第4章-对流层电波传播
无线电传播的基本方式
无线电传播的基本方式电波传播是研究由辐射源所辐射的无线电波通过自然条件下的媒质到达接收天线的传播特性和规律。
电波传播的基本方式有以下几种：一、表面波传播地面上的天线沿地面辐射的电波，沿地面向远处传播。
表面波传播又称为地表面波传播、地波传播，主要用于超长波，长波，中波和短波波段。
表面波其辐射电波只要是沿着地表传播，随着传播距离的增大，电波强度逐渐减弱。
由于水平极化的表面波衰减较大，因此表面波的主要极化形式是垂直极化。
地表的电参数与形状是影响地波传播的主要因素。
地波在向前传播的过程中有部分能量传入地下，随着传播距离的增大，电波将逐渐减弱，这里除了因扩散引起的自然衰减外，还有大地的吸收衰减，大地的吸收衰减跟大地的电参数和电波的波长有关。
地波传播过程中存在波前倾斜的现象，在接收垂直单极天线发射的地波时，为了有效地接收各场分量，应采用相适应的天线极化形式。
在地面上适宜用垂直极化天线，地下适宜采用埋地天线，水下适宜采用漂浮的水平极化天线。
大地的电导率越大，电磁波波长越长，地波传播的衰减就越小。
同时，因为大地是一种稳定的媒质，不受气候，地磁，太阳辐射等因素影响，所以地波传播是非常稳定的。
电磁波的频率越低，传播损耗越小，短波频段利用地波进行近距离通信的频率约为1.6MHz~5MHz。
地波的衰减随频率的升高而增大，所以即使用1000W的发射机，地波传播距离也仅为100KM左右，所以这种传播形式不宜用作无线电广播或者远距离通信。
此外，传播距离还和传播路径上的媒质的电参数密切相关，沿海面传播的距离远远超过沿陆地传播的距离。
二、视距传播发射天线和接收天线限于在互相“看得见”的视距内的直射线传播称为视距传播。
地面通信，卫星通信以及雷达都是这种传播形式。
视距传播又称为直线波传播，主要用于超短波和微波波段的电波传播。
视距传播主要指在超短波和微波波段，收发天线远离地面处于相互能“看得见”的距离内，电波直接从发射天线传播到接收处的一种传播形式。
第四章 微波传播
第四章 微波传播第一节 自由空间的电波传播一、 电波与自由空间微波是一种电磁波，微波频率为300MHz~300GHz 。
根据微波传播的特点，可视为平面波。
平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，故称为横电磁波，记作TEM 波。
有时我们把这种电磁波简称为电波。
自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空间。
在这个空间充满着均匀、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数9010361-⨯==πεεF/M （法/米），导磁系数μ=μ0=4π﹡10-7H/M （亨/米）。
二、 自由空间传播损耗电波在自由空间传播时不产生反射、折射、吸收和散射现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。
但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散而衰耗。
因为电波由天线辐射后，便向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。
距离越远，这一部分能量越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩散出去。
显而易见，距离光源越远的地方，单位面积上接收到的能量也越少。
这种电波扩散衰耗就称为自由空间传播损耗。
假定发信设备位于球体中心，使用无方向性天线，以功率P t 向周围空间辐射电磁波，在半径为d 的球面上接收点B 的单位面积上的平均功率为204dP S t π= 由天线理论知道，一个各向均匀辐射的天线，其有效面积为：πλ4/2=e A这样，一个无方向性天线在B 点收到的功率为222)4(44d P d P P t t r πλπλπ=⋅= 还可写成 2)4(dfc P P t r π= (4-1) 传播损耗为：2)4(cdf P P L r t s π== (4-2)或 cdf dB L s π4lg 20)(= 当距离d 以km 为单位，频率f 以GHz 为单位时f d dB L s lg 20lg 204.92)(++= (4-3)当频率f 以MHz 为单位时f d dB L s lg 20lg 204.32)(++= (4-4)三、 自由空间传播条件下收信电平的计算微波通信中实际使用的天线为有方向性天线，设收发天线增益分别为G r （dB ），G t （dB ）；收发两端馈线系统损耗分别为L fr (dB)、L ft (dB)；收发两端分路系统损耗分别为L br (dB)、L bt (dB)。
通信原理(第四章)
27
第4章 信 道 章
四进制编码信道模型
0 0
1 送
端
发
1
收 端
接
2
2
3
3
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4章 信 道 章
