第1章-电波传播的基础知识
电波传播理论复习资料（整理后）
第一章绪论1.掌握正常的和反常的两种类型传播模式的基本概念；正常的传播机制总是存在，如图1.1所示：反常的传播机制偶然存在，如图1.2所示：2.掌握超短波和微波的主要传播效应。
1、晴空条件下的视距传播——在晴朗天气的情况下，当传播路径两端点之间没有障碍阻挡或者障碍阻挡可以忽略时，超短波和微波按照视距传播。
【视距传播不仅仅是自由空间的传播（即空间扩散损耗）；还要计及大气气体对无线电波的吸收损耗（水汽和氧气对电波的吸收损耗）。
晴空大气中，还存在许多其他复杂的重要的视距传播现象（晴空大气中的层结以及湍流不均匀体对无线电波的反射、折射、多径传播、散射、散焦和聚焦效应等等）。
）】2、绕射传播——当传播路径两端点之间的传播余隙小于第一费涅尔半径时，即波传播的空间受到地面地物某种程度的阻挡时，就会产生绕射损耗。
【对于非视距和超视距传播的情况，绕射损耗可以是很严重的。
绕射损耗的大小与频率、余隙、障碍的位置和形状等因素有关。
为了计算因地面地物障碍阻挡引起的对无线电波的绕射损耗，首先必须制作准确的电路地形剖面图，定义和计算相关的几何参数。
在出现负折射的情况下，绕射损耗尤其严重；在超折射条件下绕射损耗则变小。
所以，当气象条件不稳定时，容易出现绕射衰落。
】3、地形、地物的散射和反射4、雨、水凝体和沙尘对电波的散射和衰减5、多径传播和聚焦效应：【多径传播——大气层结的反射和折射以及地面地物的反射和散射使得在接收点所接收到的信号是多条射线合成的总效果。
这些多径射线具有各自不同的相位和幅度，所以多径射线的合成是向量的合成。
并且由于各条射线幅度和相位的随机变化，最终产生所谓的多径衰落现象，这是对无线电通信的质量水平具有非常重要的影响。
聚焦效应——当射线在对流层中传播时，由于大气折射指数的不均匀性会产生聚焦和散焦效应。
聚焦会使信号大大增强，相反散焦会使信号减弱。
聚焦、散焦何时出现和强度如何均与气象条件有关，而气象变化也是随机的。
电波传播理论基础
E2 r ex T Ei e jk2 z ˆ ˆ H r e y T E e jk2 z i 2 2
透射波功率：
1 Pav t Re E 2 H 2 2 1 2 2 Ei T 2 2
透射波与反射波功率之和：
Pav r Pav t
由于反射波与入射波干涉叠加，介质1中电磁波由 两个部分组成，第一项与表示沿z方向传播的波，
称为行波项；第二项没有相位传播因子，是两个
振幅相等、传播方向相反的行波叠加而形成的空 间分布，且不随时间而传播，称为驻波项。
对于理想介质，反射系数是实数，
E E 1 2 2cos2k z 1 / 2 i 1 1 1/ 2 1 2 Ei 1 2cos2k1 z H1 1
ˆ ˆ ˆ E t r et E t et|| E t|| exp jk 2 et r H r 1 e E r ˆt t t 2
界面上电场切线分量连续；入射、反射和透射波相 位相等得到：
ˆ ˆ n Ei r Er r n Et r
如果介质是理想介质，反射系数为实数
介质1中的电磁场为： 行波项
驻波项
E1 r e x Ei e jk1z e jk1z e x Ei 1 e jk1z 2cosk1 z ˆ ˆ ˆ ˆ H r e y E e jk1z e jk1z e y E 1 e jk1z 2cosk z i i 1 1 1 1
由于反射波与入射波干涉叠加，电场和磁场的振幅 不再是常数，而是随空间不同位置而变化，在
菲涅尔半径
A
图 菲涅尔椭球面
P
1＜2
第3章 电波传播的基础知识
（５）结论与讨论
由式
可知：
第一， 波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭球越细长。 对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，因而产生了光学中研究过的纯粹的射
线传播。 第二，
由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸出物并没有挡住收、发两点 间的几何射线，但是已进入了第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、 发两点之间不能视为自由空间传播。
而椭球面所包围的区域正是菲涅尔区!
