第五章 微波傳輸基本理論

1、第五章 微波傳輸基本理論,內(nèi)容提要無線電波傳播的方式及特性微波傳輸衰落及抗衰落技術(shù) 微波傳輸系統(tǒng)及應(yīng)用,各種波段波的特性,長波的穿射能力最強(qiáng)，電磁波靠地波傳播，但其收發(fā)信天線的占用場地很大，常用于海上通信。中波比較穩(wěn)定，主要用于廣播。短波在傳輸過程中，碰到電離層會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象因而其傳輸距離很遠(yuǎn)，故短波常用于遠(yuǎn)距離通信或廣播。但極易受電離層變化的影響，信號(hào)會(huì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。超短波的傳輸特性同光波一樣，是沿直線傳播的，要求通信雙方

2、之間（兩微波站之間）沒有阻擋物，信號(hào)方能傳輸?shù)綄?duì)方。微波傳輸特性也和光波一樣，只能沿直線傳播即視距傳播，繞射能力弱，且在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生折射和反射。,5.1 無線電波傳播的方式及特性,5.1.1電波傳播所涉及到的地球大氣層 電波傳播會(huì)涉及到地球大氣層，地球上面的大氣層的結(jié)構(gòu)如圖。 對(duì)流層 平流層 電離層,大氣層的結(jié)構(gòu),5.1.2無線電波在空間的傳播模式,電磁波在其橫向平面中場值的大小和方向都不變，則稱為

3、均勻平面波。為簡化起見，下面只討論均勻平面波在自由空間中的傳播情況。 在無邊界（開放）的無限空間中，電磁波的場結(jié)構(gòu)只有橫電磁波TEM。,,5．1．3 無線電波傳播的方式及特性無線電波由發(fā)射天線輻射到空間的各區(qū)域后，可依不同的路徑到達(dá)接收天線處。5.1.3.1地表面波傳播——地表波傳播 這是一種沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǎ喎Q地表波。主要用在中、長波波段(廣播)。5.1.3.2 對(duì)流層電波傳播無線電波在低層大氣層——

4、對(duì)流層中的傳播就稱為對(duì)流層電波傳播。按傳播機(jī)制區(qū)分，又可分為：直射波傳播、散射波傳播和地面反射波傳播。,,1.直射波傳播 當(dāng)收、發(fā)天線架設(shè)高度較高時(shí)，電波從發(fā)射天線直射到接收天線的傳播方式，亦可稱為視距傳播。一般用在超短波和微波波段，主要用于微波中繼通信、甚高頻和超高頻廣播、電視、雷達(dá)等業(yè)務(wù)。直射波傳播是最主要的無線電波傳播方式。2.散射波傳播 這種傳播主要是由于電磁波投射到大氣層（如對(duì)流層）中不均勻氣團(tuán)上時(shí)產(chǎn)生散射，特別適用

5、于無法建立微波中繼站的地區(qū)，例如海島之間或需跨越湖泊、沙漠、雪山等的地區(qū)。3.地面反射波傳播 電波經(jīng)地面反射后到達(dá)接收地點(diǎn)的傳播方式。,5.1.3.3電離層電波傳播無線電波經(jīng)電離層反射或散射后到達(dá)接收點(diǎn)的一種傳播方式。依傳播機(jī)制又可分為：電離層反射傳播、電離層散射傳播和流星電離余跡反（散）射傳播。5.1.3.4外大氣層及行星際空間電波傳播,5.1.3.5電波傳播的特性,電磁波的頻段或波長不同，其傳播方式和特點(diǎn)也不同,但有以下共

6、同特性。1.電磁波在均勻媒質(zhì)中沿直線傳播 在均勻媒質(zhì)中，電磁波各射線的傳播速度相同 ,傳播方向不變 .2.輻射能量的擴(kuò)散與吸收——能量衰減 當(dāng)電磁波離開天線后，便向四面八方擴(kuò)散，隨著傳播距離增加，空間的電磁場就越來越弱 .,假設(shè)發(fā)射天線置于自由空間（一個(gè)沒有能夠反射、折射、繞射、散射和吸收電磁波的無限大的真空中），若無方向性天線，輻射功率為PT瓦，則距離輻射源d米處的電場強(qiáng)度有效值為：上式表明，電場/磁場

7、強(qiáng)度與傳播距離成反比，當(dāng)電波經(jīng)一段路徑傳播后，增加能量仍然會(huì)受到衰減，這是由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。,,3.反射與折射 當(dāng)電波由一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的交界面上，傳播方向會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。并遵守光學(xué)的折射和反射定律。 4.電波的干涉 由同一電波源所產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某接收點(diǎn)場強(qiáng)由不同路徑的電波合成，這種現(xiàn)象叫做波的干涉，也稱作多徑效應(yīng)。接收點(diǎn)的場強(qiáng)是由直射波和地面反射波合

8、成的。5.繞射現(xiàn)象 電波在傳播過程中有一定的繞過障礙物的能力，這種現(xiàn)象稱為繞射,5.1.4傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響,5.1.4.1傳播損耗1．自由空間的傳播損耗自由空間傳播指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，能量既不會(huì)被吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射和散射。此時(shí)的電波擴(kuò)散損耗稱自由空間傳播損耗,由電磁場理論可知，若無方向性（也稱全向天線）天線的輻射功率為 瓦時(shí)，則距輻射源d米處的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度有效值分別為：單位面積

