单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,第3章,189,微波通信,郑玉峰,第三章 微波传播,,,,微波在自由空间的传播,,微波传播的描述方法,,地形对电波传输的影响,,大气对微波传播的影响,,大气与地面效应造成的衰落特性,,抗衰落技术,3.1 电波在自由空间的传播,,无线电波的传播途径：,,（1）地波传播,,（2）电离层传播,,（3）地面、低空视距传播,,（4）对流层的传播,,（5）外球层传播,无线电频谱表,,（1）,地波传播,：地波传播是指电磁波沿地球表面绕射传播当天线很低时，电磁波距地面很近，又加之天线很长，很容易被地面吸收导致迅速衰减这种衰减与地面的性质（导电系数的大小）、电磁波的极化方式和频率有关因此长波一般用于地波传播这个波段，我国一般用于电力线载波它的频率一般规定为30KHz--300KHz,这个频率称为长波中波的频率是500--1600KHz，也是地波传播，我国用于调幅广播2）,空间传播（地面、低空视距传播）,：也就是直发射天线和接收天线必须在视距范围内，这时电波为直射波，或由直射波和地面反射波组成的相干传播（因此接收点的场强为二者之和）。
这种传播方式用于超短波和微波通信频率在30MHz以上的调频广播和电视信号发射都是空间波传播超短波通信从理论上讲，只能在视距范围内进行3）,电离层传播（天波传播）,：由于太阳和各种宇宙射线的辐射，引起空气分子的电离，而形成了电离层电离层分三层D层（距地面高度70--90Km）、E层（100--120Km）、F1层（160--180Km）、F2层（200-900Km），中波和短波都能借助电离层的反射传播到较远的距离，最常用于短波通信短波频率为（ 3MHz--30MHz,有些地方定义为1.5MHz--30MHz）有静音区4）,散射传播：,,由于大气温度、压力、湿度和电子密度等的不均匀性，使大气介电系数随高度而改变散射波可在对流层或电离层发生，也可在流星的余迹上发生5）,外球层传播（外空间传播）,：离开地面900--1200Km的高度称为外球层， 1200Km 以上就进入星际空间星际空间的通信可视为自由空间通信在地面上，在某一个截止频率以上的频率（一般为10MHz，太阳活动剧烈时可至100MHz,极地夜间频率可降至2MHz）可以利用外球层进行宇宙通信卫星通信就是这种传播方式微波是一种电磁波,微波是一种电磁波,由随时间变化的电场和磁场组成，这两者相互依存、相互转化。
电磁波的电场、磁场和电磁能流之间有如下的基本关系：,,电场、磁场、能量流方向相互垂直，符合右手螺旋准则，,S,=,E,×,H,（坡印亭矢量）,,,,电场强度和磁场强度的大小的比值是一个固定值，该值称为媒质的特性阻抗或波阻抗，记为,,,,对真空媒质，为,377,欧姆为媒体的导磁率， 为媒质的介电常数电磁能流密度的大小为,,,电磁波具有一定的极化形式，指的是电磁波的电场矢量在空间的取向电磁波的极化分为三种形式：水平极化、圆极化、椭圆极化水平极化和圆极化可以看作椭圆极化的特殊形式电磁波是天线向空间辐射所产生的，辐射后形成辐射场，辐射场的电场强度和磁场强度的振幅随离开天线的距离,r,的增加而按,1/r,的因子减小，辐射场的等相位面是以距离,r,为半径的球面3.1.3 自由空间的,传播损耗,自由空间传播,系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件电波在自由空间传播时，其,能量既不会被障碍物所吸收,，也,不会,产生,反射,或,散射,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. 各项同性；3. 电导率为零电波经天线辐射后，其能量向周围空间扩散，到达接收天线的仅是发射功率的一小部分。
d为收发天线间的距离距离越远，接收天线收到的能量越小，这就是电波在自由空间传播过程的衰减，即,自由空间的传播损耗L,s,自由空间传播损耗L,s,是传播损耗中最基本的损耗，接收天线接收的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了工作距离越远，球面积越大，接收点截获的功率越小，即传播损耗加大电波在大气层以外的空间传播时，可以近似看成在自由空间传播关于天线的几个概念,,天线的口径面积A,p,：天线物理口径的面积；,,天线的有效面积A,e,：表征接收天线接收空间电磁波能力的基本参数；天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之比,,天线的口径效率,：为天线的负载检测到的功率与入射到天线的功率密度之比； A,e,/ A,p,,天线的增益G,：天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元（一般为点源，有时指偶极子）在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度对无方向性的全向天线，其有效面积,,,，,λ,为所传电波的波长,,B,点的无方向性天线收到的,,功率为,,,自由空间的衰减系数,,,取对数为,,,当d的单位为km，f的单位为GHz，c为自由空间的速度即3,╳10,5,km/s时，,,例3-1 设某两个微波站的距离为60km，频率为4GHz，计算自由空间的传播衰减。