4.4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者 是变化极其缓慢的。因此，其传输特性可以 等效为一个线性时不变网络。 只要知道网络 的传输特性，就可以采用信号分析方法，分 析信号及其网络特性。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特 性和相位频率特性来表征。 现在我们首先讨论 理想情况下的恒参信道特性。
平流层 60 km 对流层 10 km 0 km 地 面
6
第4章 信 道 章
电离层对于传播的影响 反射 散射
7
第4章 信 道 章
电磁波的分类： 电磁波的分类： 地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离： 距离：数百或数千千米 天波 频率： 频率：2 ~ 30 MHz 特点： 特点：被电离层反射 一次反射距离： 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 寂静区：
13
第4章 信 道 章
4.2 有线信道
明线
14
第4章 信 道 章
对称电缆：由许多对双绞线组成， 对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽 （UTP）和屏蔽（STP）两种。 ）和屏蔽（ ）两种。
塑料外皮
双绞线（ 5对）
图4-9 双绞线
15
第4章 信 道 章
同轴电缆
16
第4章 信 道 章
n2 n1 折射率
25
第4章 信 道 章
4.3.2 编码信道模型
调制信道对信号的影响是通过k(t)和 使已调信号发生波形 调制信道对信号的影响是通过 和n(t)使已调信号发生波形 失真。 失真。 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换， 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即将 一种数字序列变成另一种数字序列。 一种数字序列变成另一种数字序列。误码 输入、输出都是数字信号， 输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号 失真情况，但误码与调制信道有关， 失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由 发滤波器设计不当及n(t)引起 引起。 收、发滤波器设计不当及 引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。
对流层散射通信
利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超短波、 微波超视距通信
01 结构物理特性
目录
02 主要特征
03 传播机制
04 特性
05 发展
散射通信是指利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超短波、微波超视距通信。根 据散射媒质的不同，散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。散射通信中应用最多是对流层散射通 信。
传播机制
对流层散射现象的发现源于20世纪30年代，在实践中观察到了传播距离达到800-1000km，远远超出视距的超 短波、微波信号。由于频率太高，射向地面的超短波、微波频段的电波几乎无法在地表激起表面电流，这时地表 对于这个频段的电磁波而言相当于良导电体，电磁波在地表几乎全部反射而没有入射；另一方面，大气层中的电 离层处于等离子体状态，电离层由于拥有自由电荷且自由电荷随着空间高度的变化而不均匀，可以使射向天空的 频率较低的电磁波经过多次折射而返回地面，但是这个频率最高大概能达到50MHz，再高频率的电磁波将穿过电 离层进入宇宙空间。这意味着超短波及以上频率的电磁波既无法以地波的形式沿着圆形地球表面传播，也无法以 天波传播的方式经电离层折射返回地面，其传播方式为空间波传播，又称视距传播，传播路径类似于光路径，是 一条射线，不会发生弯折而发生超视距传播。即使考虑到大气折射效应导致的实际电波传播路径弯折，超短波和 微波的超视距效应也是非常微弱的，不可能显著超出视距传播到上千公里之外的地方。后来，有人用大气波导之 类的偶然因素来解释这种超短波、微波超视距传播，但随后的研究否定了这种理论。于是，人们提出了新的传播 机制来解释这种现象，即对流层散射传播机制。
但是，对流层散射传播机制具体是什么并没有一个定论，人们通过构造各种理论模型来解释这种传播，使理 论模型得出的数据尽可能地与实测数据相符。已经提出的机理主要有湍流非相干散射（散射理论）、不规则层非 相干反射（多模理论）和稳定层相干反射（反射理论）三种。这里首先了解大气物理中的一些相关概念，再引出 对流层散射传播的这三种机制。
《电波传播》PPT课件
0.2
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
/ (°)
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
0 0