9、上的電波功率密度Ws為：Ws = PT /4πd2（W/m2） 4πd2___球體表面積,,,,,,,,,,,PR,若用發(fā)射天線增益為GT的有方向性天線取代無方向性天線，則上述公式應(yīng)改寫為：,,（V/m）,（A/m）,（w/m）,接收天線獲取的電波功率等于該點(diǎn)的電波功率密度乘以接收天線的有效面積。即：,,式中，為接收天線的有效面積，它與接收天線增益滿足下列關(guān)系：,,式中， 為無方向性天線的有效面積?？?/p>

10、得：,,,（5.1）,將輸入功率PT與輸出功率PR之比定義為含收發(fā)天線增益的自由空間信道的基本傳播損耗L’P：,,（5.2－a）,將上式取對(duì)數(shù)得：,,若收發(fā)天線增益為0 dB即GR=GT=1，則自由空間傳播損耗LP：,,,由上式可見，自由空間中電波傳播損耗與工作頻率f和傳播距離d成正比。當(dāng)f或d增大一倍時(shí)，[LP]將會(huì)分別增加6 dB。[LP]反映了球面波的擴(kuò)散損耗大小。,例5-1：某微波傳輸信道，發(fā)射天線的增益為22dB，接收天線的的

11、增益為18dB，收發(fā)距離為14500 km，載波中心頻率為5.904GHz求(1)該信道的基本傳輸損耗為多少? (2)若發(fā)射功率為25w,接收機(jī)的接收到的功率為多少?,（2）接收機(jī)的接收到的功率為：,解（1）該信道的基本傳輸損耗為：,2．實(shí)際空間的傳播損耗實(shí)際電波的傳播, 不同的傳播方式、傳播媒質(zhì)，信道的傳輸損耗不同。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率PT和接收天線都相同的情況下，設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)為E，功率為

12、，而自由空間場強(qiáng)為 、功率為 ，則信道的衰減因子A為：,則實(shí)際空間的傳播損耗[Lb]為：,5.1.4.2 傳播衰落現(xiàn)象 衰落？一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。按引起衰落的原因可以分為吸收型衰落：主要是由于傳播媒質(zhì)電參數(shù)的變化，使得信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的。這種衰落跟天氣有很大的關(guān)系，而且信號(hào)電平的變化緩慢，所以稱為慢衰落。此外，由地形起伏、建筑物及障礙物的遮蔽等引起的陰影衰落也稱慢衰落。干涉

13、型衰落：主要是由于隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。這種衰落的信號(hào)電平變化很快，所以稱為快衰落。,,5.1.4.3 傳播失真無線電波通過媒質(zhì)會(huì)產(chǎn)生振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè)：一是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)，二是媒質(zhì)的色散效應(yīng)。5.1.4.4 電波傳播方向的變化,一條微波中繼信道是由終端站、中間站和再生中繼站、終點(diǎn)站及無線電波空間組成。終端站的任務(wù)是將復(fù)用設(shè)備送來的基帶信號(hào)，調(diào)制到微波頻段上并發(fā)射出去；或者反之。線路中間的中繼站的任務(wù)是

14、完成微波信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和分路，又分為中間站、分路站和樞紐站。,5.2 微波傳播,微波在實(shí)際的空間傳播要受地面的影響和大氣的影響。,5.2.1 地面對(duì)微波傳播的影響光滑地面及水面地面起伏較大時(shí)地面障礙物（如山頭、高大建筑物）在惠更斯波動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，提出菲涅爾區(qū)的概念，可解釋電波的繞射等現(xiàn)象。,5.2.1.1費(fèi)涅爾區(qū)的概念1．惠更斯－菲涅爾原理,惠更斯原理是，一點(diǎn)波源的振動(dòng)可傳遞給鄰近質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。當(dāng)點(diǎn)源發(fā)出球面波時(shí)，

15、二次波源產(chǎn)生的波前也是球面，三次、四次··波也是如此。,,惠更斯原理,圖中T為發(fā)射天線，視為點(diǎn)源，它發(fā)出球面波。把波前分解為許多面積元，點(diǎn)源T在接收處R產(chǎn)生的場強(qiáng),便是許多面積元在R處產(chǎn)生的場強(qiáng)之矢量和。盡管T與R之間有障礙物，但不能擋住所有面積元，在R處仍可收到一定的場強(qiáng)。由解析幾何知，球面上一動(dòng)點(diǎn)P至兩定點(diǎn)T、R的距離之和為常數(shù)時(shí)，此動(dòng)點(diǎn)軌跡為橢球體。在討論微波傳播時(shí)，若該常數(shù)為：

16、 d＋ 則得到的橢球面稱為第一菲涅爾橢球面,式中d＝|TR| 。若該常數(shù)為： 則得到第n費(fèi)涅爾橢球面。若用圖5-8的一系列費(fèi)涅爾橢球面交截圖5-7的某個(gè)波前面，則得到一系列的圓的圓環(huán)，圖5-9，得第n費(fèi)涅爾區(qū)。,,,,,2.第n菲涅爾區(qū)的半徑Fn第n菲涅爾區(qū)邊界的某個(gè)點(diǎn)P到TR連線的距離為第n菲涅爾區(qū)的半