第3章 电波传播的基础知识
故，其几何定义就是： 平面上是以A、P两点为焦点的椭圆的定义。
如下图所示，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在空间 上应是一个以收、发两点为焦点的旋转椭球。
我们称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。
它们在P点的场强有以下的关系式：
E 1 E 2 E 3 E n E n 1
（16）
第3章 电波传播的基础知识
从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于 是P点的合成场振幅为：
E E 1 E 2 E 3 E 4 （17）
将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2， 则式（17）可以重新写为：
第3章 电波传播的基础知识
电波传播的菲涅尔区
理想的自由空间应是无边际的，但是这样的空间 是不存在的。
而对某一特定方向而言，却存在着能否视为自由 空间传播的讨论，更有其实际的意义。
对此，我们来学习：电波传播的菲涅尔区概念。
第3章 电波传播的基础知识
如下图所示，空间A处有一球面波源，现在来讨论其辐射场的大小。
通信专业实务：传输与接入(无线)第一章无线通信基础重点
第一章无线通信基础1.1无线通信的概述无线通信定义无线通信是一种利用空间作为信道，以电磁波的形式传播信息的通信方式。
电磁波电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波在不同介质中传播的速度不同。
V=λf ,可得λ=V/f,电磁波频率和波长互为倒数关系自由空间中，电磁波的速度是3X10^8m/s无线电波频段划分无线通信的电磁波频率范围：3kHz-100GHz特高频UHF是目前移动通信的主要频段下一代移动通信频段将扩展至6GHz-100GHz具体划分详情见教材P2页1.2无线电波传播特性无线电通信中的电波的主要传播模式有地表波、天波和空间波电磁波传播机制电磁波在空间中的传播机制有直射、反射、折射、绕射和散射传播等自由空间的电波传播自由空间是一种理想介质。
自由空间传播损耗：无线电波在自由空间传播时不存在能量损耗，但是会因波的扩展而产生衰减。
常用计算数据lg2=0.3,lg3=0.47,lg5=0.7,lg7=0.85电波传播的衰落特性慢衰落：衰落使接收信号电平缓慢起伏主要产生原因是阴影效应和大气折射快衰落：衰落使接收信号电平快速起伏主要产生原因是多径衰落移动通信中点播传播特点电波传播的基本模型是直射波（可能存在）与反射波（可能多个）的矢量合成移动台高速运动时其传播路径会遇到建筑物和障碍物，从而产生反射，不同路径的反射波合成后形成衰落。
快衰落程瑞利分布,深度20-40dB,衰落速度与移动台的运动速度和工作频率有关。
慢衰落深度与地形和工作频率有关。
移动台高速运动时，应根据统计分析，选择不同的就收信号场强预测模型移动台处于移动中，接收信号存在附加频率变化，即多普勒频移。
运动速度越快，工作频率越高，多普勒频移影响就越大。
无线通信系统中的几种效应多径效应：指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真；多径效应引起的衰落属于快衰落。
快衰落分为空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落阴影效应：主要是由于障碍物的遮挡，在阴影区信号场强缓慢变化。
第13章__电波传播
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 匹配条件）之比，即
Pin 4 r 2 1 L ( ) 2 PL A Gr G L L L0 LF Gr GL dB
在路径传输损耗 Lb 为客观存在的前提下，降 低传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增 益系数。
因此，频率越低，绕射能力越强。
衰减损耗、衰落 媒质效应 反射、折射、散射 极化偏转 干扰和噪声 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 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。
电波
电波传播的基本特性
电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 ——衰落特性
D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为
Ae 4
2
所以该接收天线的接收功率为
2 PL Sav Ae ( ) Pr 4 r
于是自由空间传播损耗为
Pr 4 r L0 10lg 20lg dB PL
或 L0 32.45 20lg f ( MHz ) 20lg r( km)
划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此 当球面半径R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 义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。
