电磁波的传播.ppt
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电磁波的传播赵建民电磁波在空间传播的交变电磁场按波长划分无线电波红外线可见光紫外线X射线利用无线电波可以进行各种信息的传播:
通信、广播、电视、导航等。
无线电波的传播方式1表面波传播方式它是电磁波以绕射方式,沿地球表面到达接受点的传播方式,可传至视线范围以外很远的地方。
无线电波的传播方式无线电波的传播方式2天波传播方式它是通过电离层对电磁波的来回反射,使电波到达接收点的传播方式,天波传播距离可以很远,但受电离层的影响,传播很不稳定。
无线电波的传播方式3空间波传播方式电磁波从发射天线直接到达和经地面反射到达接受点的传播方式,范围一般在视线以内。
无线电波的传播方式4散射传播方式是利用大气对流层中的不均匀性来散射电波,从而使电波到达接受点的传播方式。
除以上几种传播方式外,电磁波还可以穿过电离层和外层空间进行传播。
电波的波段划分高频(HF)330MHz10010米短波中频(MF)3003000kHz1000100米中波低频(LF)30300kHz100001000米长波甚低频(VLF)330kHz10000010000米超长波极低频(ELF)小于3kHz长于100000米极长波频率名称频率范围波长范围波段名称电波的波段划分超极高频大于300GHz短于1毫米亚毫米波极高频30300GHz1厘米1毫米毫米波超高频330GHz1分米10厘米厘米波特高频(VHF)3003000MHz1米10分米分米波甚高频(VHF)30300MHz10米1米超短波频率名称频率范围波长范围波段名称各波段传播特性一、长波传播特性由于长波的波长很长,地面地形和地质电参数变化对长波传播的影响可忽略不计。
在通信距离小于300km时,基本上是表面波传播。
长波穿入电离层很浅,电离层对长波的吸收很小,因此可以认为长波传播不易受昼夜、季节变化。
太阳活动性及电离层骚扰的影响,稳定性较好。
缺点:
1.由于表面波衰减很慢,发射台发出的表面波对其他收信台干扰很严重。
2天电干扰对长波接收影响很大,特别是雷雨天。
3长波通信使用的发射机和天线一般体积非常庞大,但通信容量小,因此长波通信利用不广。
由于长波传输损耗小且非常稳定,所以主要应用在导弹、潜艇导航以及地下、水下通信中。
二、中波传播特性中波能以表面波和天波传播。
由于频率比长波高,所以需要在电密度较大处才能产生反射。
对于波长30002000米的中长波,天波将从电离层反射回来,电离层对它影响很小。
在这个波段,表面波也可获得稳定的场强,因此中长波可用于对飞机、舰船的导航通信等。
波长为1000100米的波段,即3003000kHz的频率,主要用于广播,称为广播波段。
由于白天电离层对该波段吸收强烈,因此只能靠表面波传播。
晚上电离层对该波段吸收较小,所以在晚上此波段可以利用表面波和天波传播。
因此在夜间收听中波广播往往效果好于白天。
三、短波传播特性短波频率较高,地面吸收较强,因此利用表面波传播会衰减很快。
一般情况下,短波利用表面波传播的距离只有几十公里,不适合远距离通信和广播用。
但是随着频率的增高,天波在电离层中的衰耗减小,因此可以利用电离层对天波的一次或多次反射进行远距离无线电通信和广播。
缺点:
电离层的不稳定性,会造成短波通信中信号的衰落,影响通信质量。
利用电离层反射实现的短波通信,传播距离很远,在特定的条件下电波在电离层和地面之间可能来回连续反射,甚至环绕地球形成回波失真。
另外,由于短波既能利用天波形式传播很远,又能依靠表面波进行传播,而表面波由于短波波长较短,衰减较快,传播距离不远,从而形成在离发射机较远和较近区域能收到信号,而在二者之间却成了没有信号的寂静区。
短波通信是一种传统的远程和超远程通信方式。
虽然通信容量较小,通信质量不太稳定,但设备简单,通信距离远。
四、超短波、微波传播特性由于超短波和微波频率很高,表面波衰减很大,且电波穿过电离层很深,不易反射回来,所以超短波和微波一般不用表面波和天波传播方式,而只能用空间波、散射波和穿透电离层在外层空间的传播方式。
超短波由于频带较宽,因此广泛应用于电视、调频广播、雷达、导航通信等方面。
微波频带更宽,可以进行多路通信、传输电视、电话、电报、高速数据等,广泛应用于地面至空间飞行器及空间飞行器之间或地球与外星球之间的通信、遥测、射电天文等。
超短波和微波主要在低层大气层中以空间波方式作视距传播。
因此,为了增加通信距离,一般是架高天线。
超短波、微波与长波、中波传播不同之处在于对流层对电波传播起了折射、吸收和散射作用。