17、徑Fn.,因第n菲涅爾區(qū)定義: TP+PR=d+nλ/2所以:,當(dāng)n=1,第1菲涅爾區(qū)的半徑,所以,顯然，P點(diǎn)位置不同時(shí)，F(xiàn)n亦不相同。當(dāng)P在線路中點(diǎn)時(shí)（ 時(shí)），F(xiàn)n最大，用Fnm表示。,,,5.2.1.2費(fèi)涅爾區(qū)對(duì)電波傳播的影響,,圖中T點(diǎn)發(fā)射的球面波向R方向傳播。由菲涅爾區(qū)定義可知，經(jīng)過各菲涅爾區(qū)端點(diǎn) P1、P2、P3…的電波射線TP1R、TP2R、TP3R…依次相差λ/2。,各相鄰費(fèi)涅爾區(qū)在R處

18、產(chǎn)生的電波場強(qiáng)相位相差1800,由費(fèi)涅爾區(qū)半徑公式可知，第一費(fèi)涅爾區(qū)的面積為πF21 ;第二費(fèi)涅爾區(qū)的面積為： πF22- πF21 = π（√ 2 F1 ）2- πF21 = πF21 第三費(fèi)涅爾區(qū)的面積為： ＝πF21 可見個(gè)相鄰費(fèi)涅爾區(qū)面積相等。但它們離R的距離

19、不相等。第一費(fèi)涅爾區(qū)離R最近，在R處產(chǎn)生的電場E1最大，其他依次減小，近似為等差級(jí)數(shù)，考慮到相位相反，使R點(diǎn)的總電場強(qiáng)度E=1/2 E1,,5.2.1.3用費(fèi)涅爾區(qū)解釋阻擋物的影響微波傳播途中有時(shí)遇到刃形障礙物，此時(shí)由于障礙物不能遮擋全部費(fèi)涅爾區(qū)，在收信處R可接收到微波。,刃形遮擋,傳播途中刃形障礙物,,,余隙：障礙物頂部至TR線的垂直距離hc。正余隙：障礙物在TR線之下時(shí)，hc為正值負(fù)余隙：障礙物的頂部在TR線以上時(shí)，hc為負(fù)值

20、。如果余隙 時(shí)，阻擋引起損耗正好是0dB，即路徑損耗正好是自由空間損耗，所以h0稱為自由空間余隙。若hc>h0，路徑損耗略有波動(dòng),最終穩(wěn)定在自由空間損耗上。若hc<h0，那么隨著hc的減小，路徑損耗急劇增加。,微波鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證自由空間余隙內(nèi)沒有任何障礙物。在實(shí)際中往往要求在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)不存在任何障礙物。,,5.2.1.4用菲涅爾區(qū)分析平坦地面的反射,平滑地面的反射,,

21、在兩個(gè)微波站的范圍內(nèi)，不考慮地球的曲率而視為平面。由惠更斯原理，總會(huì)有一部分電波折射到地面，接收點(diǎn)除收到直射波外，還收到地面反射的波。,,1.反射波 反射波r2=TO+OR ；直射波: r1=TR 反射波與直射波的路程差Δr=TO+OR-TR 即Δr= r2-r1反射波與直射波的相位差為: 相位常數(shù)×Δr=2π

22、/λ×Δr 設(shè)O點(diǎn)反射系數(shù)為:ρ=｜ρ｜e-jφρ 設(shè)E0為自由空間傳播時(shí)，直射波到達(dá)R處的電場強(qiáng)度有效值。,直線波到達(dá)接收點(diǎn)的場強(qiáng)瞬時(shí)值: e1(t)=E0COSωt反射波到達(dá)接收點(diǎn)的場強(qiáng)瞬時(shí)值為：反射波與直射波的總相位差為:在接收點(diǎn)按平行四邊形求合成場矢量為e1(t)、e2(t)矢量和,,∴E=AE=[(AC+CD)2+DE2]1/2 接收點(diǎn)的合成電場強(qiáng)度有

23、效值E與自由空間的直射波電場強(qiáng)度有效值E0之比稱為地面反射引起的衰落因子Lr =E/E0,一般入射角很小，??≈180º；而?≈1（全反射），于是：,,隨著Δr的變化，收信點(diǎn)的電場E可從零變化到2E0，E＝0出現(xiàn)在Δr＝?、2 ? …… 時(shí)，應(yīng)盡量避免。Δr變化引起接收處合成場強(qiáng)的改變可用費(fèi)涅爾區(qū)說明。,Lr－Δr的關(guān)系,,5．2．2 大氣對(duì)微波傳播的影響大氣層可分為六層,依次稱為對(duì)流層、同溫層、中間層、電離層、超離層、

24、逸散層。大氣的影響主要是對(duì)流層的影響。5.2.2.1 大氣對(duì)微波的衰減對(duì)流層對(duì)微波的衰減主要來自三方面：云、霧、雨等小水滴對(duì)微波能量的熱吸收及氧分子對(duì)微波的諧振吸收云、雨、霧、雪等水滴對(duì)微波的散射對(duì)流層溫度隨高度的增加而下降，使電波發(fā)生折射、反射、散射、吸收等衰減現(xiàn)象，其中最主要的是大氣折射。,5.2.2.2 大氣對(duì)微波的折射1．大氣折射對(duì)微波軌跡的影響在真空中電波傳播速度為：,,而在大氣中，介電常數(shù) ,

