MMDS传输覆盖基本概念.docx
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MMDS传输覆盖基本概念
第二章微波传输基本概念
2.1传播特性
微波在无线电频谱中是指波长为1m~1mm(即频率为3×108Hz~3×1011Hz)的无线电波。
无线电波的的传输特性因波长而异,其传输方式大致可分为表面波、对流层波及电离层波三种,如图2.1所示。
例如,在声音广播中波长以10Km计的长波波段,其传播方式就只有表面波,可传播到数百公里远的地方,若使用波长以公里计的中波波段,在白天是表面波,可传播百余公里;在晚上则靠电离层反射波,可传输到数百公里远的地方。
若使用比中波波长短的短波波段,由于表面波传输衰减大,主要靠电离层反射波传输。
微波的波长更短,近似于光波特性,直射性强,能穿透电离层。
因而其传输总是发生在近地几百英尺的对流层,主要靠直射波和地面反射波传输。
微波在对流层传播,会受到对流层气候条件的影响,也会受到地形(诸如山、丘陵、河流、湖泊、树林等)、地物(诸如高楼大厦、金属广告牌、铁塔、立交桥、高架路、车辆、人造树林等)的影响。
考虑这些影响对微波传输的衰落,组建地面微波系统是十分必要的。
因而在理论上和实践上量化这些影响,这个成功的微波系统设计必须计及的各种因素。
电波的传播方法
2.2自由空间传输衰减
自由空间是假定的微波传输理想空间,即假定微波传输发生在一个无大气影响和地形地物影响的类似真空状态的环境中,其传输衰减仅与波长和距离有关。
微波在自由空间的传输衰减A,可表示为间距d的两个各向同性的天线之间的衰耗,即表示为发射功率Pt与接收功率Pr之比,如下式:
用分贝表示为:
式中:
d为收发间距(m);λ为波长(m)。
若波长λ以频率f(Hz)表示,则f=c/λ,c为光速3×108m/s;
通常,计算中按分贝(dB)表示,取d的单位为km,f的单位为MHz,则上式变为:
利用这一公式,可以计算不同频率(f)的微波在不同传输距离(d)时的自由空间传输损耗。
例如,在MMDS频段(2500MHz~2700MHz),可取中心频率f=2575MHz,则在d=30km时的自由空间传输衰减为
2.3菲涅耳区
奥古斯琼.菲涅耳是法国物理学家,19世纪初他在光场和光传输的波动理论方面有重要发现。
由于微波传输特性类似于光波,故其理论至今仍被采用。
菲涅耳确定,从距发射点d的接收点看,传输能量等效包含在一个形如橄榄球体的自由空间内,这个橄榄球体的大小取决于工作波长和收发间距;而椭球体外反射到接收端的能量则会加强或减弱从体内到达接收端的能量。
他进一步的试验发现,若从椭球体外能量传输的距离比收发两点间的直线距离(d)长半波长(λ/2)的奇数倍,接收信号就加强;若两路程差为波长的整数倍,则其作用就抵消。
这就是菲涅耳区的概念,如图所示。
菲涅尔区
由图可知,第一菲涅耳区的边界,为收发信机之间的光程比直线光程(d)长半波长(λ/2)的所有可能点的轨迹。
第二菲涅耳区的边界按光程差为一个波长来确定,即为干扰菲涅耳区。
第三菲涅耳区的边界,则按光程差为3λ/2波长来确定,第四菲涅耳区边界的光程差为2λ,即亦为干扰菲涅耳区,显然,通过菲涅尔边界的确定,可知微波传输途径中的地形、地物可能造成的影响。
例如,若有障碍物阻挡了40%以上的第一菲涅耳区,就会导致衰耗;而如果能量从偶数菲涅耳区反射,则会发生能量抵消。
因而计算微波传输途径中的障碍点所处在的菲涅耳区就显得十分必要;这通常是用计算障碍点的菲涅耳半径(F)来确定。
根据几何关系可推出如下公式计算第一菲涅耳半径(F1):
式中:
d1为发射点到计算点(障碍)的距离(英里);
d2为计算点(障碍)到接收点的距离(英里);
d为收发两点间的距离(英里);
f为工作频率(GHz)。
若换算成公制单位,则上式变为:
式中,d1、d2、d的单位均为km。
若用菲涅耳区序号数开方,再乘以上式,就得到其他序号的菲涅耳区半径。