如果波长很短,则地面的凹凸不平或传播途中的任何障碍物都会对传播产生影响。
接收点信号场强随季节、昼夜和气象条件而有所变化,这种变化是由大气层折射变化引起的。
在视线范围内,大气层折射对直接波和地面反射波的相位都有影响,从而使接收点场强发生变化,甚至引起深衰落。
这种变化随收发信站间距离增加而增大。
超短波和微波的远距离传播中,最突出的问题是大气中的氧分子、水汽对电磁波能量吸收衰减及水汽凝成物(雨、云、雾等)对电磁波的吸收和散射,从而带来严重的损耗。
这种损耗随着频率的增高而越加显著。
移动通信中的电波传播目前陆地移动通信使用的基本上是UHF、VHF频段的电波,由于表面波衰减和电离层吸收对这两个频段影响很大,因此主要的传播方式是采用空间波传播。
移动通信中移动台的不固定性,使电波传播路径随时发生变化。
另外由于移动台的天线一般仅离地面1-4米,从而使电波传播特性变得更为复杂。
市区的电波传播市区的电波传播衰耗取决于传播的距离(d)、工作频率(f)、基站天线有效高度(h)、移动台天线有效高度(h)、以及道路的宽度、走向和周围建筑的情况。
郊区和开阔地的电波传播郊区建筑物一般是分散、低矮的,传播条件优于市区,而开阔地的传播条件则又优于郊区。
准开阔地、开阔地的电波传播衰耗比市区、郊区明显要小。
在计算时,若通信距离较近,基站有效天线高度又高,求得的衰耗中值小于自由空间衰耗值,则按自由空间传播衰耗计算。
无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线:
直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。
就电波传播而言,发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。
自由空间指该区域是各向同性(沿各个轴特性一样)且同类的(均匀结构)。
自由空间波又称为直达波或视距波。
移动通信系统用于室内时要考虑建筑损耗。
建筑损耗是墙壁结构(钢、玻璃、砖、混凝土等)、楼层高度、建筑物相对于基站的走向、窗户区所占的百分比等的函数。
由于变量的复杂性,建筑物的损耗只能在周围环境的基础上统计预测。
一般而言:
位于市区的建筑平均穿透损耗大于郊区和偏远区。
有窗户区域的损耗一般小于没有窗户区域的损耗。
建筑物内开阔地的损耗小于有走廊和墙壁区域的损耗。
街道墙壁有铝的支架比没有铝的支架产生更大的衰减。
只在天花板加隔离的建筑物比天花板和内部墙壁都加隔离的建筑物产生的衰减小。
隧道中的损耗:
在隧道中由于障碍物、拐角、角落等产生的附加损耗使微波无法理想工作。
街道走向的影响:
街道和建筑的布局对移动台天线信号接收有明显影响。
在与电波传播方向一致的街道上传播时信号损耗小于与电波传播方向垂直的街道的信号损耗。
树叶的影响:
在移动通信中还需考虑树叶对传播的影响。
夏天树木枝叶繁茂,所以夏天信号损耗平均比冬天大10dB。
由于树叶品种、形状、含水量,叶子密度、树木高度等难以统计,所以树叶造成的损耗难以预测。
信号损耗也随季节变化。
在移动通信系统中,电波传播的路径很少是视距的,这就意味着,发射波到达接收机之前,多受到空间环境中的建筑物、高塔和其他障碍物的影响。
电波的传播特性显著不同于自由空间的传播特性。
在移动无线电环境中,有四个独特的因素:
1.特征地貌结构:
平地、丘陵、水、山脉、谷地和沙漠;2.人造结构:
开阔地、郊区和市区、大都市区。
3.人为噪声:
如汽车打火噪声和机器噪声。
4.引起频率选择衰落和时间延迟扩散的色散介质。
因为移动天线非常靠近地面,所以上述四个因素是很重要的。
当移动天线高出地面1.5米到3米时,移动设备所接收的信号是由直射路径信号和一个由地面形成的发射波信号构成。
这两个波合成时,在移动接收端产生严重的路径损耗。
并且因为移动天线接近人造结构和人为噪声源,因此路径损耗、多路径衰落和干扰都对接收信号有严重影响。
传播预期模型可作为设计不同地理区域移动无线通信系统的方法。
在基地站,天线的高度、增益和方向性在模型中起重要作用。
一个移动无线电预期模型必须能够从信号预期中识别不同的特征地貌轮廓,像平原、丘陵、山谷等。
同理,模型也必须能够从信号预期结果中识别不同人造环境,例如开阔地、郊区和市区等。
一般来说,移动无线电环境中无线电信号的传播服从波传播理论,但是由于涉及到环境所产生的许多变量,为了完善预期方法,就需要利用统计方法。