25、導(dǎo)磁率 ，故：,,式中， 為相對(duì)介電常數(shù)，于是大氣層絕對(duì)折射率為：,,,因?yàn)榇髿馐欠蔷鶆蛐诺?，大氣層?及n是h的函數(shù)。,2．等效地球半徑由于大氣折射的作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是連續(xù)折射彎曲的曲線，為分析方便引入“等效地球半徑Re”概念。引入Re后，便可把電波仍視為直射線，而真正地球半徑R（6370km）變成了Re。此時(shí)電波不是在真實(shí)地球上傳播，而是在等效地球上傳播。,,等效條件是：

26、等效前后電波射線軌跡上各點(diǎn)與地面之間垂直距離處處不變。由幾何學(xué)知，若兩曲線的曲率差相等，則它們之間距離處處相等，等效條件是電波路徑與地面之曲率差應(yīng)相等。等效條件是：,,,變換后：,引入等效地球半徑系數(shù)K：,,3．正負(fù)折射及標(biāo)準(zhǔn)折射根據(jù)電波在大氣層折射的軌跡，即K值的大小，大氣折射可分為以下幾類：,,標(biāo)準(zhǔn)折射在溫帶氣候條件下，通過大量試驗(yàn)得到的 平均值為：,,,得,在溫帶，K＝4/3時(shí)的大氣稱為“標(biāo)準(zhǔn)大氣”，Re＝（4/3）

27、R=8500km稱為標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑，K＝4/3的大氣折射稱為標(biāo)準(zhǔn)折射。在赤道，標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑為： Re =（4/3~3/2）R 在兩極，標(biāo)準(zhǔn)等效地球半徑為：Re =（6/5~4/3）R,4.視距傳播的極限距離,極限距離d：兩個(gè)相鄰天線之間最長的可視距離。,,視距傳播的極限距離為：,,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，Re=8 500km, 故：,,由于地球等效半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度,有:,式中ht、hr

28、的單位是m， d的單位是km,5.2.2.3大氣折射對(duì)反射點(diǎn)余隙的影響,1.地面突起高度在平原地面上相鄰兩微被站間，其地形剖面圖是一段弧,弧上各點(diǎn)至AB的垂直距離稱為該點(diǎn)的地面凸起高度，記為h 由于DE ：EB＝AE ：EF而AE＝d1，EB＝d2，又EF>>DE，EF≈2R，故得：C點(diǎn)是路徑上電波的反射點(diǎn)位置R是地球?qū)嶋H半徑.,,h’,d2,d1,,d1’’,d2’’,考慮電波折射,等效地面突起高度he

29、: he=d1d2/2Re= d1d2/2KR將R＝6370km代入式中得： he=反射點(diǎn)余隙的變化 △hc=△h=h-he=d1d2/2R-d1d2/2kR=d1d2(k-1)/2KR因此考慮了折射因素后的等效余隙hce 等效余隙hce =hc+△hc=hc+d1d2(k-1)/2kR 可見K>1（正折射）時(shí)，等效余隙hce增大；K<1時(shí)，等效余隙hce減小

30、；正折射時(shí)，K越大，等效余隙hce越大。,,,2. 復(fù)雜地形余隙的計(jì)算,球形地面上復(fù)雜地形單障礙物時(shí)地形路徑的典型斷面圖，實(shí)際微波電路多類似為這種斷面。,,,,考慮大氣折射后的等效余隙hce ：,h1、h2為發(fā)射、接收天線對(duì)山頂?shù)母叨?m)；d1、d2為反射點(diǎn)到發(fā)、收兩端的距離；H1、H2為發(fā)射、接收點(diǎn)山頂高度（m），注意，它是海拔高度，不是山頂至山腳之高。H3為反射點(diǎn)海拔高（m）；he為反射點(diǎn)等效地球的地面凸起高度（m）。,5

31、.2.2.4 K值及余隙的選擇在天線高度設(shè)計(jì)中，K值非常重要。在溫帶平均情況下，取K＝4/3，其變化范圍為2/3～∞，若K值較小，余隙hc將會(huì)變小，電波衰減增大，故天線不能太低。反之，若天線較高，而氣象變化使K增大，則hc增大，顯得天線太高造成浪費(fèi)。如果hc等于費(fèi)涅爾區(qū)半徑，則可能使地面反射波削弱主波。為此，對(duì)所選天線高度，應(yīng)按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查：（1）ρ≤0.5，即地面反射系數(shù)較小，此時(shí)主要防止障礙阻擋過大，標(biāo)準(zhǔn)為k＝

32、 時(shí)，hc≥0.3F1(一般障礙物),或hc≥0(刃形障礙物)k＝ 時(shí)，hc≈F1k＝ 時(shí)，hc不能等于偶數(shù)費(fèi)涅爾區(qū)半徑,,,,（2） ≥0.7，即地面反射系數(shù)較大，此時(shí)主要防止反射衰落過大，標(biāo)準(zhǔn)為：k＝ 時(shí)，hc≥0.3F1（一般障礙物），或hc≥0（刃形障礙物）；k＝ 時(shí)，hc≈F1；k＝ 時(shí)，hc≤1.35 F1 hc≤1.35 F1 是根據(jù)Lr不大于（6～8）dB而

