【正文】 ? ? ? ?21102dhR??22202dhR??五、大氣中電波傳播（ “ 標(biāo)準(zhǔn)大氣 ” ） ? 假設(shè)電波沿直線傳播 ， 在均勻大氣中是正確的 。 而實(shí)際無線信道 ， 電波是在對(duì)流層中傳播 。 大氣的溫度 、濕度和壓力都隨著地區(qū)和高度的不同而變化 ， 因此是不均勻的 ， 會(huì)使電波產(chǎn)生折射 、 散射以及吸收的現(xiàn)象 ， （ 1） 折射的基本概念 ? 當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生變化，這就是所謂折射現(xiàn)象，如圖所示。其中 是入射波與反射面法線間的夾角，稱為入射角； 是折射波與法線間的夾角，稱為折射角。 1?2?折射現(xiàn)象 折射率 ? 折射定律表明，入射角的正弦與折射角的正弦成比例，即有 比例因子 與介質(zhì)有關(guān)，稱為介質(zhì) 2對(duì)介質(zhì) 1的相對(duì)折射率。當(dāng)電磁波從真空射入某種介質(zhì)時(shí)，所得到的折射率稱為該介質(zhì)的絕對(duì)折射率，或簡(jiǎn)稱為折射率 2121s ins in n???21n大氣折射指數(shù) ? 大氣折射率 n通常很接近與 1。為了方便，工程上引入大氣折射指數(shù) N與大氣溫度、壓強(qiáng)和水蒸氣壓強(qiáng)的關(guān)系為 式中， T為絕對(duì)溫度，單位卡爾文； e為水蒸氣壓強(qiáng)，單位毫巴； P為大氣壓強(qiáng)，單位毫巴。 610)1( ??? nN)481 0( TePTN ????（ 2）大氣折射 在大氣對(duì)流層中 ， 當(dāng)高度不同時(shí) ， 參數(shù) T， e和 P都會(huì)變化 ， 因而大氣折射率也隨高度變化 。 這就導(dǎo)致電波在對(duì)流層中傳播時(shí)會(huì)不斷發(fā)生折射 ， 從而傳輸軌跡彎曲 ， 這種現(xiàn)象稱為大氣折射 。 當(dāng)天線較高，電波覆蓋面積較大時(shí)，計(jì)算電波傳播問題就不能忽略大氣折射的影響。工程上用等效的方法來處理，即將電波彎曲傳播等效成直線傳播。這就需要引入等效地球半徑的概念。 大氣折射率的變化對(duì)雷達(dá)定位、多普勒測(cè)速和紅外光傳輸?shù)挠兄匾绊憽?17世紀(jì)物理學(xué)家卡西尼建立了大氣折射理論嗎 9世紀(jì) ARAGO對(duì)大氣折射率進(jìn)行了測(cè)量； 1981年 Jones發(fā)現(xiàn)除了溫度和氣壓，二氧化碳對(duì)折射率的影響， 82年 Matsumito指出水汽對(duì)近紅外波段的吸收導(dǎo)致反常的折射效應(yīng) ， 1994年， Birch對(duì)大氣折射率公式進(jìn)行多次修正，之后 Rueger對(duì)可見光波段和近紅外波段計(jì)算公式進(jìn)行了修正和化簡(jiǎn) 大氣折射示意圖 ? 設(shè)想將對(duì)流層大氣分成許多很薄的與地球同心的球?qū)?，層高為 Δ h， 如圖所示 。 電波從 A點(diǎn)由下層射入相鄰的上層 ， 入射角為 φ 。 由于高度不同 ， 折射率發(fā)生變化 ， 分別為 n和 n + Δ n， 并引起折射 ， 折射角為 φ + Δ φ 。 ? 求電波傳播曲線在 A點(diǎn)處的曲率半徑。設(shè)電波在上一層中傳播到 B點(diǎn)，作 A點(diǎn)和 B點(diǎn)的法線交于 O‘ 點(diǎn)。