空间损耗无线电波在空间传播,发射天线的有效发射功率与接收天线接收到的功率之比,称为传输损耗(空间损耗),以Lp表示,单位dB.无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。
自由空间是满足下述条件的一种理想空间:
1.均匀无损耗的无限大空间,2.各向同性,3.电导率为零。
自由空间路径损耗是在相同距离d上的最小损耗,要想实现自由空间路径损耗,就得把发射天线置于高出地面或远离附近的散射物体,使地面和散射物体上的反射波变得非常微弱而能忽略不计。
自由空间路径损耗公式为:
L=(4d/)2式中,是波长。
室内无线信号的传输衰耗,可近似的采用自由空间传输衰耗(Ls)公式,即:
Ls(dB)=10log10(4d/)2=c/fc=300000km/sLs=20log10(4df/c)=20log10(40df/3)=32.45+20logf+20logd其中:
f为使用频率以MHz计d为辐射天线与移动台天线之间的距离以km计。
当频率为900MHz时,Ls的公式简化如下:
Ls91.5+20logd不同距离时的Ls可列表如下:
71.565.563.561.057.555.051.545.5Ls(dB)1005040302015105d(m)自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d有关。
当f和d扩大一倍时,Ls均增加6dB,由此我们可知GSM1800基站传播损耗在自由空间就比GSM900基站大6dB。
900M与1800M空间损耗对比上式是计算室内在直线距离内的传播衰耗公式。
因为室内电波传输还需要考虑穿越墙壁、穿越楼层,在这种条件下,传输衰耗的公式为:
Ls=32.45+20logf+20logd+KFk+PWk其中:
32.45+20logf+20logd为自由空间衰耗公式K为无线电波穿越的楼层数FK为楼层间的衰耗(dB)P为无线电波穿越的墙壁数WK为墙壁衰耗(dB)WK值,随墙壁的材料而异,从1030dB不等Fk值约在15dB左右。
场强分布(室内空间传输损耗模型二)L=PL+10*N*Lgd(米)+FAF其中:
PL为距天线1米处的路径衰减,典型值为30dBN为同层衰减指数:
办公楼N3.25一般建筑N2.76商场N2.18FAF路径损耗附加值:
玻璃8dB隔墙10-15dB预制板20-30dB设f=900MMz,FAF=073.667.064.962.258.455.651.845.22.1885.276.974.270.865.962.557.649.32.7695.085.182.178.072.368.262.552.73.251005040302015105N室外无线信号的传输衰耗室外移动环境是相当复杂的,可粗略地分为三种类型的环境:
开阔区域在传播路径上没有像高大树木或建筑物那样的障碍物。
在基站和移动台之间有300400米长的自由空间。
郊区围绕移动站周围有些障碍物,但不稠密。
是一个由树和矮房子组成的区域。
市区有很多大楼和其他高层建筑,是一个高而稠密的楼房区,或是建筑物和高大树木稠密混杂区。
市区又可分为大城市和中小城市常用的两种电波传播模型Okumura电波传播衰减计算模式GSM900MHz主要采用CCIR推荐的Okumura电波传播衰减计算模式。
该模式是以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考,对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。
不同地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测。
亿村(Hata)模型,由日本测得的平均测量数据构成:
Lp=A+Blog10f-13.82log10hb-a(hm)+(44.9-6.55log10hb)log10d其中:
Lp:
pathloss(dB)f:
frequency(MHz)hb:
basestationantennaheight(m)a(hm):
mobileantennagainfunctiond:
distance(km)33.926.16B46.369.55A15002000MHz1501000MHz当f=1501000MHz时:
L(市区)69.55+26.16lgf-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)当f=15002000MHz时:
L(市区)46.3+33.9lgf-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)对中小城市:
a(hm)=(1.1log10f-0.7)hm-(1.56log10f-0.8)设fc=900MHz,hb=45m,hm=1.5m则Lp=123.6+34log10d157.6152.3150.1147.4144.0139.8133.8123.6Lp107654321d对大城市:
a(hm)=3.2(log1011.75hm)2-4.97L(郊区)=64.15+26.16lgf-2lg(f/28)2-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)设fc=900MHz,hb=45m,hm=1.5m则公式简化为:
Lp=Lp(城区)-9.9147.7142.4140.2137.5134.1129.9123.9113.7Lp107654321dL(乡村公路)=46.38+35.33lgf-lg(f/28)2-2.39(lgf)2-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)L(开阔区)=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)设fc=900MHz,hb=45m,hm=1.5m公式简化为:
Lp=Lp(城区)-28.5129.1123.8121.6118.9115.5111.3105.395.1Lp107654321dLp因地形、地貌变化很大,开阔地d=7km时,相当于城区d=1km的Lp。
建筑物内部要在Lp基础上增加穿透损耗LpLp=1018dB虽然hb越大Lp越小,但城区hb过大会出现同频干扰,建议hb在45米左右。
L(林区)=69.55+26.16lgf-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-a(hm)Cost-231-Walfish-Ikegami电波传播衰减计算模式GSM1800MHz主要采用欧洲电信科学技术研究联合推荐的Cost-2-Walfish-Ikegami电波传播衰减计算模式。
该模式的特点是:
从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。
分视距和非视距两种情况:
(1)视距情况基本传输损耗采用下式计算L42.6+26lgd+20lgf
(2)非视距情况基本传输损耗由三项组成:
LLo+Lmsd+LrtsLo=32.4+20lgd+20lgfa)Lo代表自由空间损耗b)Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗c)Lrts是屋顶至街道的绕射及散射损耗。
不管是用哪一种模式来预测无线覆盖范围,只是基于理论和测试结果统计的近似计算由于实际地理环境千差万别,很难用一种数学模型来精确地描述。
特别是城区街道中各种密集的、不规则的建筑物反射、绕射及阻挡,给数学模型预测带来很大困难。
因此,有一定精度的预测虽可起到指导网络基站选点及布点的初步设什,但是通过数学模型预测与实际信号场强值总是存在差别。
由于移动环境的复杂性和多变性,要对接受信号中值进行准确计算是相当困难的。
无线通信工程上的做法是,在大量场强测试的基础上,经过对数据的分析与统计处理,找出各种地形地貌下的传播损耗(或接受信号场强)与距离、频率以及天线高度的关系,给出传播特性的各种图表和计算公式,建立传播预测模型,从而能用较简单的方法预测接受信号的中值。
传播系统平衡移动通信是双向的上行:
移动台发往基站的信号(基站收)下行:
基站发往移动台的信号(基站发)1909545双工间隔(MHz)2110217018051880935960下行(MHz)1920198017101785890915上行(MHz)WCDMA1800MHz900MHz频段PA:
发射机输出功率LC:
Combiner损耗LBF:
馈线损耗GB:
天线增益GD:
分集增益PBR:
基站接收的功率PM:
移动台发射功率GM:
移动台天线增益LMF:
馈线损耗PMR:
移动台接收到的功率PA-LC-LBF+GBLP+GM-LMF=PMRPM-LC-LMF+GMLP+GBLBF+GD=PBR设PMR=PBRPA-LC=PM+GDPA=PM+GD+LCPA-PM=GD+LC
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- 电磁波 传播