33、得。若以上標(biāo)準(zhǔn)不能滿足，則改變路由，或改變天線高度，以便減小障礙物阻擋損耗及反射損耗。,ρ,例：設(shè)微波中繼通信采用f＝8GHz，站距為50km，路徑為光滑球形地面。求（1）不計(jì)大氣折射，保證自由空間余隙 時(shí)，等高收發(fā)天線的最小高度；（2）在k＝ 時(shí)，收發(fā)天線最小高度。,,,,,h0＝0.577F1=0.577 ＝0.577 ＝12.4m,,,解：（1）地形為光滑球面，線路中點(diǎn)之地面凸起高度h最大，可設(shè)

34、中點(diǎn)為反射點(diǎn)（一般以地形最高點(diǎn)為反射點(diǎn)），d1=d2=25km而 ＝ ＝0.0375m，于是自由空間余隙為：,＝,＝49m,地面突起高度,確定收發(fā)天線高度時(shí)，應(yīng)使地面凸起高度最大處還留有h0 的傳播空間，故 Hmin＝h0＋h＝12.4+49＝61.4m （2）k＝ 時(shí)，地面凸起高度 he＝ ＝

35、 ＝36.8m Hmin＝12.4+36.8＝49.2m,,,可見工作頻率提高，天線高度可以降低。,5.3 衰落及抗衰落技術(shù)微波傳播路徑上的大氣不可能總是混合得很均勻，因存在對(duì)流、平流、湍流，以及霧、雨等因素影響，加上地面反射波的干涉，都會(huì)使收信點(diǎn)場強(qiáng)(或電平)不斷起伏變化。這種變化就稱為信號(hào)的隨機(jī)性。抗衰落一般采用分集接收和自適應(yīng)均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)。,圖A 各種障礙物引起的反射和

36、散射電磁波,,,天線,,電波在傳輸途徑上遇到各種障礙物都可能產(chǎn)生反射、散射和吸收。實(shí)際上，接收點(diǎn)的電波除直射波以外，還有從各種障礙物（包括地面）產(chǎn)生的反射。,5.3.1 衰落原因及分類,引起衰落的原因大體上可以歸為兩大類：第一類是氣象條件的不平穩(wěn)變化引起的衰落； 第二類是多徑傳播引起的衰落。對(duì)衰落比較普遍的分類方法是按衰落周期的時(shí)間快慢，分為 快衰落 慢衰落,慢衰落,,快衰落,,5.3.1.1 慢衰落：衰落隨時(shí)間變化比較

37、緩慢，常由大氣折射的緩慢變化引起。如繞射衰落就是屬于這一類型。,5.3.1.2 快衰落：從幾秒鐘、幾分鐘以上至十分鐘的信號(hào)強(qiáng)度變化叫快衰落。多徑干涉產(chǎn)生的快衰落更嚴(yán)重。,在工程應(yīng)用中常按衰落產(chǎn)生的機(jī)制分為以下幾種類型。K型衰落波導(dǎo)型衰落閃爍型衰落散射型衰落大氣雨霧的吸收衰落,5.3.2 抗衰落技術(shù)5.3.2.1 分集技術(shù)分集技術(shù)是指將同一個(gè)信號(hào)在發(fā)端分散發(fā)送，收端集中接收。最常用的分集方法是空間分集和頻率分集。1．

38、空間分集空間分集分為空間分集發(fā)信和空間分集接收兩個(gè)系統(tǒng)，以空間分集接收為例，在不同的空間位置設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種工作方式稱為空間分集接收。有幾副接收天線就稱為幾重分集。在微波傳輸系統(tǒng)中最常用的是二重垂直空間分集接收。,,2．頻率分集采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息，然后進(jìn)行合成或選擇，以減輕衰落影響，這種工作方式叫做頻率分集。當(dāng)采用兩個(gè)微

39、波頻率時(shí)，稱為二重頻率分集。頻率分集有同頻段分集和跨頻段分集兩種類型。,5.3.2.2 自適應(yīng)均衡技術(shù)實(shí)踐證明，一個(gè)高性能的數(shù)字微波通道往往是把空間分集和自適應(yīng)均衡技術(shù)配合使用的，以最大限度地降低通信中斷的時(shí)間。1．頻域自適應(yīng)均衡器,2．時(shí)域自適應(yīng)均衡器在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)誤碼率的主要原因是在收端取樣判決點(diǎn)處其前后信號(hào)對(duì)取樣判決樣值的碼間干擾。故通常采用時(shí)域自適應(yīng)均衡器以消除（減小）取樣判決點(diǎn)處的碼間干擾。應(yīng)用較廣的是加

40、在基帶系統(tǒng)的由橫向?yàn)V波器構(gòu)成的自適應(yīng)均衡器。在實(shí)際使用中，往往用頻域均衡器去實(shí)現(xiàn)粗均衡，時(shí)域自適應(yīng)均衡器均衡空間分集和頻域自適應(yīng)均衡器沒有完全均衡的剩余波形失真。理論上講，可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真。,5.4 微波傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用,5.4.1微波通信系統(tǒng)的頻率配置5.4.1.1微波傳輸系統(tǒng)使用頻段的劃分微波傳輸是一種無線通信方式，但采用無線通信方式的不僅限于微波通信，還有廣播、導(dǎo)航、短波通信等，它們都是利用無線頻段來傳輸?shù)?/p>