當(dāng) AB長(zhǎng)度趨近于零時(shí)， O’ A的極限位置就是 A點(diǎn)的曲率半徑。 ? 應(yīng)用折射定理，并考慮簡(jiǎn)化 條件，可以得到 1ddnh? ??其中分母是折射率 n隨高度變化的梯度 等效地球半徑 ? 電波在以等效地球半徑 Re為半徑的球面上空沿直線傳播與電波在實(shí)際地球上空沿曲線傳播等效，如圖 所 示。 所謂等效就是直線傳播軌跡上任一點(diǎn)到等效地面的距離與曲線傳播軌跡上的相應(yīng)點(diǎn)到實(shí)際地面的距離相等 。 根據(jù)幾何學(xué)原理 ， 如果兩組曲線的曲率之差相等 ， 則它們之間的距離相等 ， 可得 0 e e1 1 1 1RR??? ? ?等效地球半徑系數(shù) ? 定義 K為等效地球半徑系數(shù) 等效地球半徑與實(shí)際地球半徑的關(guān)系為 可以看出，等效地球半徑系數(shù)與大氣折射率隨高度變化 的梯度 有關(guān) dhdnRRRK e00 11???0KRR e ?dhdn大氣折射的類型 大氣折射的類型 ? 無折射 ：大氣是均勻的 ， 電波沿直線傳播 ， ? 負(fù)折射 ：大氣折射率隨著高度的增加而增加 ，電波傳播向上彎曲 ， ? 正折射 ：大氣折射率隨著高度的增加而減少 ，電波傳播向下彎曲 。 正折射分為三種情況： （ i） 標(biāo)準(zhǔn)大氣折射 ： ,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下的等效地球半徑 。 （ ii）臨界折射 。 （ iii）超折射 34?KkmR e 8 5 0 0?(3)視距傳播的極限距離 ? 由于地球表面的彎曲 ， 視線傳播有一個(gè)極限距離 。 并且 ， 視線傳播是一種遠(yuǎn)距離傳播 ， 必須考慮大氣折射 。應(yīng)該采用等效地球半徑 。 ? 可以得到 A和 B的距離為 在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射的情況下， Re=8500Km，上式化簡(jiǎn)得到視距傳播的極限距離為 式中， h1和 h2的單位是米， d的單位是千米 )(2 2121 hhRddd e ????)( 21 hhd ??六、 粗糙不平坦地面上電波傳播 ? 以上討論，將地面假設(shè)為光滑的，對(duì)電波的反射是理想的鏡面反射。實(shí)際傳播環(huán)境中地面都是起伏不平的。鏡面反射僅在一定條件下存在。 ? 工程中要解決的問題是，在什么條件下，可以認(rèn)為地面會(huì)引起理想的鏡面反射；在什么條件下必須將地面看為是粗糙不平坦的。 ? 這個(gè)問題與多種因素有關(guān)，其中主要是工作頻率和地面起伏程度。 粗糙地面簡(jiǎn)化模型 ? 假設(shè)有如圖中所示的由兩個(gè)平行面構(gòu)成的地面，高度差為 Δh?，F(xiàn)在分析兩條平行的射線分別經(jīng)過地面凹底部分反射和凸起部分反射后的行程差。所謂行程差就是射線從波陣面 A到波陣面 B所經(jīng)過的路徑。這里，還假設(shè)電波為平面波，入射角為 ?。 ? 瑞利準(zhǔn)則 ， 可以得出光滑地面應(yīng)該滿足的條件是 ? 可以推出 2s i n4 ???? ?? h??s i n8?? h七、 障礙物的影響及繞射損耗 在實(shí)際陸地?zé)o線通信中 ， 發(fā)射與接收之間的傳播路徑上 ， 往往有山丘 、 建筑物 、 樹木等障礙物存在 。 此時(shí) ， 電波根據(jù)繞射原理越過障礙物的 ， 由此而引起的損耗稱為繞射損耗 。 （ 1） 電波傳播的費(fèi)涅爾區(qū) 繞射損耗與電波傳播費(fèi)涅爾區(qū)的概念緊密相關(guān)。