【文章內(nèi)容簡介】 就越小。所以在選擇地形時(shí)，希望選擇起伏不平的山區(qū)而盡可能避免大的開闊地帶和湖泊。 下表是不同地面實(shí)測的反射系數(shù) R的范圍。 第 3章 71 地面實(shí)測的反射系數(shù) 1 頻率 水 面 稻 面 田 野 城市、森林、山 地 反射系數(shù) 損耗 dB 反射系數(shù) 損耗 dB 反射系數(shù) 損耗 dB 反射系數(shù) 損耗 dB 2 GHz 0 2 4 10 4 GHz 0 2 6 14 8 GHz 0 2 6 14 11 GHz 0 2 8 16 第 3章 72 地面實(shí)測的反射系數(shù) 2 地面類型 反射系數(shù) 頻率 GHz 樹林（ 13米高） 菜地、雜草 草地 3 草地（ 10mm高） 中等粗糙地面 非常粗糙地面 5 濃密森林 再生林 長草 棉花地、不平海面、淺草 平滑海面、鹽灘 〉 未注明頻率 第 3章 73 電波在復(fù)雜地面的傳播 電波傳播要在一定的空間內(nèi)進(jìn)行，要求在傳播路徑中要有一相當(dāng)尺寸的截面，否則就有可能使接收的場強(qiáng)大大下降。如果在傳播的路徑中有障礙物的存在，就會擋著直射波傳播而影響接收點(diǎn)的場強(qiáng)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)抬高接受點(diǎn) R和發(fā)送點(diǎn) T連線的位置。 第 3章 74 1. 地球的凸起高度 將地球看作規(guī)則的球形。在地面上兩點(diǎn) TR之間的某一點(diǎn)C處的地球凸起高度為 Hb，它為 C點(diǎn)至弦 TR的垂直距離CO， O點(diǎn)與 T點(diǎn)的距離為 d1，與 R點(diǎn)的距離為 d2。 T RCDOHbd1d2第 3章 75 由相交弦定理，有 整理后得到 實(shí)際上 ,TR之間的距離對地球的周長來說很小 , 也就是地面上的距離，而 DO與地球的直徑相等 ,即 2a。這樣， ROTODOCO ???DOddH 21b ?21 dd 、2addH 21b ?第 3章 76 例如，如果 d=50km，求中點(diǎn)處地球的凸起高度，將 代入，可得 在此情況下，如果收、發(fā)天線的高度也是 50m，是不行的，因?yàn)榇藭r(shí)視線剛好擦過地球表面，最小菲涅爾區(qū)都是受阻的。這時(shí)，又產(chǎn)生了 傳播余隙 的概念。 km25dd 21 ??m05H b ?第 3章 77 2. 傳播余隙 傳播余隙 Hc指的是在微波傳輸路徑中，地形起伏最高點(diǎn)與收發(fā)二點(diǎn)連線的距離 。 Hc：傳播余隙 Hs：障礙物海拔高度 Hb：地球凸起高度 h1h2HcHsHbd1d2d第 3章 78 由上圖的關(guān)系，不難得到 應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念，可把傳播電路分為三種類型： ?Hc≥F0時(shí)，稱為 開電路 ； ?0HcF0時(shí)，稱為 半開電路； ?Hc0時(shí)，稱為 閉電路。 sHaddddhhh ?????2)(H 211121c第 3章 79 相對 余隙： 在相對余隙不同的情況下，衰減因子的計(jì)算是不一樣的。 0FHP c?第 3章 80 大氣對微波傳播的影響 從地面算起，垂直向上，可把大氣分為 6層，依次稱作對流層、同溫層、中間層、電離層、超離導(dǎo)以及逸散層。 對流層是指自地面向上大約 10km范圍的低空大氣層，集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的四分之三。 第 3章 81 對流層對微波傳播的影響 ， 主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn) 。 （ 1） 由于氣體分子諧振引起對電磁波能量的 吸收 。 （ 2） 由雨 、 霧 、 雪引起對電磁波能量的 吸收 。 （ 3） 由于氣象因素等影響 ， 使對流層也會形成云 、 霧之類的 “ 水氣囊 ” ， 形成了大氣中的不均勻結(jié)構(gòu) ， 對微波的 散射和折射 。 第 3章 82 大氣對微波的吸收 微波通過晴朗的大氣時(shí)的衰減主要是由水蒸氣 (包括云、霧、雨、雪 )和氧氣的吸收引起的。任何物質(zhì)都是由帶電的粒子構(gòu)成的，這些粒子有固定的諧振頻率，如果通過這些物質(zhì)的電磁波頻率接近其固有的諧振頻率，這些物質(zhì)就會對電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收作用。 