41、。為了避免相互干擾，必須對(duì)無線頻段作一些分配，以便不同的通信系統(tǒng)使用不同的頻段。微波是指頻率為300MHz～300GHz的電磁波（1GHz=Hz）。使用特有設(shè)備，并利用這個(gè)頻段的頻率作載波攜帶信息，通過無線電波空間進(jìn)行中繼（接力）通信的通信方式就叫微波通信。,無線電波頻段的劃分,,電磁波的頻率不同，其空間傳播特性也不同。在微波頻段中，頻率越低的電波傳輸越穩(wěn)定，但相應(yīng)的設(shè)備和元件尺寸也較大，否則損耗會(huì)增大。例如當(dāng)天線口徑一定時(shí)，微波頻

42、率越低，天線增益也越低。 在微波頻段的使用方面，各國的微波設(shè)備往往首先使用4GHz 頻段，目前各國的通信設(shè)備已使用到 2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等頻段。我國數(shù)字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各頻段的設(shè)備。,5.4.1.2微波傳輸?shù)纳漕l頻率配置1．頻率配置的基本原則在一個(gè)中間站，一個(gè)單向波道的收信和發(fā)信必須使用不同頻率，而且有足夠大的間隔。多波道同時(shí)工作時(shí)，相鄰波道頻率之間必須有足夠的間隔整個(gè)頻

43、譜必須緊湊。多波道系統(tǒng)要設(shè)法共用天線。根據(jù)上述的頻率配置原則，當(dāng)一個(gè)站上有多個(gè)波道工作時(shí)，為了提高頻帶利用率，對(duì)一個(gè)波道而言，宜采用二頻制。即兩個(gè)方向的發(fā)信使用一個(gè)射頻頻率，兩個(gè)方向的收信使用另外一個(gè)射頻頻率。,,多波道二頻制的頻率配置方案,2．?dāng)?shù)字微波頻率配置方案舉例,對(duì)于數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)的頻率配置，CCIR提出相應(yīng)的建議書。,B站,,我國幾種數(shù)字微波頻率配置方案,5.4.2 微波傳輸特點(diǎn)微波傳輸系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是三方面，即“微

44、波、多路、接力”。 “微波”是指微波工作頻段寬。微波頻率高，故其波長短，微波通信一般使用面式天線，當(dāng)面式天線的口徑面積給定時(shí)，其增益與波長的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天線。微波頻段，天電干擾和工業(yè)干擾及太陽黑子的變化基本上不起作用，所以可靠性和穩(wěn)定性很高?！岸嗦贰笔侵肝⒉ㄍㄐ诺耐ㄐ湃萘看?，即微波通信設(shè)備的通頻帶可以做得很寬?！敖恿Α笔侵讣又欣^站，是目前廣泛的視距微波通信方式。,5.4.3 數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu),5.4

45、.3.1數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)組成 調(diào)制與解調(diào)器的作用是將基帶信號(hào)對(duì)微波載波或中頻進(jìn)行調(diào)制，解調(diào)是調(diào)制的逆過程。,,發(fā)射機(jī)是用來將已調(diào)信號(hào)功率放大后饋送給發(fā)射天線發(fā)射出去的設(shè)備。接收機(jī)則是將受空間傳輸衰減后的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、混頻、濾波等處理和變換的設(shè)備。分路系統(tǒng)實(shí)際上是分路濾波器（或稱雙工器），通信一般均是雙向進(jìn)行的，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收共用一副天線，必須采用分路系統(tǒng)，它利用收發(fā)頻率的差異實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離。天饋線系統(tǒng)是由天線及其饋線完成收

46、發(fā)信機(jī)的電信號(hào)和空間電磁波之間的能量轉(zhuǎn)換。,,5.4.3.2天線饋線系統(tǒng),當(dāng)多波道雙向傳輸時(shí)，天饋線系統(tǒng)中的一些部件為收發(fā)兼用,,同軸電纜型,圓波導(dǎo)型,1．微波饋線系統(tǒng)饋線系統(tǒng)是聯(lián)接分路系統(tǒng)與天線的饋線和波導(dǎo)部件。主要有五種安裝形式：同軸電纜系統(tǒng)、矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)、橢圓軟波導(dǎo)系統(tǒng)、圓一矩硬波導(dǎo)系統(tǒng)和圓一橢圓饋線系統(tǒng)。目前4GHz、6GHz大部分使用圓一矩波導(dǎo)系統(tǒng)；2GHz用同軸電纜或橢圓軟波導(dǎo)；8GHz用矩形硬波導(dǎo)系統(tǒng)。隨著橢圓軟波導(dǎo)

47、質(zhì)量的提高，其應(yīng)用范圍越來越大。,圓波導(dǎo)型饋線系統(tǒng)各部分的作用： 1.密封節(jié)：特制的波導(dǎo)小段，防止波導(dǎo)生銹。2.雜波濾除器：在圓波導(dǎo)中,保證主模是TE11模傳送。是一種特制波導(dǎo)段來出去次主模.3.極化補(bǔ)償器：校正極化去耦在圓波導(dǎo)度內(nèi)壁可微調(diào)的波導(dǎo)段。4.極化旋轉(zhuǎn)器：波導(dǎo)段內(nèi)插入一介質(zhì)板可使極化方向旋轉(zhuǎn)。5.極化分離器:用來分離兩種不同的(如水平和垂直極化波)極化波.,2．微波天線,凡是能輻射或接收微波能量的天線都叫微波天線。