H3.0
V3.0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
/ (°)
(a)
(b)
干土的反射系数
精选课件ppt
25
当Δ很小时，将 r 2H1H2 代入下式
F02
1 3
F12
（5）
，根据定义，有
F00.577F10.577
d1d2
d
（6）
由上式可见，当距离d一定时，波长愈小，则传播主区
的半径愈小，菲涅耳椭球区也就愈长，最后蜕化为一直线，
这就是几何光学中“光线沿直线传播”的证明
精选课件ppt
1144
地面对电波传播的影响
地质的电特性：介电常数，电导率，磁导率 地球表面的物理结构：地形起伏、植物以及人为建
(12)
精选课件ppt
28
【例】 某通信线路，工作波长λ=0.05m，通信距离 d＝50km,发射天线架高H1=100m。若选接收天线架 高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下， 接收点的E/E1=？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）？
解 地面反射波与直接波之间的相位差为
| E/ E1 | | E/ E1 |
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 d/ 104 m
(a)
1.8 1.6
1.4 1.2
1
0.8
0.6
0.4
第4章_信道
32
4.3 信道的数学模型
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
4.3.2 编码信道模型
由于信道噪声或其它因素的影响，将导致输出数字序列发生 错误，因此输入输出数字序列之间的关系可以用一组 转移概率 来表征。 转移概率：在二进制系统中，就是“0”转移为“1”的 概率和“1”转移为“0”的概率。
8
4.1 无线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
地波
频率在2MHz以下的电磁波，趋于沿弯曲的地球表面传 播，有一定的绕射能力。 地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高损 失越大，因此传播距离不大，一般在数百千米到数千千米。
传播路径 传播路径
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
21
4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
传输电信号的有线信道主要有三类：
明线、对称电缆和同轴电缆。 同轴电缆
由内外两根同心圆柱导体构成，两根导体之间用绝缘体 隔离开。内导体多为实心导线，外导体是一根空心导电管或 金属编织网，在外导体外面有一层绝缘保护层。其优点是抗 干扰特性好。
增大视线传播距离的途径 卫星中继（卫星通信）
利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球，从而实现全球通信。
利用卫星作为中继站能够增大一次 转发的距离，但是却增大了发射功 率和信号传输的延迟。 此外，发射卫星也是一项巨大的工 程。 故开始研究使用平流层通信。 图4-5 卫星中继
15
4.1 无线信道
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
图4-4
无线电中继
特点：容量大、发射功率小、稳定可靠等。
电波主要传播方式
电波主要传播方式2008-06-05 11:25:45 作者：不详电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。
任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。
传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。
根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。
当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。
那些走直线的电波就过不去了。
只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。
地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。
其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。
因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。
天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。
无线电波也能够反射。
在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。