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
个以收、发两点为焦点的旋转椭球。
A
2F1
A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。
基本传输损耗：Lb L0 LF 自由空间传播损耗
dB
衰减损耗
如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为 Gr，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密 度和最佳接收功率分别为
电波传播原理
电波传播原理
电波传播原理是指电磁波在空间中传播的方式和规律。
电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等，它们在传播时具有相同的物理性质。
电磁波的传播需要介质的支持，可以是气体、液体、固体或真空。
在传播过程中，电磁波会通过周期性的变化产生电场和磁场，形成电磁场的波动。
电磁波的传播速度是一个重要的参数，通常用光速来表示。
在真空中，电磁波的传播速度为299,792,458米/秒。
在不同的介质中，电磁波的传播速度会发生变化，根据介质的不同，传播速度会减小或增大。
电磁波的传播具有直线传播和衍射传播两种方式。
直线传播指的是电磁波在空间中传播的直线路径，不会发生弯曲或偏折。
衍射传播是指电磁波在遇到边缘或障碍物时发生弯曲和扩散，改变传播方向。
电磁波的传播还受到频率和波长的影响。
不同频率和波长的电磁波具有不同的传播特性。
低频电磁波会更容易穿透建筑物和其他障碍物，但传播范围较短；高频电磁波传播范围更广，但对障碍物的穿透能力较差。
总而言之，电波传播原理是通过介质支持电磁波在空间中传播的方式和规律。
它涉及到电磁场的波动、传播速度、传播方式
以及频率和波长等因素的影响。
电波传播原理是无线通信和广播等电磁波应用的基础。
移动通信(第五版)(章坚武)第1章
课件制作：蔡彦
第1章 概述
2. 半双工制
图1 - 2中，
。半双工制的 是：① 移
动台设备简单， 价格低， 耗电少；② 收发采用不同频率，
提高了频谱利用率； ③ 移动台受邻近电台干扰小。 其缺点
是移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。
由于收发使用不同的频率， 因此移动台(B)的收发信机可
以交替工作， 也可以收常开， 只控制发， 即按下PTT发射。
也可以收常开， 只控制发， 即按下PTT发射。 其优缺点与
同频单工基本相同。 在无中心转信台转发的情况下， 电台
需配对使用， 否则通信双方无法通话， 故
。
所谓单工转发， 即中心转信台使用一组频率(如收用f1， 发
用f2)， 一旦接收到载波信号即转去发送。 所谓双工转发,
即中心转信台使用两组频率(一组收用f1， 发用f2； 另一组
同频是指通信双方使用相同的工作频率(f1)； 单工是指
通信双方的操作采用“按—讲”(PTT， Push To Talk)方式。 平时， 双方的接收机均处于守听状态。
； 同理， 也可实现B至A的通话。 在该方式中， 电台的收发信 机是交替工作的， 故收发信机不需要使用天线共用器， 而是 使用同一副天线。
第1章 概述
目录
课物件信制学作院：蔡彦
第1章 概述 第2章 移动通信网 第3章 移动通信的电波传播 第4章 数字调制技术 第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 第6章 CDMA数字蜂窝移动通信系统 第7章 第三代移动通信系统(3G) 第8章 第四代移动通信系统(4G)
3
课件制作：蔡彦
第1章 概述
干扰， 通常为了避免干扰, 要求相邻频率的间隔大于4 MHz,
移动通信复习纲要
移动通信复习纲要第⼀章概述1、移动通信就是指通信的双⽅，⾄少有⼀⽅是在移动中进⾏的通信。
2、移动通信的⼯作⽅式分类1)单⼯制2)全双⼯制3)半双⼯制3、GSM⼯作上⾏频段890～915MHz，下⾏935～960MHz。
DCS1800⼯作频段，上⾏，下⾏。
IMT2000系统⼯作核⼼频段1885～2025MHz和2110～2200MHz。
4、论述我国移动通信的发展历程。
答：1）1G，以AMPS和TACS为代表的第⼀代蜂窝移动通信⽹是模拟系统，采⽤FDMA调制⽅式；提供全是话⾳业务；2）2G，以GSM和CDMA为代表的第⼆代蜂窝移动通信⽹是数字系统，其中GSM采⽤TDMA和FDMA；CDMA采⽤CDMA和FDMA；提供语⾳业务和少量的数据业务。
3）3G，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA技术之上的第三代移动通信，其中WCDMA 采⽤FDD/TDD，CDMA2000采⽤FDD以及TD-SCDMA采⽤TDD的调制⽅式，实现真正的⽆缝覆盖；提供语⾳、数据，以及接送静态和动态的图象。