第 3章 83 ?大氣中的氧分子具有固定的磁偶極矩，水分子具有固定的電偶極矩，都能從電磁波中吸收能量，導(dǎo)致吸收衰減。 ?微波頻段，大氣存在三個(gè)明顯的吸收峰（ （ H2O） 、（ O2） 60GHz （ O2） 、 （ H2O） ）。這些吸收與 大氣壓力 、 溫度 和 濕度 密切相關(guān)。 ?總的趨勢：頻率越高，衰減越嚴(yán)重。 第 3章 84 大氣吸收衰減 頻率 GHz 10 50 100 1000 500 1000 100 10 1 H2O O2 O2 H2O H2O 15 176。 C H2O 7,5 g/m3 1013 hPa 25 g/m3 第 3章 85 雨霧引起的衰減 水凝物是大氣中水蒸氣凝聚物的統(tǒng)稱，可以引起顯著的衰減，這是由水凝物對微波的 吸收 和散射 造成的。 吸收 ：水凝物內(nèi)部分子之間或離子之間的相互作用而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，使一部分電波功率轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉。 散射 ：電波遇到水凝物粒子時(shí)，粒子內(nèi)部的自由電子和束縛電荷將受到外界電場力的作用而做受迫運(yùn)動。這些粒子可看成等效的電偶極子，將隨外場頻率震蕩產(chǎn)生二次輻射，從而將一部分功率散射出去。 第 3章 86 對于水凝物引起的衰減來說，與水凝物的形狀、復(fù)折射指數(shù)、尺寸、溫度、下落速度等是有關(guān)系的。其中降雨引起的衰減最為嚴(yán)重。 各地的 氣候條件不同，水凝物導(dǎo)致的衰減差別很大 。了解每個(gè)地區(qū)的氣候特性，對微波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。 第 3章 87 雨霧衰減 微波頻率 (GHz) 暴雨 大雨 中雨 小雨 毛毛雨 1 2 4 10 20 30 50 100 150 雨霧瞬時(shí)強(qiáng)度( (mm/h) 1 10 50 雨霧吸收系數(shù) (dB/km) 5 10 20 50 100 ? dB/km 7 GHz 38 GHz ? dB/km ?37 dB/km 各種衰落及抗衰落技術(shù) 第 3章 88 一般對 6GHZ以上的微波作用明顯，低于此頻率的可不考慮。 在 10GHZ頻段以下，雨霧損耗并不顯得特別嚴(yán)重，對一個(gè)中繼段可能會引入幾個(gè)分貝。 在 10GHZ以上頻段，中繼間隔主要受降雨損耗的限制，如對13GHZ以上頻段， 100mm/小時(shí)的降雨會引起 5dB/km的損耗，所以在 13GHZ， 15GHZ頻段，一般最大中繼距離在 10km左右 在 20GHZ以上頻段，由于降雨損耗影響，中繼間距只能有幾公里 越高頻段雨衰越厲害??！ 高頻段可以做用戶級傳輸 雨霧雪的衰減與微波的頻率關(guān)系密切 第 3章 89 大氣對微波的折射 1. 大氣的折射率與折射指數(shù) 地球周圍的大氣并不是一種均勻介質(zhì)，其密度、溫度和濕度都隨高度而變化。這樣，它的 折射率 n（ ）也隨高度的變化 而變化，由低空的大于 1而逐漸趨近于 1。這個(gè)值與 1相差很小，一般為 104~106，為了方便，我們定義 折射指數(shù) N=(n 1)╳ 106 r??第 3章 90 ?折射指數(shù)隨高度的增加而下降，寒帶地區(qū)比熱帶地區(qū)的下降速率要大一些； ?溫帶地區(qū)緊貼地面的大氣折射指數(shù)一般為310320 N單位，平均為 315 N單位。 ?標(biāo)準(zhǔn)大氣的折射指數(shù)梯度為 ?電波在標(biāo)準(zhǔn)大氣中或在混合的比較均勻的大氣中傳播，稱為 正常傳播 。 kmNmN /39/ ????第 3章 91 2. 大氣對電波的折射 大氣的折射率隨高度變化，電波在其中傳輸時(shí)，就會穿過不同的高度，相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)折射率漸變的透鏡，就會發(fā)生折射，從而使傳播線路呈現(xiàn)一條弧線。 哇！微波是彎著走的 第 3章 92 大氣折射對傳播軌跡的影響 n n n n n大 n大 n小 n小 第 3章 93 根據(jù)折射定律，可以求出傳播弧線的曲率半徑為 這說明： ?在低空傳播的電波，其傳播路線的曲率不是由折射率的大小，而是折射梯度所確定的。當(dāng)大氣折射率隨高度線性變化時(shí)，即 dn/dh為常數(shù)， ρ也是常數(shù)。 ?當(dāng)大氣折射率隨高度減小時(shí)， ρ是正數(shù)，使傳播軌跡向下彎曲。 610dhdN1dhdn1???????第 3章 94 在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，折射率梯度 因此 標(biāo)準(zhǔn)大氣的曲率半徑近似為地球半徑的 4倍。 注意：考慮實(shí)際情況，大氣的折射率和折射梯度不是恒定的，隨氣候變化而變化，因此實(shí)際的傳播軌跡即使在同一線路下不同時(shí)間也會有所差異。 km2 5 0 0 0?? ????第 3章 95 3. 地球的等效半徑 在大氣中電波是沿著曲線傳播的。這樣在考慮折射的情況下，會對微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來不便。為此引入 等效地球半徑 ae的概念。 aaeρ第 3章 96 為了保證等效后的情況和實(shí)際是等效的，必須使等效地面上的直線軌跡上任一點(diǎn)到等效地面上與實(shí)際傳播路線到實(shí)際地面的距離相等。事實(shí)上，如果兩組曲線的曲率差相等，則它們的距離相等，即 故 eeaa ??1111???Kaadhdnaaaaae???????1111111??第 3章 97 稱為 等效地球半徑因子 ，表示的是等效地球半徑與實(shí)際地球半徑之比。 當(dāng) ， K1。 當(dāng) ， K1。 一般來說，溫帶地區(qū) K的平均值在 4/3左右，并把 K=4/3的大氣折射稱為 標(biāo)準(zhǔn)折射。 adhdnK??110?dhdn0?dhdn第 3章 98 k = ? 4/3 1 2/3 地球半徑 (a) 地平面 2/3 4/3 1 k = ? 等效地球半徑 (ka) 等效地球 在溫帶地區(qū)，一般 K=4/3，這時(shí)的折射稱為標(biāo)準(zhǔn)折射，此時(shí)的大氣稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣 , a e=4a/3稱為標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑 第 3章 99 在考慮大氣折射的情況下，只要把電波在均勻大氣中傳播時(shí)所得到的一系列計(jì)算公式中，所有的地球半徑用等效地球半徑 Ka來代替，則電波就好象在無折射的大氣中一樣，沿直線傳播。 例如，在均勻大氣中，視距傳播的距離為 考慮大氣的折射，地球半徑用等效地球半徑代替 )hh()hh(2ad 2121 ????)hh()hh(2 K ad 2121 ????第 3章 100 結(jié)果表明： 在 K1時(shí)，傳播軌跡向下彎曲，視線距離增長，原來處于陰影區(qū)的接收天線，可能處于照明區(qū)而延長了傳播距離； K1時(shí)，傳播軌跡向上彎曲，視線距離縮短，原來處于照明區(qū)的接收天線，可能處于陰影區(qū)而接受不到信號； 第 3章 101 4. 大氣折射對電波傳播的影響 對折射的實(shí)際情況，根據(jù)等效地球半徑因子，可分為三類： 正折射； 無折射； 負(fù)折射 第 3章 102 正折射 電波射線向下彎曲，射線彎曲方向與地球表面相同，可使傳播距離變遠(yuǎn)。又有三種特殊情況： ?dN/dh=39N/km時(shí)， K=4/3，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣折射； ?dN/dh=157N/km時(shí)， K=無窮， ae =a，稱為臨界折射 ,微波傳播路線與地面平行 ,能傳輸無限遠(yuǎn)； ?dN/dh157N/km時(shí)， K0， ae a，微波在大氣中連續(xù)折射（碰到地面后反射） ,稱為超折射。這是一種不穩(wěn)定狀態(tài) 第 3章 103 無折射 dN/dh=0時(shí)， K=1，大氣折射指數(shù)不隨高度變化，大氣為一均勻介質(zhì)，微波在大氣中為直線傳播。 第 3章 104 負(fù)折射 dN/dh0時(shí)， K1，這時(shí)曲率半徑為負(fù)值，微波在大氣中傳播軌跡向上彎曲，比直線傳播的距離要近。 一般情況下 K1,這對建設(shè)一條微波線路是有利的。但在特殊情況下，有可能發(fā)生負(fù)折射或超折射的情況。 第 3章 105 相距 50 km 直線傳播 微波實(shí)際傳播路線 正折射能延長微波站距 第 3章 106 在均勻大氣中，視距傳播的距離為 考慮大氣的折射，在標(biāo)準(zhǔn)折射情況