48、微波天線的技術(shù)參數(shù)有天線的增益和方向性、反射系數(shù)、極化去耦和機(jī)械強(qiáng)度等。微波天線形式——卡塞格林天線（具有雙曲面形反射器的拋物面天線。）另外還有喇叭天線，喇叭拋物天線，潛望鏡天線，標(biāo)準(zhǔn)地物面天線等。,,(1)拋物面的幾何關(guān)系 焦點(diǎn)F放一微波源，發(fā)射波向四面八方放出射。如果反射體是一個(gè)拋物面，則由其焦點(diǎn)射出的電波經(jīng)拋物面反射之后，,將成為圓柱形平行射束方式向Z方向傳播。而這些反射波到達(dá)基準(zhǔn)面AA’的路徑相等，即每條射線由F點(diǎn)射

49、出至AA’面止，其行程都相等。,,,,雙曲線的幾何關(guān)系,頂點(diǎn)位置為z＝士a，x＝0，雙曲線有兩焦點(diǎn)為c’和c,,,,,,,z,,,a,b,b,,,o,x,a,（2）雙曲面的幾何關(guān)系 在解析幾何中，雙曲線的標(biāo)準(zhǔn)方程為：,,C,C’,,,在雙曲線上任一點(diǎn)P（z，x）的法線PN與CP延長線的夾角α等于PN與PC’的夾角β； 等于常數(shù)，即,,,(3) 卡塞格林天線幾何關(guān)系,,C’發(fā)射波到雙曲面P點(diǎn)上，α=β,P1-P2=2a

50、將C和雙曲面的焦點(diǎn)重合，當(dāng)輻射源放射在C’后。相當(dāng)于從C處發(fā)射。根據(jù)上述原理做成的天線叫卡塞格林天線。,反射波反向延長到C上相當(dāng)于從C(F)點(diǎn)的發(fā)射波。,如果把雙曲面的焦點(diǎn)C與拋物面的焦點(diǎn)F重合在一起，同時(shí)把輻射源放在C’上，則,卡塞格林天線,拋物面天線的基本參數(shù),(1)天線增益 天線增益是表示拋物面天線輻射能量的集中程度，用字母G表示。G=E2/E02=A/(λ2／4π) =(πD/λ) E—有方向天線在空間某點(diǎn)(P點(diǎn))產(chǎn)

51、生的電場強(qiáng)度。E0—無方向理想天線在某點(diǎn)(同一點(diǎn)P)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度.A: 天線口面積 ; D: 拋物面反射器的口面直徑λ2／4π:無方向性天線的等效面積,實(shí)際：G=(πD/λ)2·η η稱為口面利用系數(shù)，一般η=0.45～0.60GdB=10lgG=10lg{(πD/λ)2·η} 當(dāng)η=0.54時(shí)，GdB=10lg（πDf/c）2·η GdB =20

52、lgf(MHz)+20lgD(m)-42.28(dB) 式中：f(MHz)為工作波長λ對(duì)應(yīng)的頻率。 D(m)：為天線口面直徑(m).(2)半功率角(3dB波束寬度) 從主瓣向邊偏離時(shí)，功率的輻射左右下降到一半點(diǎn)叫半功率點(diǎn)。 天線的半功率角越小，能量集中程度越高。,(3)極化去耦,一個(gè)接收垂直極化波的天線，由于天線結(jié)構(gòu)不均勻性，也能收到少量的水平極化波將這兩部分功率之比稱為

53、該天線的極化去耦。極化去耦表示：x=10lg(p0/px) (dB) p0為正常(垂直)極化波的接收功率， px為異(水平)極化波的接收功率。x值越大，極化去耦效果越好,(4)防衛(wèi)度,天線防衛(wèi)度指天線對(duì)某主瓣方向的接收能力與相對(duì)于主瓣方向的偏90o或180o接收能力的衰減程度。防衛(wèi)度=10lg(P主/P偏)。(5)電壓駐波比電壓駐波比：描述天線與饋線間連接匹配的程度。 若駐波比小， (天線與饋

54、線間的連接匹配越好) 反射波越小,雜波越小。,,,移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的天饋線改進(jìn)方案,數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)中的新天線技術(shù) ◆天線陣 ◆賦形波束天線技術(shù) ◆分集接收天線技術(shù) 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的天線

55、 ◆多天線收發(fā)技術(shù) ◆智能天線,5.4.3.3微波中繼,,微波站可分為微波端站，微波中繼站和微波分站。主要都是由微波中繼機(jī)、饋線、天線、鐵塔等構(gòu)成?？梢苑譃椋涸偕D(zhuǎn)接（基帶式）、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接三種。,5.4.4 微波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用舉例,其應(yīng)用主要分為兩大類：一類是以微波作為信息載體，主要應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、遙感等領(lǐng)域；另一類是