在电波中，主要是短波具有这种特性。
电离层是怎样形成的呢？原来，有些气层受到阳光照射，就会产生电离。
太阳表面温度大约有6000℃，它辐射出来的电磁波包含很宽的频带。
其中紫外线部分会对大气层上空气体产生电离作用，这是形成电离层的主要原因。
电离层一方面反射电波，另一方面也要吸收电波。
电离层对电波的反射和吸收与频率(波长)有关。
频率越高，吸收越少，频率越低，吸收越多。
所以，短波的天波可以用作远距离通讯。
此外，反射和吸收与白天还是黑夜也有关。
白天，电离层可把中波几乎全部吸收掉，收音机只能收听当地的电台，而夜里却能收到远距离的电台。
电波传播基本知识
有耗表面反射波特性
对于有耗地表面，其介电常数为复数。表征地表面的有耗表面。 有耗表面对电波的影响主要有两点：1. 反射波幅度减小，2. 反射波产生去极化效应。 反射波的极化相对入射极化的变化，一般称为“去极化效应”。 对于有耗媒质，其去极化效应不仅与目标形状有关，而且与有耗媒质参数有关
Rs
Wfn
发射点 S
d
接收点
对第n个菲涅尔区，从发射机到椭圆体上任一点， 再到接收机的距离比直线距离大n个半波长
菲涅尔区距离：
菲涅尔距离与其意义
菲涅尔区的意义
1. 电波传播模型的拐点由第一菲涅尔区决定。 2. 电波传播余隙设计与第一菲涅尔区息息相关，
如山区电波设计、超视距传播的设计、微波传播等。 3. 隧道内电波的模式转换与第一菲涅尔区息息相关。 4. 电波传播中天线与反射体的距离要求与第一菲涅尔区息息相关。 5. 微小区与室内电波传播与第一菲涅尔区相关
电波反射的退极化作用
电波反射的退极化作用除了有耗地面的反射以外，不规则的反射目标也是造成电波 去极化的原因之一。
移动信道中的各种物体目标对电波的反射过程，是目标表面上每一部分对电波的散 射的综合。其中还包含某些表面结构的二次甚至更多次反射。目标上的每一部分， 相对电波发射天线的取向和形态是各异的。所以复杂形状的目标具有极强的、多样 的退极化作用。
无线电波反射与极化的关系
无线电波反射特性说明
问题1：水平极化能否发生全透射？ 不可能(除非反射面两侧的介质具有不同磁常数)。
问题2：有全透射是否存在全反射？ 全反射是存在的。其是光纤与介质波导存在的物理基础。但其只存在于从光密 媒质到光疏媒质中。移动通信中只有当入射角等于90度存在。
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频段：200MHz--40GHz
地波衰减大 天波不被反射
特点：
宽频带、大容量 易实现高增益、窄波束天线 采用高架、窄波束天线 对流层折射率的时刻变化是视距传播出现多径干涉和 稳定性变坏的主要原因
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
概念: 无线电波在对流层和平流层中的传播
km 104
1. 大气的折射率 大气折射率：
77.6 3.73 105 (n 1) 106 P e T T2
大气折射指数：
N 77.6 3.73 105 P e T T2
6
大气折射率的特点 – 随高度增加而负指数减小
n 1 N 10
式中，P 为大气压强(mb);T 为大气的绝对温度(K)；e 为大 气的水汽压强(mb)。
nr
A0 2
nr
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
3. 弯曲角
– 发射站与目标两处射线 切线之间的夹角
+ 0 +
0 +
2
+ + + =2 (1) 2 +
d d d
d dr cot r
+
由余弦定理： d (nr cos ) 0
dh cos( d )
由 n≈1, φ≈90°
d
由于dφ很小，cos(φ+dφ)≈cosφ
二维坐标系确定射线轨迹： D
ht
0
cot dh 1 h / r0
dh dn sin n / ( ) dn cos( d ) n cos sin dh
R R R a 0
Ra ct
rI
r0
R0 r0 2 (r0 hT ) 2 2r0 (r0 hT ) cos
7
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播 根据视在距离求目标真实地心高度
4.2.3 电波折射实用修正方法
1. 单脉冲雷达电波折射
1. 水平距离：
D
ht
0 ht
cot dh 1 h / r0 r0 A0 r
0
nr
2
A0 2
dh
cot
2
n0 r0 cos 0 nr n0 r0 cos 0
2 2 1 2
A0
nr
2
A0 2
其中，A0 n0 r0 cos 0
Ra ct Ra ct
rT
r0 rI
n dh sin
对流层
误差修正 – – – – 视在方位角 视在距离(需修正) 视在仰角(需修正) 视在距离变化率( 需修正)
r0
rT n dh dh r I n sin sin
ห้องสมุดไป่ตู้
电离层
判断目标是在低层大气还是在电离层
sin
rT
Ra ct
n dr sin
–目标处于电离层
r0
n dr sin
2
绝对距离： R0 r0 2 (r0 hT ) 2 2r0 ( r0 hT ) cos