由于波動(dòng)特性，電波從發(fā)射端到接收端傳播時(shí)的能量傳送是分布在一定空間內(nèi)的。費(fèi)涅爾提出一種簡(jiǎn)單的方法給出了這種傳輸空間區(qū)域的分布特性。 費(fèi)涅爾區(qū)的概念 發(fā)射點(diǎn)天線 T，接收天線 R，發(fā)射波球面?zhèn)鞑? 第一費(fèi)涅爾區(qū) ? 費(fèi)涅爾區(qū)是以收發(fā)天線為焦點(diǎn)的橢圓繞長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)而構(gòu)成的橢球體所占的空間 （ 對(duì)第一費(fèi)涅爾區(qū)而言 ） ， 或者相鄰橢球體之差所占的空間 （ 對(duì)其他費(fèi)涅爾區(qū)而言 ） 。 所謂第 Ⅰ 費(fèi)涅爾區(qū)就是以上 時(shí)所構(gòu)成的費(fèi)涅爾區(qū) 。 ? 第 Ⅰ 費(fèi)涅爾區(qū) 分布在收發(fā)天線的軸線上，是能量傳送的主要空間區(qū)域。理論分析表明，通過第 Ⅰ 費(fèi)涅爾區(qū)到達(dá)接收天線的電磁波能量約占該天線接收到的總能量的 1∕2 。如果在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有障礙物存在，將會(huì)對(duì)電波傳播產(chǎn)生較大的影響。 1?n（ 2） 刃形障礙物的繞射 ? 當(dāng)障礙物的寬度與其高度相比較很小，稱為刃形障礙物。對(duì)于刃形障礙物，可以不考慮寬度對(duì)電波傳播的影響。下圖為刃形障礙物對(duì)電波傳播影響的示意圖。 ? 為了衡量障礙物對(duì)傳播通路影響的程度，定義一個(gè) 費(fèi)涅爾余隙 的概念。如圖中所示，障礙物定頂點(diǎn) P到發(fā)射端與接受端的連線 TR的距離 x稱為費(fèi)涅爾余隙。當(dāng)障礙物阻擋視通時(shí)，規(guī)定余隙為負(fù)；不阻擋視通時(shí)，規(guī)定余隙為正。 費(fèi)涅爾余隙 第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑 ? 由上圖可以推導(dǎo)出 ， 對(duì)于第一費(fèi)涅爾區(qū) ， n＝ 1， 其半徑為 式中 ， d的單位是 km， λ 的單位是 mm， 的單位是 m。 在工程上 ， 根據(jù)障礙物的費(fèi)涅爾余隙與第一費(fèi)涅爾區(qū)在障礙物處橫截面半徑之比 ， 求出相對(duì)于自由空間的繞射附加損耗 ， 并制成圖表 ，如圖所示 。 21211 ddddx?? ? 繞射附加損耗 該圖標(biāo)理論依據(jù)？查資料 ? 當(dāng) 時(shí) ， 障礙物對(duì)于直射波的傳播基本沒有影響 ， 計(jì)算可按自由空間處理 ； ? 當(dāng) 時(shí) ， 直射波低于障礙物的頂點(diǎn) ， 衰減急劇增加； ? 當(dāng) x＝ 0，即 TR射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，附加損耗為 6dB。 1?xx0?x 移動(dòng)信道的多徑傳播特性 ? 陸地移動(dòng)信道的主要特征是 多徑傳播 。傳播過程中會(huì)遇到各種建筑物、樹木、植被以及起伏的地形，會(huì)引起電波的反射。 ? 到達(dá)移動(dòng)臺(tái)天線的信號(hào)是許多路徑來的眾多反射波的合成。 ? 電波通過各個(gè)路徑的距離不同