第十九講地面波傳播

1、 電波傳播5.1 電波傳播概述n1.微波技術(shù)n2.天線n3.電波傳播n三者都是研究無(wú)線電技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它們共同的基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，但三者研究的對(duì)象和目的有所不同。5.1 電波傳播概述n微波技術(shù)主要研究引導(dǎo)電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中如何進(jìn)行有效的傳輸，它希望電磁波按一定要求沿傳輸系統(tǒng)無(wú)輻射地傳輸。n天線是將微波導(dǎo)行波變成向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒖臻g的電磁波變?yōu)槲⒉ㄔO(shè)備中的導(dǎo)行波。 轉(zhuǎn)換器功能。n電波傳播研究電波在空間的傳播方式和特點(diǎn)。5.1 電波傳播概述n無(wú)線電波頻率范圍：頻率從幾十Hz到3000GHz（波長(zhǎng)從幾十兆m到0.1mm）n無(wú)線電波傳播： 發(fā)射天線或者自然輻射源所輻射的無(wú)線電

2、波，通過(guò)媒質(zhì)到達(dá)觀察點(diǎn)的過(guò)程n無(wú)線電波研究對(duì)象及其應(yīng)用： 總體來(lái)說(shuō)就是研究各種媒質(zhì)中電磁波的傳播規(guī)律5.1 電波傳播概述n無(wú)線電波研究對(duì)象對(duì)無(wú)線電波傳播媒質(zhì)特性的研究研究媒質(zhì)的電特性對(duì)電波傳播的影響n無(wú)線電波研究的應(yīng)用不斷完善對(duì)現(xiàn)有幾種傳播方式的傳播機(jī)制、傳輸特性的研究，提高接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算的準(zhǔn)確度與精度加強(qiáng)對(duì)于新開(kāi)拓頻段的電波傳播問(wèn)題的研究不斷擴(kuò)大無(wú)線電波在其他科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用eg：醫(yī)療光子帶隙結(jié)構(gòu)光子帶隙結(jié)構(gòu)-自然界中的例子自然界中的例子蝴蝶蛋白石海鼠5.1 電波傳播概述n電波傳播主要方式：地面波傳播天波傳播視距傳播對(duì)流層散射傳播波導(dǎo)傳播5.1 電波傳播概述n地面波傳播無(wú)線電波沿著地球表面?zhèn)鞑?/p>

3、，特點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。所以，只適用于長(zhǎng)波和中波波段n天波傳播電波經(jīng)高空電離層反射回來(lái)而到達(dá)地面接收點(diǎn)。長(zhǎng)，中，短波都可以利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信5.1 電波傳播概述n視距傳播收、發(fā)天線離地面高度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，電波直接從發(fā)射天線傳到接收地點(diǎn)（有時(shí)有地面反射波）。這種傳播方式僅限于視線距離之內(nèi)。目前廣泛應(yīng)用的微波接力電路和衛(wèi)星通信電路的傳播方式均屬這種傳播方式n對(duì)流層散射傳播利用對(duì)流層和電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過(guò)大氣時(shí)的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用實(shí)現(xiàn)超視距傳播。主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信5.1 電波傳播概述n波導(dǎo)傳播電波在電離層下緣和地面所組成的同

4、心球殼形波導(dǎo)內(nèi)的傳播。長(zhǎng)波，超長(zhǎng)波或極長(zhǎng)波利用這種傳播方式能以較小的衰減進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。n以上五中傳播方式，在實(shí)際通信中往往取其一種作為主要的傳播途徑，但并不排除某些條件下幾種傳播途徑并存的可能性。電波傳播的研究重點(diǎn)n電波傳播基本概念無(wú)線電波在自由空間內(nèi)的傳播自由空間嚴(yán)格來(lái)講是真空，只是一種理想情況實(shí)際上，總要受到存在媒質(zhì)以及障礙物的不同程度的影響，提出自由空間傳播概念只提供一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化各種信道傳輸損耗的計(jì)算n傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響實(shí)際中電波是在各種空間場(chǎng)所內(nèi)（地表，低空大氣層，電離層等）傳播的，各種媒質(zhì)必然要對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生影響，例如使得信號(hào)衰減、畸變或者使電波的極化形式改變；引入干擾