解：代入上式，可得,解：代入上式，可得,自由空间传播条件下收信电平的计算,某天线的三维波瓣图,用于微波通信的天线，一般都不是向周围空间均匀辐射的全向天线，而是有很强的方向性发射天线的增益G,t,，通过主射束方向的单位面积功率为,,接收天线的增益G,r,，接受天线的有效面积,,,接收天线的输出功率为,,,,分贝表示为,,实际通信系统中，除传播损耗与天线的增益外，馈线、收发分路器均有损耗收发两端的馈线系统损耗分别表示为L,fr,、L,ft,，收发两端的分路系统损耗分别为L,br,、L,bt,则在自由空间条件下最后接收机的收信功率电平为,,例3-2 有一微波收通信机，发射机的功率为P,t,=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km，收发天线的增益G,r,=G,t,=39dB，收发馈线系统的损耗为L,fr,=L,ft,=2dB，收发两端分路器损耗为1dB求在自由空间条件下，接收机的输入电平和输入功率是多少？,,解：由已知条件，在自由空间的传播损耗为,,L,s,=92.4+20lgd+20lgf,,=92.4+20lg45+20lg3.8,,=92.4+33.06+11.6,≈137 dB,,发送信号的电平P,t,=10lg1000=30 dBm,,接收机的输入电平,,,,接收机的输入功率为,3.2 微波传播的描述方法,惠更斯-菲涅耳原理（Huggens-Fresnel）,,微波是一种电磁波，它是以波动的形式传播的。
既然是波动传播，当其在传播路径上移动时，必然需要一定的空间波动是物质运动的一种形式它可看成空间各点直接或间接受波源影响的强迫振动的集体表现，是相互干涉的结果电波的干涉,惠更斯——,菲,涅耳原理,光和电磁波都是一种振动，一个点源的振动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次,...,波前面也是球面波在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时，可将发射天线看成是一个点源惠更斯—菲涅耳原理,惠更斯-菲涅耳原理认为：在波的传播过程中，波面上的每一个点都可以看成是一个能进行二次辐射的球面波波源，而下一个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波面的包络面菲涅耳对这个原理进行了扩展他认为,在波的传动过程中，空间上任一点的辐射场，是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉的结果,也就是说，在空间某点的振动，是由某个包围波源的封闭曲面上的二次波源在该点的振动的相互叠加这样，如果我们求波源Q产生的场在P点的场强，可用Q产生的在封闭曲面上的二次波源，通过面积分叠加，来求得P点场强但这样的计算很复杂但有一个近似算法，可使问题简化。
菲,涅耳椭球面,假定有一个微波中继段发信点为,T,，收信点为,R,，站间距为,d,，平面上一个动点,P,到两个定点（,T,、,R,）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面对于电波传播，这个常数当为,d+λ/2,时，得到的椭球面称为第一,菲,涅耳椭球面；常数为,d+2λ/2,时，得到的椭球面称为第二,菲,涅耳椭球面,......,常数为,d+Nλ/2,时，得到的椭球面称为第,N,菲,涅耳椭球面,.,,d,1,d,2,d,d,1,+,d,2,- d =,l,/2,第一,菲涅耳椭球面:,菲涅耳椭球面,菲涅耳区定义,如果前述定义的一系列菲涅耳椭球面，与我们从,T,或,R,点出发认定的某一波前面相交割，在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一菲涅耳区其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个菲涅耳区，再往外的圆环称为第三菲涅耳区、第四菲涅耳区,......,第,N,菲涅耳区这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与,T,与,R,间射线的平面区域图形菲涅耳区定义,,直射线,第一,菲涅耳区,,+,第二菲涅耳区,,-,第三,菲涅耳区,,+,菲涅耳区定义,微波能量在直射线周围的空间中分布传播,,不同菲涅尔区的场强对总场强的贡献不同,,,经有关研究知道：在电波的传播空间中，由第一非涅耳区在接收点的场强,接近于全部有贡献的非涅区在接收点的自由空间场强的2倍;,,相邻菲涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反；,,若以第一菲涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。
在接收点接收到的是各个菲涅耳区的合成场强，当菲涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；,非涅耳区的能量分布:,菲涅耳半径,The Fresnel Radius:,,我们把菲涅区边界上的任意一点到R-T连线的距离称为菲涅耳区半径，用F 表示当这一点为第一菲涅耳区,边界,上的点时，此半径称为第一菲涅耳区半径,F,1,,当这一点为第二菲涅耳区边界上的点时，此半径称为第二菲涅耳区半径,F,2,第N 个菲涅耳区半径表达式：,F,n,= (n),1/2,F,1,,,上式中：F,1,为第一菲涅耳半径第一菲涅耳半径的计算,,,d,1,d,2,d,,300 d,1,,x,,d,2,f,x,d,F,1,= = =,F,1,：米,d, d,1,, d,2,：,千米,f ： GHz,r,F,C,,x,d,1,,x,,d,2,f,x,d,菲涅耳半径,,,x,λx,,d,1,,x,,d,2,d,,从Q点到P点的电磁能量基本上是通过以Q和P为焦点的一些,菲涅尔区来传播的所以，为了获得自由空间传播，只要保证一定的菲涅尔区,,不受障碍就可以了。