在微波系统工程建设中,往往是通过第一菲涅耳区半径的计算来确定或验算收发天线的高度的,使传输途径中的障碍物不阻挡或少阻挡第一菲涅耳区的传输空间,来造就0.6F1(即最小菲涅耳半径)的传输环境。
2.4绕射衰耗
根据光的波动理论和微波传输实践可知,当一个障碍物全部或部分阻挡菲涅耳区时,射线绕过障碍物会发生弯曲。
这是被阻挡的阴影区的接收能量,是障碍物的高度和形状的函数。
若信号相继在一些障碍物上被绕射,则总的衰耗量是各种障碍物的绕射衰耗之和。
例如,若传输途径被多建筑物阻挡,其阴影区的衰耗将随频率升高而增大,一般在3000MHz时,可能有10—40dB的衰耗。
若天线被足以阻断视线的教茂盛的树木所围绕,且天线高度低于树顶时则当f>1000MHz时,亦可视同于实心障碍物的阻挡;当绕,由树木阻挡所引起的绕射衰耗会与季节相关,在落叶的冬季,其阴影的衰耗就会减少。
当天线高于周围树木和其他植被时,则要考虑反射系数了。
2.5反射
当微波能量投射到平滑表面时,会像光波一样发生反射。
由菲涅耳的概念可知,当从偶数菲涅耳区反射时,反射信号会抵消接收到的直射信号;而从奇数菲涅耳区反射时,则反射信号会增强接收到的直射信号。
微波的反射特性亦类同于光波。
即反射时有180°相移,且反射角=入射角。
然而,对于不同介质的界面,其反射情况亦会不通;例如,潮湿植被将造成较好的反射面;盐水覆盖的光滑表面会造成100%的反射而刃形地面上的反射系数则为0。
亦即,地球表面上的不规则形态会影响微波的反射系数,当微波的能量投递到海面或盐水面上时,具有很高的反射率;当微波能量投射到干燥的刃形岩石表面时,则能量会被吸收或散射。
2.6折射
折射亦是波动的一种基本性质,在波动光学中,波前上的每一个点都被人认为是起作辐射源的作用。
当波前不受干扰时,合成波就会随射线的总衰减和弯曲而同时改变大小和方向。
微波在对流层传播,由于大气的温度、压强及水气均随高度增加而减小,密度亦随之减小,致使波前的上部能量比下部传输快,能量向地面弯曲,形成折射。
亦即,由于对流层大气的介电常数总是稍大于1,且随着气象条件和地面上的高度而变,因而可以认为微薄折射每年每日都在变,且在大多数时间里,沿水平方向传输的微波能量是向地面折射的。
这就有必要引入一个折射因子K值的概念。
假定大气是按水平分层的,且假定介电常数是高度的线性函数,则可将大气的折射作用(平均折射率)包括在绕光滑地球绕射的公式中。
而仍沿用微波直线传播的概念。
即亦可将地球的真实半径乘上一个K值而得到地球的一个等效半径,来描述微波能量的直线传播。
如下式
式中ar为地球的真是半径,约6370Km(即2.1×107英尺);
ε为因高度变化的介电常数的变化量。
h为高度变化量;
由于介电常数随高度增加而减小,通常地面高度每增加1英尺,介电常数仅减小2.4×10-8.
故上式可算的K=4/3.于是可用地球等效半径Kar的方法,来描述微波的直线传播,如图2.3所示。
电波在地球上的传播
显然,当K大于1时,电波会向地面弯曲,即开始发射时与地面平行或与地面成一仰角的电波会向下折射到达地面,并从地面反射,然后又从地面折射和反射,如此周而复始,导致微波传输情况十分复杂。
然而采用地球等效半径Kar的方法,可以认为对微波传输而言,地球是一个平面,即在开始出发时与地球平行的任何射线均将始终保持与地面平行,构成所谓的视距传输。
所谓视距,是指视线路径。
从菲涅尔区的概念可知,只有在视线路径上有相当大的空隙时,才能实现自由空间传播。
这个最佳传播空隙,就是第一菲涅耳区,因为在该区传播的情况在理论上可比自由空间好约1.2dB。
地球圆与视线距离
如图所示为采用地球等效半径Kar的方法,可近似用下式确定视线距离d
式中
Ht为发射天线高度(m)
Hr为接收天线高度(m)
若将地球等效半径Kar=8500×103m代入上式,则上式可简化为:
2.7对流层变化
微波在对流层传输,会受到对流层物理特性变化的影响,即对流层的大气环境每年、每日发生的变化,都会影响微波能量的传播。
通常,在微波工程上要定义一个标准的对流层传输条件:
即指大气混合良好,且其温度,压强及水气压均具有负的高度梯度的大气环境。
例如,在正午,干而冷的天气或刮强风的地区、降雨少的地区的大部分时间,都具有标准条件;而降雨多的地区,昼夜温差大的地区、由于大气温度、压强及水汽压随高度变化的梯度大,都不具备标准条件。
在标准的大气条件下,才可以认为微波折射可等效为真实地球半径的4/3倍的地球上是以直线传播的。
并可近似计算其视线距离;为此,亦可认为当为波束中心离所有地面障碍物至少有0.6F1(即最小菲涅尔区半径)时,微波传输衰耗等于在自由空间的传输衰耗。
在非标准的大气传输条件下,微波传输的能量有可能被吸收或散射。
例如,当微波f>13GHz时,也必须考虑雾、雪天气对微波传输产生的衰耗,而当微波传输f<10GHz时,雨、雪、雾天气对微波传输的影响就比较小,图()为国际电联(ITU-CCIR)报告中提供的大气衰耗特性曲线。
由图可见,在MMDS工作波段(2.1GHz~2.7GHz),即便是在150mm/小时的暴雨情况下,其传输损耗也仅为0.01dB/km,因而可以忽略雨衰的影响。
这种由对流层大气条件变化而引起的微波能量衰耗,称之为微波传输的大气衰落,是微波工程设计中必须考虑的因素。
微波传输大气衰耗特性
2.8衰落
衰落是指信号衰耗随时间的变化,因而通常有长期衰落和短期衰落之分:
●长期衰落,又称慢衰落,是指由传播路径上的地形和认为环境结构变化而造成的接收信号衰耗变化。
一般地形变化会引起接收信号本地均值(或包络)的衰减和起伏,而认为环境的改变只引起本地均值的衰减。
在理论上可以认为,长期衰落的累积概率分布服从于对数正态累积分布。
●短期衰落,又称快衰落,是指由传播途径上的地物形成的障碍对电波的反射而造成的接收信号衰耗变化。
由于短期衰落是电波反射后接收天线上的多径干扰引起的接收信号的瞬时值变化,因而又称为多径衰落。
在理论上可以认为,短期衰落的概率密度服从于瑞利概率密度函数。
显然,微波传输中受到地形、地物的影响而引起的信号长期衰落和短期衰落总是存在的,它们可能分别存在,也可能同时存在。
而微波传输中受到对流层变化而引起的大气衰落,亦可认为是这两种衰落的集合。
例如,大气环境的季节变化、昼夜变化引起的接收信号场强的变化(夏季比冬季高,夜间比白天高),就具有长期衰落的正态分布概率特性;而在大气稠密层引起的微波能量被强烈折射,形成菲涅耳干扰区,则具有使接收信号场强突变的多径衰落特性。
由于微波只有在标准的大气条件下传输,才可视同为理想的自由空间传输(不致产生诸如绕射、反射、折射、散射及吸收等现象),而通常却并不存在标准条件,因而实际上的微波工程必须考虑信号衰落,尤其是多径衰落的影响。
在微波工程设计中,应考虑的多径衰落可表现为接收电平标称值以下的快速变化,一般这种变化的持续时间随频率升高而缩短,但变化的频繁度却增加。
当多径衰落是由于障碍物的折射能量引起时,其衰落深度取决于障碍物的反射系数;若由于障碍物的折射能量引起的,则其衰落深度将取决于折射率。
实践证明,在大多数情况下,多径衰落深度小于40dB,但其恶劣时亦会超过50dB。
为了克服多径衰落影响微波信号的传输,一般在微波链路设计中要留有一定的衰落储备,其基本传输公式如下:
式中:
FM为衰落储备(dB);
PT为发射机输出功率(dBm);
LT为发端馈线损耗(dB);
GT为发射天线增益(dB);
A为自由空间传输衰耗(dB);
Gr为接收天线增益(dB);
Lr为收端的馈线损耗(dB);
Pr为接收机的门限电平(dBm)。
由公式可知,增加发射功率,提高收发天线增益,应是增大衰落储备、克服多径衰落的有效方法。
当然,在微波传输的大气环境中,可能还会受到工业电气干扰的影响,例如:
汽车发动机的点火花、电气机车或无轨电车的电弓接触火花、霓虹灯广告、高频焊接机、高频热合机及高压输电线路等可能引入的脉冲干扰。
这些人为的环境干扰影响,均应在微波工程设计的先期电磁环境测量中摸清,并在设计中予以考虑。
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