【正文】 ? ? ? ?21102dhR??22202dhR??五、大氣中電波傳播（ “ 標準大氣 ” ） ? 假設(shè)電波沿直線傳播 ， 在均勻大氣中是正確的 。 而實際無線信道 ， 電波是在對流層中傳播 。 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 ? 當電磁波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，傳播方向會發(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對介質(zhì) 1的相對折射率。當電磁波從真空射入某種介質(zhì)時，所得到的折射率稱為該介質(zhì)的絕對折射率，或簡稱為折射率 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、壓強和水蒸氣壓強的關(guān)系為 式中， T為絕對溫度，單位卡爾文； e為水蒸氣壓強，單位毫巴； P為大氣壓強，單位毫巴。 610)1( ??? nN)481 0( TePTN ????（ 2）大氣折射 在大氣對流層中 ， 當高度不同時 ， 參數(shù) T， e和 P都會變化 ， 因而大氣折射率也隨高度變化 。 這就導(dǎo)致電波在對流層中傳播時會不斷發(fā)生折射 ， 從而傳輸軌跡彎曲 ， 這種現(xiàn)象稱為大氣折射 。 當天線較高，電波覆蓋面積較大時，計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雷達定位、多普勒測速和紅外光傳輸?shù)挠兄匾绊憽?17世紀物理學(xué)家卡西尼建立了大氣折射理論嗎 9世紀 ARAGO對大氣折射率進行了測量； 1981年 Jones發(fā)現(xiàn)除了溫度和氣壓，二氧化碳對折射率的影響， 82年 Matsumito指出水汽對近紅外波段的吸收導(dǎo)致反常的折射效應(yīng) ， 1994年， Birch對大氣折射率公式進行多次修正，之后 Rueger對可見光波段和近紅外波段計算公式進行了修正和化簡 大氣折射示意圖 ? 設(shè)想將對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點處的曲率半徑。設(shè)電波在上一層中傳播到 B點，作 A點和 B點的法線交于 O‘ 點。當 AB長度趨近于零時， O’ A的極限位置就是 A點的曲率半徑。 ? 應(yīng)用折射定理，并考慮簡化 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到等效地面的距離與曲線傳播軌跡上的相應(yīng)點到實際地面的距離相等 。 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） 標準大氣折射 ： ,在標準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 ， 視線傳播有一個極限距離 。 并且 ， 視線傳播是一種遠距離傳播 ， 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 在標準大氣折射的情況下， Re=8500Km，上式化簡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，對電波的反射是理想的鏡面反射。實際傳播環(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，可以認為地面會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。 粗糙地面簡化模型 ? 假設(shè)有如圖中所示的由兩個平行面構(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 ， 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） 電波傳播的費涅爾區(qū) 繞射損耗與電波傳播費涅爾區(qū)的概念緊密相關(guān)。由于波動特性，電波從發(fā)射端到接收端傳播時的能量傳送是分布在一定空間內(nèi)的。費涅爾提出一種簡單的方法給出了這種傳輸空間區(qū)域的分布特性。 費涅爾區(qū)的概念 發(fā)射點天線 T，接收天線 R，發(fā)射波球面?zhèn)鞑? 第一費涅爾區(qū) ? 費涅爾區(qū)是以收發(fā)天線為焦點的橢圓繞長軸旋轉(zhuǎn)而構(gòu)成的橢球體所占的空間 （ 對第一費涅爾區(qū)而言 ） ， 或者相鄰橢球體之差所占的空間 （ 對其他費涅爾區(qū)而言 ） 。 所謂第 Ⅰ 費涅爾區(qū)就是以上 時所構(gòu)成的費涅爾區(qū) 。 ? 第 Ⅰ 費涅爾區(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 費涅爾區(qū)到達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 。如果在這個區(qū)域內(nèi)有障礙物存在，將會對電波傳播產(chǎn)生較大的影響。 1?n（ 2） 刃形障礙物的繞射 ? 當障礙物的寬度與其高度相比較很小，稱為刃形障礙物。對于刃形障礙物，可以不考慮寬度對電波傳播的影響。下圖為刃形障礙物對電波傳播影響的示意圖。 ? 為了衡量障礙物對傳播通路影響的程度，定義一個 費涅爾余隙 的概念。如圖中所示，障礙物定頂點 P到發(fā)射端與接受端的連線 TR的距離 x稱為費涅爾余隙。當障礙物阻擋視通時，規(guī)定余隙為負；不阻擋視通時，規(guī)定余隙為正。 費涅爾余隙 第一費涅爾區(qū)半徑 ? 由上圖可以推導(dǎo)出 ， 對于第一費涅爾區(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)障礙物的費涅爾余隙與第一費涅爾區(qū)在障礙物處橫截面半徑之比 ， 求出相對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 該圖標理論依據(jù)？查資料 ? 當 時 ， 障礙物對于直射波的傳播基本沒有影響 ， 計算可按自由空間處理 ； ? 當 時 ， 直射波低于障礙物的頂點 ， 衰減急劇增加； ? 當 x＝ 0，即 TR射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗為 6dB。 1?xx0?x 移動信道的多徑傳播特性 ? 陸地移動信道的主要特征是 多徑傳播 。傳播過程中會遇到各種建筑物、樹木、植被以及起伏的地形，會引起電波的反射。 ? 到達移動臺天線的信號是許多路徑來的眾多反射波的合成。 ? 電波通過各個路徑的距離不同