这个区域是电波在,,自由空间传播时起主要,,作用的空间区域，它被,S,0,,平面所截的面积是对接收场强起主要作用的二次源分布面积得到推论：,波长愈短，距离,d,愈短，,菲涅尔区半径越小；,,波长和距离一定时，,F,n,与,S,0,的位置有关，如在中点，则菲涅尔区半径最大，此时,d,1,=d,2,=d/2,，,,例3-3 设f=6GHz，d=50km，若天线的半功率波束宽度为1.5,° ，,求第一菲涅尔半径和中点处包含多少菲涅尔区？,,解：,,,中点处这个波束宽度的尺寸为,,这个里面包含很多,菲涅尔区根据,,,,,可以计算，里面包含近170个菲涅尔区最小,菲涅尔区,假设,S,0,是一个电磁波不能穿透平面，围绕着直射线开圆孔，先开一个孔与第一,菲涅尔区半径一样大，则接收点的场强是自由空间值的两倍也就是说要得到自由空间场强，我们需要的传播空间比,第一,菲涅尔区还要小，我们把这个半径称为最小菲涅尔区半径F,0,最小菲涅尔区半径F,0,的大小为,,,最小菲涅尔区半径和第一菲涅尔区半径是微波电路勘探设计中重要的两个物理量3.3 地形对电波传播的影响,地形对大气中电波传播的影响表现在三个方面：,反射,、,绕射,和,散射,。
这三种情况在一般条件下都存在，只不过在不同条件下有主次之分：,,天线高架，地面平滑，反射为主；,,地面粗糙起伏较大，散射为主；,,天线低架，或障碍物尺寸较小，绕射为主3.3.1 在平滑地面上的传播,这里所述的平坦地形是指不考虑地球曲率的影响下面所研究的环境己不再是自由空间，而是在真实大气中地面对电波的反射为了讨论问题的方便，对问题简化：不考虑地面媒质对电波的吸收，即地面对电波为全反射从A点发出到达B点的波有两条途径，其间有行程差和相位移行程差：,,,在三角形 和 中，,,,故,,一般情况下， ，所以,,,因此，,,,,故行程差为,,行程差引起相位差，经过途径ABC的反射引起相位滞后,,,设直射波的场强为,,设反射系数为R，反射时还会引起,π,的相移，故反射场强为,,合成场强为,,,,,可得到衰减因子,,,可以看到，,衰减因子,与直射波和反射波的,行程差,和,地面反射系数,有密切的关系当地面无吸收，即出现最大反射，R=1时,,,衰减因子与行程差的关系表明：,,接收点接收的场强随行程差的变化而呈周期性的变化，变化周期为一个波长周期；,,衰减因子的变化范围为,0~2,。
考虑地面反射后，接收机的实际接收电平可由下式求出：,,,式中， 为自由空间的收信电平，,,3.3.2 电波在球形地面的传播,地球是圆形的当通信距离远时，必须考虑地面的弧度，对前面的结果进行修正先来看看,直视距离,a代,表地球的半径，则,,,,,因为,α,很小， ，且a+h,1,≈a,,故,,,故,直视距离,为,,,将地球半径a=6370km代入，则,,,式中，d,0,的单位是km，h,1,和h,2,的单位是米当h,1,和h,2,一定的条件下，实际的通信距离最大不能超过d,0,比较实际距离d和直视距离d,0,的关系，可得：,,如果d
与前面的计算相同，可以得到：,,,,,,故天线的等效高度为:,修正地面的反射系数,球形地面对电波的扩散作用，类似于凸面镜对光线的发散，故对以相同角度、相同距离的入射波束，其反射波的接收强度要弱一些S,平面,S,球面,,球面反射的反射系数要在平面反射的基础上乘以一个,扩散因子,,,,D,f,的计算公式为,,,,,r,1,r,2,波束的边缘到球面，a是地球的直径，,θ,波束的中间到球面的距离与传输距离d相比，天线的高度一般很小，这时,,,远距离传输时，,,这样，代入D,f,的表达式,,,从上面的公式，可以得到：,,对光滑的地面，,D,f,接近于,1,（约等于,1,）；,,对起伏不平的复杂地面，反射点的曲率半径不为,a,，而是小于地球半径曲率半径越小，,D,f,就越小所以在选择地形时，希望选择起伏不平的山区而尽可能避免大的开阔地带和湖泊下表是不同地面实测的反射系数,R,的范围地面实测的反射系数1,,频率,水 面,,稻 面,,田 野,,城市、森林、山地,,,反射系数,损耗dB,反射系数,损耗dB,反射系数,损耗dB,反射系数,损耗dB,2 GHz,1.0,0,0.8,2,0.6,4,0.3,10,4 GHz,1.0,0,0.8,2,0.5,6,0.2,14,8 GHz,1.0,0,0.8,2,0.5,6,0.2,14,11 GHz,1.0,0,0.8,2,0.4,8,0.16,16,,地面实测的反射系数2,,地面类型,反射系数,频率 GHz,树林（1-3米高）,,菜地、杂草,,草地,0.05-0.2,,0.05-0.2,,0.05-0.6,3,草地（10mm高）,,中等粗糙地面,,非常粗糙地面,0.3-0.8,,0.1-0.5,,0.2-0.4,5,浓密森林,,再生林,,长草,,棉花地、不平海面、浅草,,平滑海面、盐滩,0-0.1,,0.1-0.4,,0.5-0.7,,0.7-0.8,,〉0.9,未注明频率,3.3.3 电波在复杂地面的传播,电波传播要在一定的空间内进行，要求在传播路径中要有一相当尺寸的截面，否则就有可能使接收的场强大大下降。