56、利用微波能，主要用在微波加熱、微波生物醫(yī)學(xué)及電量非電量的檢測等領(lǐng)域。而微波作為信息載體的微波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用主要有PDH微波傳輸系統(tǒng)和SDH微波傳輸系統(tǒng)。目前，SDH微波傳輸系統(tǒng)是微波傳輸系統(tǒng)最典型的應(yīng)用。,1.微波傳輸系統(tǒng)在電信網(wǎng)中的應(yīng)用微波中繼傳輸作為通信網(wǎng)的一種傳輸方式，可以同其他傳輸方式一起構(gòu)成整個(gè)通信傳輸網(wǎng)，微波、光纖、衛(wèi)星一體的傳輸組網(wǎng)方式。,,微波傳輸系統(tǒng)在全網(wǎng)中位置,二．微波傳輸系統(tǒng)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用在移動(dòng)通信系統(tǒng)中

57、，微波傳輸可應(yīng)用在兩個(gè)地方：一是基站收發(fā)信臺(tái)和基站控制器之間，二是基站控制器和移動(dòng)交換機(jī)之間。,在某些復(fù)雜的地形情況下，特別是在敷設(shè)光纜或電纜困難的地域，一般采用微波傳輸更為方便。,小 結(jié),無線信道是電波傳播信道中的一大類，它是典型的變參信道，因?yàn)殡姴ㄊ窃诳臻g傳播，因此會(huì)遇到大氣層的各種影響。電波傳播的方式主要有直射波傳播、電離層反射波傳播、地表面波傳播、散射波傳播、以及地面反射波傳播。電波在自由空間中傳播時(shí)不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折

58、射、繞射和吸收，但是，當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍會(huì)受到衰減，這種電波擴(kuò)散損耗就稱為自由空間傳播損耗。電波在傳播過程中，媒質(zhì)吸收使信號(hào)衰減，媒質(zhì)的不均勻性、地貌地物的影響、多徑傳輸?shù)榷紩?huì)使信號(hào)畸變、衰落、或電波傳播方向發(fā)生改變等現(xiàn)象。一條微波中繼信道是由終端站、中間站和再生中繼站、終點(diǎn)站及無線電波空間組成。,惠更斯原理：一點(diǎn)源的振動(dòng)可傳遞給鄰近質(zhì)點(diǎn)，使其成為二次波源。地面上的障礙物，如山頭、森林、高大建筑物等可阻擋微波射線，使

59、微波繞過障礙物向非接收方向傳播，接收的微波信號(hào)便大大的減小。大氣的影響主要是對(duì)流層的影響，其它各層對(duì)微波傳播影響不大。對(duì)流層中會(huì)形成云、霧之類的不均勻結(jié)構(gòu)，它們使電波發(fā)生折射、反射、散射、吸收等現(xiàn)象，其中最主要的是大氣折射。由于大氣折射的作用，使實(shí)際的電波傳播不是按直線進(jìn)行，而是連續(xù)折射彎曲的曲線，在這種情況下，引入“等效地球半徑Re”概念。引入Re后，便可把電波仍視為直射線，而真正地球半徑R等效為Re，此時(shí)電波不是在真實(shí)地球上傳播，

60、而是在等效地球上傳播。等效條件是：等效前后電波射線軌跡上各點(diǎn)與地面之間垂直距離處處不變。,根據(jù)電波在大氣層折射的軌跡即K值的大小，大氣折射可分為無折射、負(fù)折射和正折射三大類。大氣正折射有利于超視距傳播。在微波傳播過程中，電波會(huì)受到地面和大氣的影響，我們要用費(fèi)涅爾區(qū)解釋阻擋物的影響，并且適當(dāng)選擇K值和余隙。電波傳播路徑的大氣存在因素的影響，加上地面反射波的干涉，都會(huì)使收信點(diǎn)場強(qiáng)(或電平)不斷起伏變化。這種變化就稱為信號(hào)的隨機(jī)性?？顾ヂ?/p>

61、一般采用分集接收技術(shù)和自適應(yīng)均衡技術(shù)。,微波頻段使用波長在1 mm ~1 m，共有三個(gè)波段，其中1～10mm稱為毫米波，1～10cm稱為厘米波，10 cm～1m稱為分米波。具體應(yīng)用是從低頻往高頻的方向發(fā)展。微波傳輸系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是三方面，即“微波、多路、接力”。在微波傳輸系統(tǒng)里面天饋線系統(tǒng)占據(jù)著舉足輕重的地位，其中卡塞格林天線是微波通信中應(yīng)用最廣的一種天線。微波通信是一種中繼通信，主要的中繼方式有再生轉(zhuǎn)接（基帶式）、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接

62、三種。微波中繼傳輸作為通信網(wǎng)的一種傳輸方式，可以同其他傳輸方式一起構(gòu)成整個(gè)通信傳輸網(wǎng)。在目前的實(shí)用移動(dòng)通信系統(tǒng)中，微波傳輸?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用。,6、設(shè)發(fā)射天線和接收天線高度分別為25m和20m，等效地球半徑Re為8500km，地球半徑R0為6370km。試求兩天線間視線傳播的極限距離d0是多少km？ 7、若兩相鄰微波站A、B相距48km，反射點(diǎn)距A站18km和24km，求此兩種情況下的地面突起高度h1和h2各是多少？若又考慮大氣折