5、、使接收端信噪比下降；改變電波的傳播方向或傳播速度等。此外，某些媒質(zhì)例如電離層的電參數(shù)具有明顯的隨機(jī)性，使得通過(guò)它而傳輸?shù)碾娦盘?hào)也是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，因此必須考慮實(shí)際媒質(zhì)對(duì)于電波傳播的影響。電波傳播的研究重點(diǎn)5.2 電波傳播基本概念n1 傳輸損耗n2 衰落現(xiàn)象n3 傳輸失真n4 電波的折射、反射和繞射現(xiàn)象n5 干擾與噪聲的影響研究方法n幾何光學(xué)法：射線理論直射、反射、繞射n物理光學(xué)法：電流近似積分n場(chǎng)論方法： Maxwell方程關(guān)鍵問(wèn)題n損耗 定義：實(shí)際接收?qǐng)鰪?qiáng)和自由空 間場(chǎng)強(qiáng)之比n衰落：吸收性衰落、干涉性衰落n失真：隨機(jī)多徑效應(yīng)、色散效應(yīng)020logEE 22LoutinRP=P G G4 rA

6、發(fā)0EAE地面波傳播n天線接近地面，最大輻射方向沿地面時(shí)形成的以地球表面作為導(dǎo)波系統(tǒng)沿地面?zhèn)鞑サ碾姴?。其特點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定，多徑干擾小。 對(duì)于長(zhǎng)波傳播，除高山以外都可以看作平坦地面，最主要的參數(shù)變?yōu)橥寥赖慕殡娤禂?shù)、導(dǎo)電率、介磁常數(shù)、地質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)導(dǎo)電率（西/米）范圍平均范圍平均海水80800.66-6.64淡水80800.001-0.0240.001濕土10-30200.003-0.030.01干土2-640.00001-0.0020.001地面波傳播的菲涅爾區(qū)如上圖所示：電波在空氣（x0）和地面（X011jkz01y1jkz1x1EBeeHBeexxkjk2zE02jkz2zHFeexnX01

7、11jkz1zjkz1x1jkz01y1EeeEAeeHeexxxAjkAk 2zH0nX0222jkz2zjkz2x2jkz2y2EeeECeeHCeexxxcCjkk 1zH0TM（垂直極化）n邊界連續(xù)條件12jkjk0zz1z2zEeeEeexxxACAC12jkjk0zz001y2y1212Hee=HCeexxxccAkkkk 221002220ckk 2200c0c c0(60)rj 22kk TM（垂直極化）n參數(shù)121224022022240224022401k1(60)(60)k1(60)(60)1(60)rjrrjrrjrececec 0100200601arctan2160

8、601arctanarctan21606011arctanarctan2212rrrrr TM（垂直極化）n良導(dǎo)體參數(shù)K1有正的實(shí)部，所以E1的表達(dá)式中取exp(jk1x)，以滿足在x正無(wú)窮大時(shí)場(chǎng)有限 并且由于K1與導(dǎo)電率相關(guān)，所以空氣中場(chǎng)的分布受大地參數(shù)的影響K2有負(fù)的實(shí)部，所以E2的表達(dá)式中取exp(jk2x)，以滿足在x負(fù)無(wú)窮大時(shí)場(chǎng)有限 大地的導(dǎo)電率較大時(shí)，場(chǎng)僅能穿透大地的很淺一部分，但此時(shí)衰減減小。Z方向傳播因子中 有一正的實(shí)部，可見(jiàn) 由于 電磁波沿地表傳播時(shí)具有衰減。exp() z0110022045 ,( ),45 ,()90 ,( )0rrimag kimag kimag TM（垂直極化）nX=0處的場(chǎng)量由于E的z分量和x分量幅度的差別，形成了合成場(chǎng)量隨相位呈橢圓變化，在干土中，幾乎成沿長(zhǎng)軸的線極化波。稱(chēng)為波面傾斜。112012200112606060120 xzzrxzxrrxyyEEEjEEEjjEHH 2240arctan(60)r 地面波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算1173(/)()rTxPDEAmV mr km短距離理想地平面波的場(chǎng)強(qiáng)估算：220.320.6A2202200(1)6060rrr 作業(yè)：電波在濕土表面?zhèn)鞑ヌ炀€輻射功率為10千瓦，方向系數(shù)為3，波長(zhǎng)12km。求離開(kāi)天線250