如果在传播的路径中有障碍物的存在，就会挡着直射波传播而影响接收点的场强所以在设计时应抬高接受点R和发送点T连线的位置1. 地球的凸起高度,将地球看作规则的球形在地面上两点TR之间的某一点C处的地球凸起高度为H,b,，它为C点至弦TR的垂直距离CO，O点与T点的距离为d,1,，与,R点的距离为d,2,由相交弦定理，有,,,整理后得到,,实际上,TR之间的距离对地球的周长来说很小, 也就是地面上的距离，而DO与地球的直径相等,即2a这样，,,,例如，如果d=50km，求中点处地球的凸起高度，将 代入，可得,,,在此情况下，如果收、发天线的高度也是50m，是不行的，因为此时视线刚好擦过地球表面，最小菲涅尔区都是受阻的这时，又产生了,传播余隙,的概念2. 传播余隙,传播余隙H,c,指的是在微波传输路径中，,地形起伏最高点与收发二点连线的距离,H,c,：传播余隙,,H,s,：障碍物海拔高度,,H,b,：地球凸起高度,,由上图的关系，不难得到,,,应用菲涅尔区的概念，可把传播电路分为三种类型：,,H,c,≥F,0,时，称为,开电路,；,,0<,H,c, 相对,余隙：,,,,,在相对余隙不同的情况下，衰减因子的计算是不一样的3.4 大气对微波传播的影响,从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层，集中了整个大气质量的四分之三对流层对微波传播的影响，主要表现在以下几点1）由于气体分子谐振引起对电磁波能量的,吸收,2）由雨、雾、雪引起对电磁波能量的,吸收,3）由于气象因素等影响，使对流层也会形成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中的不均匀结构，对微波的,散射和折射,3.4.1 大气对微波的吸收,微波通过晴朗的大气时的衰减主要是由水蒸气(包括云、雾、雨、雪)和氧气的吸收引起的任何物质都是由带电的粒子构成的，这些粒子有固定的谐振频率，如果通过这些物质的电磁波频率接近其固有的谐振频率，这些物质就会对电磁波产生强烈的共振吸收作用大气中的氧分子具有固定的磁偶极矩，水分子具有固定的电偶极矩，都能从电磁波中吸收能量，导致吸收衰减微波频段，大气存在三个明显的吸收峰（,22.5GH,z,（,H,2,O,）,,、（,O,2,）,60GH,z,（,O,2,） 、,118.8GH,z,（,H,2,O,）,,）。 这些吸收与,大气压力,、,温度,和,湿度,密切相关总的趋势：频率越高，衰减越严重大气吸收衰减,,频率,GHz,10,50,100,1000,500,1000,100,10,1,0.1,0.01,H,2,O,O,2,O,2,H,2,O,H,2,O,15,°,C,,H,2,O 7,5 g/m,3,,1013 hPa,25 g/m,3,3.4.2 雨雾引起的衰减,水凝物是大气中水蒸气凝聚物的统称，可以引起显著的衰减，这是由水凝物对微波的,吸收,和,散射,造成的吸收,：水凝物内部分子之间或离子之间的相互作用而产生阻尼效应，使一部分电波功率转化成热能而消耗掉散射,：电波遇到水凝物粒子时，粒子内部的自由电子和束缚电荷将受到外界电场力的作用而做受迫运动这些粒子可看成等效的电偶极子，将随外场频率震荡产生二次辐射，从而将一部分功率散射出去对于水凝物引起的衰减来说，与水凝物的形状、复折射指数、尺寸、温度、下落速度等是有关系的其中降雨引起的衰减最为严重各地的,气候条件不同，水凝物导致的衰减差别很大,了解每个地区的气候特性，对微波通信系统的设计是至关重要的雨雾衰减,微波频率,(GHz),暴雨,大雨,中雨,小雨,毛毛雨,0.4,1,2,4,10,20,30,50,100,150,雨雾瞬时强度( (mm/h),0.01,0.1,1,10,50,雨雾吸收系数 (dB/km),5,10,20,50,100,»,2.4,dB/km,7,GHz,38,GHz,»,5.9,dB/km,»,37,dB/km,38,GHz,各种衰落及抗衰落技术,一般对6GHZ以上的微波作用明显，低于此频率的可不考虑。 在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能会引入几个分贝在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般最大中继距离在10km左右,,在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里,越高频段雨衰越厉害！！,,高频段可以做用户级传输,雨雾雪的衰减与微波的频率关系密切,3.4.3 大气对微波的折射,1. 大气的折射率与折射指数,,地球周围的大气并不是一种均匀介质，其密度、温度和湿度都随高度而变化这样，它的,折射率n（ ）也随高度的变化,而变化，由低空的大于1而逐渐趋近于1这个值与1相差很小，一般为10,-4,~10,-6,，为了方便，我们定义,折射指数,,N=(n -1),╳,10,6,,折射指数随高度的增加而下降，寒带地区比热带地区的下降速率要大一些；,,温带地区紧贴地面的大气折射指数一般为,310-320 N,单位，平均为,315 N,单位标准大气的折射指数梯度为,,,电波在标准大气中或在混合的比较均匀的大气中传播，称为,正常传播,。 2. 大气对电波的折射,大气的折射率随高度变化，电波在其中传输时，就会穿过不同的高度，相当于经过了一个折射率渐变的透镜，就会发生折射，从而使传播线路呈现一条弧线哇！微波是弯着走的,,大气折射对传播轨迹的影响,n,n,n,n,n,n,n大,n大,n小,n小,,根据折射定律，可以求出传播弧线的曲率半径为,,,这说明：,,在低空传播的电波，其传播路线的曲率不是由折射率的大小，而是折射梯度所确定的当大气折射率随高度线性变化时，即,dn,/dh,为常数，,ρ,也是常数当大气折射率随高度减小时，,ρ,是正数，使传播轨迹向下弯曲在标准大气情况下，折射率梯度,,,因此,,标准大气的曲率半径近似为地球半径的4倍注意：考虑实际情况，大气的折射率和折射梯度不是恒定的，随气候变化而变化，因此实际的传播轨迹即使在同一线路下不同时间也会有所差异3. 地球的等效半径,在大气中电波是沿着曲线传播的这样在考虑折射的情况下，会对微波系统的设计带来不便为此引入,等效地球半径,a,e,的概念为了保证等效后的情况和实际是等效的，必须使等效地面上的直线轨迹上任一点到等效地面上与实际传播路线到实际地面的距离相等事实上，如果两组曲线的曲率差相等，则它们的距离相等，即,,,故,,,称为,等效地球半径因子,，表示的是等效地球半径与实际地球半径之比。 