下降雨衰减的真实情况。在此基础上可以采取如下抗雨衰策略：
2.1链路的备余量。
它是传统通信链路设计中常用的方法。如C频段卫星通信链路通常留3dB 余量， Ku频段卫星通信链路通常留6dB余量。在一些降雨较少的地区(如沙漠地区)，完全可通过链路余量来满足系统可用度要求；在高降雨地区，完全靠这种方法不现实，应在具备适当链路余量的基础上，综合考虑其它方法。但这种方式将会占用过多的卫星资源，在晴空时造成资源浪费，下大雨时，可能又不够用。
2.2功率控制
对于Ku波段的卫星通信系统，建议在地球站设置上行链路自适应功率控制(AUPC)，或者进一步采用以网络管理为基础的全网自动功率控制(APC)或动态功率控制(DPC)系统，才能有效地对抗降雨衰耗的影响。
(1)上行链路自适应功率控制（AUPC）。如果系统设计采用传统的功率裕量方法，将严重影响系统的通信容量，而且降雨的时间比例较小，因此必须采用自适应功率控制技术以提高系统通信容量并保证链路的可靠性。其基本原理是：各地球站在监测来自卫星的信号强度的同时，计算链路降雨衰耗，然后自适应调整地球站的发射功率，从而动态地补偿链路的雨衰，使信号保持在一个合适的工作电平，从而使卫星转发器接收到地球站发射的信号电平与晴空时基本相同。在更先进的卫星系统中还能做到卫星转发器进行自适应功率控制，这样能更好地克服雨衰对Ku波段卫星通信的影响。上行功率控制又分成开环上行功率控制和闭环上行功率控制两种：开环上行功率控制是地球站利用接收卫星信标信号电平的变化量测出下行线路的雨衰值，进而去控制地球站发送设备的中频衰耗器或射频衰耗器，使衰减器减小的数值与上行线路雨衰值大体相同。开环上行功率控制工作原理比较简单，所用设备较少，投资较小，但精度较低。闭环上行功率控制是地球站将接收来的卫星信标信号，与通过卫星转发器环回信号或某一特定信道的通信业务信号的C/N(或S/N)值进行比较，然后去控制地球站的上行功率。这样一来，上行信号的雨衰值和上行功率控制的控制量有较高的准确度。因此在闭环上行功率控制中必须将控制信道与通信信道分开，所用设备较多，费用较高。
(2)自动功率控制(APC)。上行功率控制是针对卫星通信上行线路的降雨衰耗所采取的技术措施，但对于卫星通信的下行线路也要充分考虑降雨衰耗。为了解决这一问题，己成功研制了同时控制上行线路和下行线路降雨衰耗的自动功率控制系统(APC)，这种动态功率控制是以卫星通信的网管系统为基准的。该网管系统能实时地测出各个地球站的接收电平值，将该值与基准电平(晴天时的正常接收电平值)进行比较，将比较结果通过网管信息传输通道传送给相应的地球站，控制该地球站的发信设备的输出功率。因此，采用自动功率控制能使卫星通信系统的稳定性和可靠性大大提高，也使卫星通信得到了广泛的应用，大大地节约卫星通信的资源。
2.3采用编码及降速率技术
在雨衰较大时，可以采用前向纠错编码技术(FEC)来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高，如编码率为1/ 2的卷积码，当采用维特比译码时其编码增益可达5dB。当然减小编码率也必须有个限度，一方而当编码
率减小到一定程度时，若再进一步减小编码率，多获得的编码增益将改善很小；另一方面减小编码率会导致系统容量的减小。此外，还可以通过自适应速率降低技术( ARP)来克服雨衰的影响，通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量，降低速率所带来的增益与速率减少成正比，例如速率减少4倍时增益为5dB。使用纠错编码和降速率技术，可以补偿不同程度的雨衰，但随着深度的增加，有效可用容量减少。
2.4空间分集技术