第⼆章、移动通信的电波传播1、电波的传播⽅式：1）天波2）地波3）直射波4)散射波2、⾃由空间传播损耗表达式：答：Lbs = 32.45 + 20lgd(km) + 20lgf(MHz)3、多径效应定义：答：不同相位的多个信号在接受端迭加，有时同相迭加⽽增强，有时反相迭加⽽减弱，接受信号的幅度将急剧变化，这种由于多径引起的现象称为多径效应4、OM模型中场强中值计算的特点：答：以准平滑⼤城市市区的中值传输损耗为基础，对其它传播环境及地形条件等因素分别⽤修正因⼦进⾏修正。
5、多径效应引起的衰落叫衰落，阴影效应引起的衰落叫衰落。
第三章、⼲扰和噪声1、互调⼲扰产⽣的原因是什么？移动通信中主要考虑⼏阶互调⼲扰？1）互调的产⽣是由于多个信号加⾄⾮线性器件上产⽣⼤量的互调产物2）3阶互调⼲扰2、⽆三阶互调信道组如何选择？（参考作业）3、远近效应：答：近距离的移动台⼲扰远距离移动台的现象。
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1. 地面波传播
• • • • 沿着地球表面传播 频率范围：超长、长、中、短波 优点：信号质量好 缺点：地面对电波吸收严重
2
电波传播与散射
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识
3. 视距传播
• • • • 发射天线与接收天线之间的直视的传播方式 频率范围：超短波、微波 优点：可传送宽带大容量数据 缺点：传输距离短
jkR0 jkR
标量场惠更斯原理(Kirchhoff 公式)推导？
对于振幅因子，忽略R，R0因屏幕上不同点带来的微小 差别，并略去高阶项
jkA ˆ n R ˆ n e j k R R0 d S ' r R 0 4 πR0 R Sa
课程设计：
A'
exp jkR exp jk r r' 4πR 4π r r'
应用Green函数方法，无源空间标量波函数解为
r G r, r ' r r ' G r, r ' dS
1.2.1 Huygens-Fresnel原理 Huygens在研究波动现象时指出：波在传播过程 中，波阵面上的每一点都是产生球面子波的次级波 源，以后任意时刻的波阵面都是上一级子波的贡献 之和。
Fresnel在研究Huygens原理的基础上认为： 二次辐射产生的球面子波是相互干涉的，空间任意 点的场是波阵面上的所有次级波源发出的球面波在该 点的干涉叠加，进一步完善了Huygens原理，称为 Huygens-Fresnel原理。
第1章 电波传播的基础知识 各频段的典型应用如下： (1)极低频： 典型应用为地质结构(包括孕震效应)探测， 电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。 (2)超低频： 典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定 的全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。 (3) 甚低频： 典型应用为Omega(美)、 α(俄)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。 (4) 低频： 典型应用为Loran-C(美)及我国长河二号远程 脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。 该频段不易实现定向天线。 (5) 中频： 用于广播、 通信、 导航(机场着陆系统)。采 用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。
EQ A
exp( jk )
2 r k 2 r s(r )， k
其中 Gr, r' 为无界空间波动方程
exp( jkr ) r
exp( jk )
dE ds cos A
E AA E
A
2Gr, r ' k 2Gr, r' r r'
4. 散射传播
• 对流层散射(100M~10GHz) • 电离层散射(30~100M) • 流星余迹散射 • 优点：距离远、抗毁性好、 保密性强 • 缺点：传输损耗大、衰落剧 烈 散射传播
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识 电波传播方式总结：
5. 地-电离层波导传播
• 电波在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内 的传播，波跳理论和波导模理论解释 • 频率范围：长波，超长波或极长波 • 优点：远距离可靠通信，损耗小 • 缺点：频带窄，发送困难
r lim r -jk r 0 r r
称为Sommerfeld辐射条件
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识
例：小孔衍射
假设：
圆形小孔的半径 为a，远大于波长
（1）在小孔上， ' r' , r' 为点光源的直射场， 即假设屏幕不对入射波产生影响。 （2）在小孔以外的屏幕上， ' r' , r' 恒为零。 在上述假设下，在屏幕小孔上
1 ˆ dS ˆ H 2 n ˆ H ' G dS -j 'G E n G n k S S
E E ˆ 0 lim r +jkr r H H
球面波幅度因子
1 e
jkR
ˆ R 2 dΩ 如果 R ， ds R
r lim
d s
R
ˆ ' r' R R