当 ，K>1;,,当 ，K<1;,,一般来说，温带地区K的平均值在4/3左右，并把K=4/3的大气折射称为,标准折射k =,¥,,4/3,1,2/3,地球半径,(a),地平面,2/3,4/3,1,k =,¥,等效地球半径,(,k,a),等效地球,在温带地区，一般,K=4/3,，这时的折射称为标准折射，此时的大气称为标准大气,,a,e,=4a/3,称为标准等效地球半径,,在考虑大气折射的情况下，只要把电波在均匀大气中传播时所得到的一系列计算公式中，所有的地球半径用等效地球半径Ka来代替，则电波就好象在无折射的大气中一样，沿直线传播例如，在均匀大气中，视距传播的距离为,,,考虑大气的折射，地球半径用等效地球半径代替,,,结果表明：,,在K>1时，传播轨迹向下弯曲，视线距离增长，原来处于阴影区的接收天线，可能处于照明区而延长了传播距离；,,K<1时，传播轨迹向上弯曲，视线距离缩短，原来处于照明区的接收天线，可能处于阴影区而接受不到信号；,4. 大气折射对电波传播的影响,对折射的实际情况，根据等效地球半径因子，可分为三类：,,正折射；,,无折射；,,负折射,正折射,电波射线向下弯曲，射线弯曲方向与地球表面相同，可使传播距离变远。 又有三种特殊情况：,,dN,/dh=-39N/km,时，,K=4/3,，称为标准大气折射；,,dN,/dh=-157N/km,时，,,K=,无穷，,a,e,=a,，称为临界折射,,,微波传播路线与地面平行,,,能传输无限远；,,dN,/dh<-157N/km,时，,,K<0,，,a,e, 为保证余隙的变化量不太大，通常在平原地段的微波线路站距为30~40km，山区为50~ 60km3. 反射点位置的变化,在反射存在的地表传输中，接收点的场强是由直射波和反射波迭加的结果直射波和反射波的行程差严重影响到接收效果K的值随着气候条件的变化而变化，其变化影响到收发两点间的传播途径从而影响到行程差这样，在具体的两站之间，必须考虑随K的变化影响到 的接收效果4. 传播余隙的选择,大气折射的主要影响是通过等效地球半径因子的改变而引起地球凸起高度当K减小，地球凸起高度增大，余隙减小在微波线路设计时，要注意工作区域K的变化，尤其是最小值和出现的时间余隙的大小决定了允许通过的菲涅尔区的数目在一般情况下，我们决定到达与自由空间传播场强相等的最小余隙也即最小菲涅尔区半径,,确定传播余隙的一条原则,：,,在一个传播段上，相应于最小K值的传播余隙应在0.6F,1,左右第三章 微波传播,,,,微波在自由空间的传播,,微波传播的描述方法,,地形对电波传输的影响,,大气对微波传播的影响,,大气与地面效应造成的衰落特性,,抗衰落技术,3.5 大气与地面效应造成的衰落特性,微波,在空间传输中将,受到大气效应和地面效应的影响,，,导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化,，我们把这种现象称为,衰落,。 衰落影响信号传播的稳定性和系统可靠性3.5.1 衰落特性,快衰落和慢衰落,,(,按持续时间划分,):,,慢衰落,：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时快衰落,：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间上衰落和下衰落,,(,按接收点场强的高低划分,):,,上衰落,：高于自由空间电平值的叫上衰落,,下衰落,：低于自由空间的电平值的叫下衰落,,慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响衰落的发生是随机的,无法预知某一时间信号的具体规律,只能掌握统计规律波长短，距离长，衰落严重,,跨水面，平原，衰落严重,,夏秋季衰落频繁,,昼夜交替时，午夜容易出现深衰落,,雨过天晴及雾散容易出现快衰落,衰落的分类,从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型：,,闪烁衰落,,K,型衰落,,波导型衰落,,闪烁衰落,对流层中的大气常发生的体积大小不等，无规则的漩涡运动，这些称为大气湍流大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数,ε,与周围的不同当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。 由于这种衰落是由于多径产生的，且衰落持续时间短，电平变化小，因此称之为闪烁衰落一般不会造成通信的中断K,型衰落（多径衰落）,这是由于,多径传输,产生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差，使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落由于这种衰落与行程差,Δr,有关，而,Δr,是随大气的折射参数,K,值的变化而变化的，故称为,K,型衰落这种衰落在水面，湖泊，平滑的地面时显得特别严重除了地面的反射以外，大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射，也可以造成电波的多径传输，在接收点产生干涉型衰落一般是慢衰落,),,波导型衰落,由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的结构，当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象，称为大气波导传播若微波射线通过大气波导，而收、发两点在波导层外，如下图所示，则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外，还有“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断大气波导传播,3.5.2 平衰落及其瑞利分布特性,衰落对视距传播的影响表现在两个方面：一是信号的,接收电平下降,，二是由于衰落的频率选择性作用而引起,传输波形的失真,在多径传播的条件下，这两种情况同时存在。 