在多雨或卫星仰角很低的地区，由于Ku波段的特点，降雨衰减非常大，采用空间分集技术（也称站址分集技术）是一种很有效的办法。其原理是基于降雨的空间分布不均匀性，在相隔一定距离的两个地点设置地球站，通过两个地球站进行信号的分集接收，类似于地面蜂窝移动通信的空间分集技术，也可以单独切换到雨衰较小的地球站进行单链路通信。主要从分集改善因子和分集增益两个指标来衡量分集改善的质量，其分集改善的效果随两站间距离的增大而增大。但超过一定距离后，其改善程度就非常小。在空间分集带来增益好处的同时一也是需要付出代价的。网络投资成本大幅上涨，而且需要非常复杂的网络控制技术。需要指出的是空间分集技术不仅仅局限于两个站址，可以采用多个站址同时分集接收，当然其代价就更高了。
国内外的研究现状
降雨对毫米波传播影响的研究是上世纪四十年代开始的，早起的研究将雨滴近似为球形粒子，用Mie理论计算雨滴的散射截面，之后用更接近于实际情况的扁椭球近似雨滴，相应的计算雨滴散射截面的方法有点匹配法，T矩阵法等，在这些理论计算和大量实验数据的基础上，发展了众多降雨衰减模式，但这些模式没有考虑多重相干散射，之后35GHz下雷达测量球形雨滴得到的去极化信号确定了降雨的多重散射的存在，在毫米波及以上波段降雨的多重散射己不可忽略。常见的研究降雨及水凝物中电波传播多重散射理论是辐射传播，但该理论考虑离散介质的多重散射，却仍没有考虑其相干散射。降雨是典型的随机离散介质，考虑相干散射时，电磁波入射到随机离散介质，会在后向方向产生增强现象。近年来降雨介质中的该现象引起了人们的广泛关注。由于电磁波在后向散射方向上存在传播方向相反的两个相干散射路径，沿这两个路径传播的散射波不受随机散射点位置的影响，它们在后向方向上同相叠加引起散射增强。后向散射增强只发生在体散射或面散射的随机介质中，并且后向散射增强效应是一种多次散射效应，单次散射条件下无此现象。最早的后向散射增强是在光波波段观察到的。LeungTsang等人已由多重散射得到平面波入射到半无限空间随机介质的后向散射增强的二阶解。之后，他们又给出一定厚度介质层随机介质后向散射增强的高阶结果。其解说明离散随机介质对毫米波及以上波段有明显的后向散射增强效应。在随机离散介质中由相干散射造成的后向散射增强被实验及理论验证后人们开始关注降雨对毫米波的相干散射及其引起的后向散射增强。等人给出了毫米波气象雷达球面束波照射的情况，并将其运用到假定的降雨介质中，得出雷达波柬照射时的后向散射增强，但他们并没有与实际的降雨情况结合。
国内降雨对毫米波传播特性的研究始于20世纪70年代，主要针对的是地面毫米波传播特性的实验研究和理论研究，研究单位有中国电波传播研究所、中科院大气物理研究所以及西安电子科技大学电波所等单位，但对降雨的后向散射增强的研究较少。因此，本文将研究降雨的后向散射增强，并将其应用的对毫米前，已发展了多种预估复杂目标的方法，其中，由于实际工程的研究重点至今没有理
论上严格的计算方法。国内针对近场散射问题的研究提出了不同的计算方法。其中，华中师范大学夏应清等人研究了近场复杂目标散射特性的预估计算。中国空空导弹研究院的张京国等研究了种激光引信目标囚波信号的计算方法。在各种预估方法中高频方法仍是最有效的方法，而近场RCS高频预估方法中，物理光学法仍是今后理论建模的主要方法。
参考文献：
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《新型天线技术与电波传播特性研究》冯正和杜正伟2013年3月
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《电波特性与无线电监测》徐子久2011年6月
《电磁场与微波技术》张丽娜2012年10月
《电离层与电波传播路径》陈晓娟2012年10月
《广播电视发射天线技术及应用》管延发2012年11月
《电离层回波多普勒特性的研究》白海洋2012年7月
《微波天线特性创新实验设计》黄彩霞2012年5月
《天线弯折线天线研究》姚建明2012年4月