ˆ jk ' r ' R r ' R
S
r ' 1 1 -jk r ' d Ω e jkR lim r 'd Ω e jkR R R 4 π 4π R S S
特种天线 阵列天线 面天线 反射面天线 线天线 单极子天线 类型
前言
表1-3 主要的天线类型和常用频段
形式 水平半波天线 折合阵子 八木天线 笼形天线 角形天线 锥形天线 鞭天线 加顶天线 铁塔天线 框形天线 磁心环 交叉环 菱形天线 终端负载接地天线 开槽天线 喇叭天线 透镜天线 抛物面天线 抛物柱面天线 八木天线阵 同相水平天线阵 倍波天线 对数周期天线 相(频)控扫描天线 合成孔径天线 水平交叉长线阵 圆极化天线(如螺旋天线) 表面波天线(如介质棒天线) 有源天线 超导天线 微带天线 自适应天线 超短波至短波 常用频段 对称阵子 超短波、短波
的解，求解得到：
j
exp( jk )
exp( jkr ) s r cos ds
G r, r '
jA
exp[ jk (r )] cos ds s r
exp( jkr ) cos ds E E (r ') s r j
6
电波传播与散射
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识 菲涅尔半径
Fi 2 d12 Fi 2 d 22 d i
1.2.3 菲涅尔区、带、半径
为了考察S面上各次级波源对P点的贡献大小，将S面分成 许多环行带：相邻两带的边缘到观察点之间的距离相差半波 长。物理学上称这种环带为菲涅尔带(Fesnel Zone)。
r'
A exp jkR 0 R0
1 ˆ R exp jkR 0 R 0 0
应用Kirchhoff公式，必须知道屏幕上 ' r' , r'
R0 r' r0
1 ' r' jk R 0
5
电波传播与散射
表1-2 最常用微波频段划分 波段符号 UHF L S C X Ku K Ka 频率(GHz) 0.3-1 1-2 2-4 4-8 8-12 12-18 18-26 26-40
1
电波传播与散射
第1章 电波传播的基础知识 (6) 高频： 用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷 达，超视距地-空通信。 (7) 米波： 用于语音广播，移动(包括卫星移动)通信，接 力(~50 km跳距)通信，航空导航信标，以及容易实现具有较 高增益系数的天线系统。 (8) 分米波： 用于电视广播，飞机导航、 着陆，警戒雷 达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信 (9) 厘米波： 用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥 感，固定及移动卫星信道。 (10) 毫米波： 用于短路径通信，雷达，卫星遥感。 (11) 亚毫米波： 用于短路径通信。
R
积分表示界面 所有次波叠加
球面波因子，表示发自 边界面上r’点的球面波
表示无穷远边界上次波源在空间内r点辐射场的叠 加，其结果必为零。否则有限区域内电磁场因与 无穷远边界上电磁场有关而具有多值特性。即：
lim r 0
r
这正是Huygens-Fresnel原理的数学表达式。它表 示区域内任意点 r 的场是界面上所有次波源发出 次波在该点干涉叠加的结果。
超短波至超长波 中波至超长波 短波至超长波 超短波至中波 超短波至极长波
环天线 行波天线
微波
微波至超短波 极长波 微波至超短波 短波至超长波 微波 超短波至短波
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识
1.1.2 几种主要的电波传播方式 2. 天波传播(电离层反射传播)
电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。 根据传播路径的不同分为如下的传播方式 • • • • 经电离层连续折射而返回地面到达接收点 频率范围：中波、短波（短波为主） 优点：能以较小的功率进行可达数千千米的远距传播 缺点：受电离层影响衰落现象严重
V
G r, r ' r r ' G r, r ' dS
S
r lim r -jk r 0 r r
矢量场
矢量场Stratton-Chu公式 1 E r j GJ 2 J ' GdV ' G MdV ' k V V
电波传播与散射
第1章 电波传播的基础知识
第1章 电波传播的基础知识
1.1 概 述 1.1 概述 1.2 基本原理与概念 1.3 无线电波在自由空间传播 1.4 传输媒质对电波传播的影响 1.5 无线电系统的信道及传播效应 习题一超极来自频1.1.1 电磁波谱
表1-1-1 无线电波频段的划分
前言
表1-1常用微波波段划分 波段名称 UHF L LS S C XC X Ku K 频率范围(GHz) 0.3——1.12 1.12——1.7 1.7——2.6 2.6——3.95 3.95——5.85 5.85——8.2 8.2——12.4 12.4——18 18——26.5 波段名称 Ka Q U M E F G R 频率范围(GHz) 26.5——40 33——50 40——60 50——75 60——90 90——140 140——220 220——325