一定条件下，可以忽略频率选择性影响，而认为信号传输带宽内具有相同的衰落电平，这种衰落称为,平衰落,衰落特性的表示方法,,从微波的传输可靠性考虑，我们要研究,衰落深度与衰落持续时间的概率分布,情况衰落深度给出了电波传输的,中断电平,，衰落持续时间决定了,中断时间,多径传播的相位干涉是引起传播深衰落的主要原因,由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，产生了接收点的场强，从而形成信号衰落快而且深，我们把这种衰落称为,瑞利衰落,在微波通信条件下，并考虑电波传播的具体条件，瑞利衰落的概率的经验表达式,,,,K：环境条件因子；Q：地形条件因子,,d：站距；f：频率,,W:实际的接收功率,,W,0,:自由空间传播时的接收功率,,P,r,是接收功率小于或等于W时的概率衰落不仅与接收功率有关，还与当地的气象、季节、地理环境等因素有关，表现在公式里的常数因子不同故不同国家和地区的计算公式也不一样在收信电平等于自由空间条件下的收信电平时，我国的计算公式：,,衰落深度的计算,衰落深度,又称为,衰落储备,、,衰落容限,，是指为了保证某个限定的误码率指标，一个中继段（或设备）具有的抗衰落的,储备量,，或者说能够忍受的衰落深度。 这个值与 有关衰落深度的计算,衰落深度,又称为,衰落储备,、,衰落容限,，是指为了保证某个限定的误码率指标，一个中继段（或设备）具有的抗衰落的,储备量,，或者说能够忍受的衰落深度这个值与 有关数字微波的衰落深度是从衰落概率的角度进行计算的，定义式为：,,,,已知衰落深度为F,d,时，深衰落发生的概率为,,例3-4 某平原地区的数字微波通信线路，用于数据传输，线路长度为1000km，通信频率为7GHz，全线路误码率为10,-6,时的中断概率为0.01%，该中继段站距为40km，求衰落深度解：该中继段衰落的瑞利分布概率为：,,,平原地段，KQ=10,-9,，f=7GHz，d=40km，代入上式,,,40km的中继段分到的允许中断概率为,,,故衰落深度为,,例3-5 某数字微波电路跨越湖面，工作频率为8GHz，站距为38km，发射天线高度为90m，接收天线高度为60m，地势海拔为0，假定衰落深度为32dB，求衰落概率解：水面的KQ值为,,,中断概率为,,3.5.3 频率选择性衰落,,当发送的信号是具有一定频带宽度的信号时，多径传播会产生频率选择性衰落Frequency (MHz),接收功率电平,(dBm),平衰落,频率选择性衰落,,下面假定多径传播的路径只有两条的情况进行分析。 令发送信号为,f,(,t,)，其频谱函数为,F,(,w,)则到达接收点的两路信号，具有相同的衰减，这样它们可分别表示为：,,时延与路径差有线性关系当这两条传输路径的信号合成后得,：,,,相应于它的傅氏变换对为,,,,因此，信道的传递函数为,,,,其幅频特性为,,两条路径传播时选择性衰落特性,,,当一个传输信号的频谱宽于,1/,时，将致使某些频率分量被衰落，这种现象称为频率选择性衰落，简称选择性衰落注意： 是随时间变化的，在不同的时间，频率选择性衰落发生的情况不同，即微波信号的衰落深度随频率而变化上述概念可推广到一般的,多径传播中去多径传播时的相对时延差通常用最大多径时延差 来表征，并用它来估算传输零极点在频率轴上的位置设信道的最大时延差为 ，则相邻两个零点之间的频率间隔为：,,,这个频率间隔通常称为多径传播信道的相关带宽多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的,H,c,(f)，,破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰频率选择性衰落对微波通信的影响,引起带内失真,,使交叉极化鉴别率下降,,使系统原有的衰落储备值下降,引起带内失真,,,带内失真会导致解调后数字信号的波形失真，波形失真又会造成码间干扰。 有关资料表明，在信号的通频带内，5～6dB的振幅起伏就会使数字微波通信系统产生不能允许的高误码率，使系统性能变坏决定频率选择性衰落程度的基本参数是两条射线的振幅比r和路径时延差τ,0,当τ,0,一定时，r越接近1，衰落越严重；当r一定时，τ,0,越大，信号的色散越严重使交叉极化鉴别率下降,,一种极化状态的微波信号，经过信号传输后，其极化面可能会受到影响，并使一部分能量成为与之正交的极化状态，这对频率相同的正交极化波道造成干扰，称为交叉极化干扰交叉极化鉴别率（XPD）表征为接收端收到的与发送端相同极化的信号功率电平和收到的交叉极化电平的差值接收端某波道接收的与发送端相同极化的信号功率；,,：接收端某波道接收的交叉极化干扰信号功率,,XPD越大，表示一种极化经过传输转化成正交极化状态的能量越小使系统原有的衰落储备值下降,这里所指的衰落储备值下降，往往指数字微波的有效衰落储备数字微波通信系统经常用到有效衰落储备的概念：它表示与自由空间传播条件相比，当考虑频率选择性衰落时，为了在不超过门限误码率时系统仍能工作，所必须留有的电平余量因为在频率选择性衰落条件下，有时候衰落并不深，但误码率却可能上升很快，甚至超过门限误码率导致通信中断。 