c v p ，vg cn(n 1) n
Ra ct
rI r0 rT n dr dr r I n sin sin
(3)正折射: ρ>0 – dn/dh<0 – 射线向下弯曲 – 是最经常发生的情况 标准大气折射 dn / dh =-4 10-8 m 1
负折射 零折射 标准折射 正折 射 超折射 临界折射
2.5 107 m 临界折射
dn / dh =-15.7 10-8 m 1
零折射和负折射两种情 况实际中很少发生。
球面大气中的斯奈尔定律: 平面分层时： r
nr cos n0 r0 cos 0 A0
r0
n cos n0 cos 0
3
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播 (2)射线轨迹 (3)射线的曲率半径
第4章 对流层电波传播
去掉二阶 无穷小
n r cos 0 cos 0 0 nr n r cos 0 2 2 sin 1 0 0 nr
6. 距离误差
7. 速度误差
– 径向速度：视在距 离变化率 – 速度误差：视在距 离变化率与真实距 离变化率之差
R Ra R0
–目标处于对流层 rT n dr Ra ct r0 sin –目标处于电离层
rT n dr dr r I n sin sin
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
4.1 对流层视距传播 4.1 对流层视距传播基本概念 4.2 大气层对视距传播的影响 4.3 地面对视距传播的影响 4.4 对流层散射传播 4.5 大气波导传播 习题四
概念：
处于对流层、平流层内直射波的传播方式，射线传播 方向与水平线几乎平行
102 107 108 109
流星
F1 D E
F2
中层顶－90 ℃
3 /m 电子密度/个
平流 层
1010 1011 1012
平流层顶－10 ℃ 对流层顶－50 ℃
臭氧层 O 3
90%的水汽 ¾的大气质量
10
对流 层
珠穆朗玛峰
云雨
气温随高度变化曲线 温度
1
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播 影响因素：
R
R
Re
e＝∞
(a )
(b )
定义等效地球半径因子K为：
正折 射 超折射 临界折射
R dn K e 1/ (1 R ) R dh
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
4.2.2 大气折射的基本公式
水平距离 视在距离 弯曲角 地心张角 仰角误差 距离误差 速度误差
大气折射效应 特征
• 电波传播射线因折射而发生弯曲 • 传播速度小于真空中的传播速度
产生原因
• 大气折射率随高度变化
分析方法
• 斯夸尔定律 • 等效地球半径
气体分子与水汽凝聚物吸收效应 吸收衰减 散射衰减
2
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播 标准大气
6
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
4. 地心张角
d
cot
dr cot r
A0
2
5. 仰角误差 y 0 0
视在仰角: 0 真实仰角: 0
2
nr
rT r0
A0
dr cot r
rT
0 + 2 -( 0 )
Ra1 ct
r0 60
r0
n dh sin
对流层 电离层
Ra Ra1 Ra Ra1
第4章 对流层电波传播
第4章 对流层电波传播
– 视在距离Ra – 目标地心张角φ – 可得真实距离： • 距离误差 – 可得真实速度 • 速度误差 – 可得真实仰角 • 仰角误差
目标高度 hT
1 dn / dh
第4章 对流层电波传播 3. 大气折射类型
第4章 对流层电波传播
负折射 零折射 标准折射 正折 射 超折射 临界折射
1 dn / dh
(1)零折射：dn/dh=0, ρ= ∞ – dn/dh=0，对流层大气为均 匀大气 – 电波射线轨迹为直线，射 线的曲率半径为∞ (2)负折射： ρ<0 – dn/dh>0 – 射线上翘，曲率半径为负 值
rT
r0
dr cot r
2.多站雷达折射误差修正
6.37 106 m 超折射，构成大气波导
dn / dh -15.7 10-8 m 1
4
电波传播与散射
第4章 对流层电波传播 4. 等效地球半径
– 射线被拉直后，射线到地球的距离仍相等，此时的地球半径为等效地 球半径，从而将大气折射对电波轨迹的影响视作地球半径的改变。 – 从几何学可知，如果两组曲线的曲率之差相等，则这两组曲线之间的 距离也相等
+ + + + + =2 (2)
2 + 0 +
dn dr d cot r n
d
rT
dn cot n
r0
rT cot dn 1 dn dr A0 dr 2 2 2 r 0 n dr n n r A0 dh
第4章 对流层电波传播 2. 球面分层大气中的折射 (1)斯奈尔定律
n n(r )
ˆ n r dn dr r nlˆ0 constant
– 不同时间不一样 • 季节变化：夏季＞冬季 • 日变化：凌晨前后最大， 14:00点左右最小
-入射角 -地面仰角
1)射线轨迹为平面曲线