对抗频率选择性衰落，仅靠增加平坦衰落储备，系统性能的改善及其有限，解决的办法是采用分集技术、自适应均衡等技术，以改善系统的抗频率选择性衰落能力第三章 微波传播,,,,微波在自由空间的传播,,微波传播的描述方法,,地形对电波传输的影响,,大气对微波传播的影响,,大气与地面效应造成的衰落特性,,抗衰落技术,3.6 抗衰落技术,对抗衰落的技术措施可以从两个方面去考虑：一个方面是对正在准备建设的微波电路的考虑，另一个方面是对已建成微波电路的衰落严重接力段的考虑常用方式,减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由；波道变换,,在移动通信中采用微蜂窝、直放站；,,采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等1.,分集技术,分集就是指,通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施,基本思想,：分散得到几个,统计独立,的信号并集中这些信号，多路信号同时发生深衰落的可能性非常小，那么经适当的合并后构成总的接收信号，就能使系统的性能大为改善原理,：利用无线传播环境中来自不同途径的多径信号的统计独立性进行合并，从而实现分集首先要找出来自不同途径的多径信号，这些途径可以是不同的空间、不同的极化、不同的频率、不同的时间。 其次要以某种方法进行合成分集技术包括分集发送和分集接收技术分集接收技术的效果，取决于接收信号的衰落相关程度接收信号的衰落相关系数越小，则分集接收的效果越好分集改善效果指采用分集技术与不采用分集技术两者相比，对减轻深衰落影响所得到的效果（好处），常用的标称改善效果，有分集增益和分集改善度分集增益是指同一个时间累积时间百分比内（较长时间内），分集接收与单一接收时的平均收信电平差分集改善度是指在某一相对的收信电平时，单一接收与分集接收的衰落累积时间百分比之比例如当收信电平低于自由空间传播电平20dB时，单一接收和分集接收这同一收信电平，其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%，两者的比值为100，即分集改善度为100分集方式,空间分集,：不同天线的接收信号相互独立,,极化分集,：,水平极化和垂直极化,的信号相互,独立；,,频率分集,：不同频率,的,接收信号相互独立；,,时间分集,：,不同时间的接收信号相互独立站址分集：在不同的站址接收相同的信息角度分集：在不同的角度接收相同的信息空间分集,：,空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统,,垂直空间分集（最常用）；,,水平空间分集；,,分集天线距离有一定要求。 距离太小，两信号间相关性过大，达不到较好的接收效果；距离太大，增加成本太多频率分集,： 频率分集是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，以减轻衰落影响，这种工作方式叫做频率分集 ，利用电磁波在不同频率下的不同行程来减少或消除影响这种方法效率较好，且只需一副天线，但在频率十分紧张的无线频段，频率的使用效率就显得不太高了分为同频段分集和跨频段分集一般来说频差越大，效果越好极化分集,：具体来讲, 在发射端的同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线, 在接收端的同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线, 就可得到两路衰落特性不相关的信号 极化分集实际上是空间分集的特殊情况——分集支路只有两路且相互正交时间分集,：使同一信号在不同的时间区间多次重发只要各次发送的时间间隔足够大，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响瑞克接收：,对时间上扩散的信号进行分集，尽可能多的获取信号能量；对多径信号进行分离，根据信道估计的结果来进行多径信号合并交织技术：,在无线通信中由于发生深衰落或遇到突发干扰，误码的分布就不是平稳、纯随机的，而是存在随机误码和突发误码。 采用交织可以减少突发误码的影响分集接收信号的处理方式,选择,式合成：选择最好的支路作为输出，其它支路丢弃同相合成：（最大功率合成）调整各个支路接收信号的相位，使之同相，然后进行等增益相加最小振幅偏差合成：调整各个支路次径（干涉波）的相位及幅度，使之反相抵销最大比合成：,调整各个支路的相位，使之同相，然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加最小振幅偏差合成分集接收,,,如图3-30所示为最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图,,如图3-31所示的为最小振幅偏差合成与同相合成在改善带内失真方面的性能比较，合成过程中的直射波、干涉波和合成波均用矢量表示图3-30 最小振幅偏差合成分集接收的原理方框图,图3-31 同相与最小振幅偏差合成性能比较,3.基带开关分集接收,,这种分集接收方式是把上、下两天线接收的信号分别经过各自的接收机，变成中频信号并解调成基带信号后，由分集开关盘进行选择倒换，选择误码率较低的一路作为基带信号输出,,4.分集改善效果,,在数字微波通信系统中，不管采用哪一种空间分集接收方式，都会使系统的有效衰落储备增加，即抗频率选择性衰落的能力增强，还能不同程度地改善带内失真，改善交叉极化鉴别度。 ,自适应均衡技术,高性能的数字微波信道把空间分集和自适应均衡配合使用所谓,均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰,即通过均衡器消除时间和信道的选择性它用于解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号的宽度可分为时域均衡和频域均衡两种频域均衡,指的是总的传输函数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性,时域均衡,是使总冲击响应满足无码间干扰的条件,，数字通信多采用时域均衡，而模拟通信则多采用频域均衡频域均衡器,在模拟微波通信系统中，为了改善信道的群时延和微分增益特性，也使用了均衡器，但是该均衡器仅作静态特性的补偿均衡器频域表达：,,信道,时域响应f(t)，均衡器时域响应h,eq,(t)，,希望均衡后的信道响应为：,,g(t)=f*(t),,heq(t)=,,(t),,就有： Heq(f)F*(-f)=1,,Heq(f)为均衡器频域响应，F(f)为信道频域响应均衡器是传输信道的逆滤波器；,,由于传输信道的时变性，均衡器必需是参数可变的自适应均衡器；,,均衡器的效果是补偿信道的频率选择性，使衰落趋于平坦、相位趋于线性。 均衡器不能抵销平衰落图3-35 中频可变调谐的自适应均衡器,频域均衡特点,,信号频谱,多径衰落,斜率均衡,均衡后频谱,频域均衡只能均衡信号的幅频特性，,,不能均衡相位频谱特性，但是电路简单,,,,…..,…..,均衡前,均衡后,时域均衡直接抵消码间干扰,方案很多,T,T,T,2. 时域均衡,时域均衡器：,线性均衡器,横向滤波器,；,适用于衰落深度不是很大的情况均衡器对深衰落的频谱及邻近频谱产生很大增益，从而增加噪声结构简单格型均衡器,；数值稳定性好；收敛速度快时域均衡器：,非线性均衡器,适用于深度衰落很大的情况但算法相对复杂，且稳定性差和收敛时间长判决反馈均衡器（DFE）；,,最大似然符号检测（ML）；,,最大似然序列检测（MLSE）均衡器算法,性能,算法性能参数：,,收敛速度：算法进入稳定的迭代次数，即收敛时间；,,失调：滤波器均方差与最优的最小均方差的差距；,,计算复杂度：完成迭代的运算次数；,,数值特性：算法用数字逻辑实现时，由于计算引起的误差，影响算法稳定性均衡器算法,分类,迫零算法；,,最小均方算法；,,递归最小二乘算法；,,其它算法智能天线,智能天线是具有测向和波束成形能力的天线阵列，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取发送和接收站之间各个链路的方向特性。 智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用用户信号并删除或抑制干扰信号的目的同时，智能天线技术利用各个用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效智能天线是一个天线阵列，如图3-39所示它由N个天线单元组成每个天线单元有M套加权器，可以形成M个不同方向的波束，用户数M可以大于天线单元数N根据采用的天线方向图形状，可以分为两类：,,1.自适应方向图智能天线,,2.固定形状方向图智能天线,自适应方向图智能天线,它采用自适应算法，其方向图与变形虫相似，没有固定的形状，随着信号及干扰而变化它的优点是算法较为简单，可以得到最大的信号干扰比但是它的动态响应速度相对较慢另外，由于波束的零点对频率和空间位置的变化较为敏感，在频分双工系统中上下行的响应不同，因此它不适应于频分双工而比较适应时分双工系统自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上智能天线在空间选择有用信号，抑制干扰信号，有时我们称为空间滤波器。 虽然这主要是靠天线的方向特性，但它是从信号干扰比的处理增益来分析的，它带来的好处是避开了天线方向图分析与综合的数学困难，同时建立了信号环境与处理结果的直接联系自适应天线阵的重要特征是应用信号处理的理论和方法、自动控制的技术，解决天线权集优化问题自适应天线自出现以来，已有30多年大体上可以分成三个发展阶段：第一个10年主要集中在自适应波束控制上，第二个10年主要集中在自适应零点控制上；第三个10年主要集中在空间谱估计上，诸如最大似然谱估计、最大熵谱估计、特征空间正交谱估计等等在大规模集成电路技术发展的促进下，八十年代以后自适应天线逐步进入应用阶段，尤其用在通信对抗与此同时，自适应信号处理理论与技术也得到了大力发展与广泛的应用2. 固定形状方向图智能天线,,固定形状方向图智能天线在工作时，天线方向图形状基本不变它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA)，然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比固定形状波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的与自适应智能天线相比，固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，而且鲁棒性好，但它对天线单元与信道的要求较高。 在多径环境下，空间信道的分析和测量是目前理论和实验研究的热点已有多种传播模型和分析方法，并用它对各种不同通信体制、不同信号带宽、不同环境（城巿、农村、商业区、楼内）进行了分析，给出了对应的模型并进行了大量的测试结果表明，在农村、城郊以及许多城区，对于窄波束，其时间色散可以减少采用通信信号中的训练序列进行信道估计，可以给出空间信道的响应，这也是研究的热点之一时空信号联合处理技术,智能天线实际上是一种空间信号处理技术如果它和时间信号处理技术相结合，就会获得更大的好处在时间信号处理方面，如均衡技术，时、频域分集接收，RAKE接收，最大似然接收等已在通信中得到广泛应用 它们本身也常用于克服多径衰落，提高通信质量.,,把两种信号处理技术结合起来，产生一种新的统一的算法，可以更有效地提高通信性能和处理效率有的文献称之为两维或三维RAKE接收下图给出一种空间滤波RAKE接收机的框图, 它包括N个天线单元、三套形成空间波束的加权器和一个三指RAKE接收机。
