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1、第11章 视距传播,视距传播：收发天线在视线距离内，电波直接从发射点传到接收点的传播方式。,视距传播可分为三类：,地地：中继通信、广播电视、移动通信地空：地面-飞机、地面-卫星空空：飞机间、宇宙飞行器间,地面及对流层大气对视距传播有一定的影响。,11.1 地面对视距传播的影响,1.光滑平面地条件下视距传播场强的计算,假设发射天线A的高度为H1，直接波的传播路径为r1，地面反射波的传播路径为r2、与地面之间的投射角为。收、发两点间的距离为d。,接收点B的高度为H2。,r2-r1为两条路径之间的路程差，它可以表示为,(1112),根据二项式定理：,得：,（取前2项）,接收点B场强应为直接波与地面反
2、射波的叠加。,(1111),为地面的反射系数，它与电波的投射角、电波的极化和波长以及地面的电参数有关。一般可表示为,设沿r1路径在接收点B处产生的场强振幅为E1，沿r2路径在接收点B处产生的场强振幅为E2，,则B处的总场强为,(1113a),对于水平极化波,对于垂直极化波,(1113b),对于水平极化波来讲，实际地面的反射比较接近于理想导电地，特别是在波长较长或投射角较小的区域近似程度更高。因此在估计地面反射的影响时，可粗略地将实际地面等效为理想导电地。,对于垂直极化波情况就比较复杂。垂直极化波反射系数的模存在着一个最小值，对应此值的投射角称为布鲁斯特角（Brewster），记作B；在B两侧，
3、反射系数的相角180突变。尽管垂直极化波的反射系数随投射角的变化起伏较大，但在很低投射角时，仍然可以将其视为-1。,海水的反射系数,海水和陆地的反射系数,（图中V代表垂直极化，H代表水平极化）。,GHz,GHz,干土的反射系数,水平极化波反射系数的模在低投射角约为1，相角几乎可以被看作180常量。,当很小时，将,代入下式,合成场可以做如下简化：,(1114),因此，波的干涉与天线的架高、电波波长及传播距离有关。,垂直极化波在海平面的干涉效应（r=80，=4）,（a）f=0.1GHz，H1=50m，H2=100m,（b）f=0.1GHz，H1=50m，d=7000m,下图是以|E/E1|为纵坐标
4、计算得到的垂直极化波在海平面上的干涉效应。,则得到 维建斯基反射公式：,(1115),解 地面反射波与直接波之间的相位差为,【例】某通信线路，工作波长=0.05m，通信距离d50km,发射天线架高H1=100m。若选接收天线架高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下，接收点的E/E1=？今欲使接收点场强为最大值，调整后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？,所以接收点处的E/E1=0，此时接收点无信号。若欲使接收点场强为最大值，可以调整接收天线高度，使得接收点处地面反射波与直接波同相叠加，接收天线高度最小的调整应使得=16。,若令,可以解出H2=93.75m，接收天线高度可以降低6
5、.25m。,地面上的有效反射区,2.地面上的有效反射区,反射波的主要空间通道是以A和B为焦点的第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地平面相交的区域为一个椭圆，该区域内对反射波具有重要意义。,这个椭圆也被称为地面上的有效反射区。,(1116),该椭圆的长轴在y方向，短轴在x方向。,(1117a),长半轴：,短半轴：,(1117b),根据第一菲涅尔椭球的尺寸，可以计算出该椭圆（有效反射区）的中心位置C的坐标为,不平坦地面的反射,3.光滑地面的判别准则,实际地面都是起伏不平的，光滑地面只是理想情况。,电波在上、下两边界处反射时的波程差为,(1118),由此引起的附加相位差为,为了能近似地将反射波仍然视为
6、平面波，即仍,有足够强的定向反射，要求，,相应地要求,瑞利准则,(1119),瑞利准则即为判别地面光滑与否的依据。,当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑；,当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。,表1111 h的实际计算数据,波长越短，投射角越大，越难视为光滑地面，地面起伏高度的影响也就越大。,11.1.2 光滑球面地情况,地球是球面体，在大多数情况下应该考虑到地球的曲率。首先受到影响的就是视线距离。,如图1117 所示，在给定的发射天线和接收天线高度H1、H2的情况下，由于地球表面的弯曲，当收发两点B、A之间的直视线与地球表面相切时，存在着一个极限距
7、离。当H1、H2远小于地球半径R时，d0也就为B、A之间的距离r0。,1.视线距离视线所能达到的最远距离,在通信工程中常常把由H1、H2限定的极限地面,距离,称为视线距离。,(11110),(11111),由于常满足RH1，RH2，因此视线距离可写为,(11112),根据图1117所示的几何关系，若C点为AB与地球的切点，则有,将地球半径R=6370km代入上式并且H1、H2均以米为单位时，,(11113),在标准大气折射时，视线距离将增加到,(11114),在收、发天线架高一定的条件下，实际通信距离d与r0相比，有如下三种情况：,(1)d0.7r0，接收点处于亮区；,(2)d1.2r0，接收
8、点处于阴影区；,(3)0.7r0d1.2r0，接收点处于半阴影区。,在实际的视距传播工程应满足亮区条件，否则地面绕射损失将会加大电波传播的总损耗。,天线的等效高度,2.天线的等效高度,过反射点C作地球的切面，把球面的几何关系换成平面地，此时由A、B 向切平面作垂线所得的H1、H2就称为天线的等效高度或折合高度。,(11115),(11116),假定反射点C的位置已经确定，沿地面距离d=d1+d2r10+r20，r10、r20就是天线架高为H1、H2时的极限距离。,(11117),(11118),因此，天线的等效高度为,在视距传播的有关计算公式中，若将天线的实际高度置换成等效高度，就是对球面地条
9、件下的修正之一。,球面地的扩散,3.球面地的扩散因子,由于球面地的反射有扩散作用，因而球面地的反射系数要小于相同地质的平面地的反射系数。,扩散因子就是描述扩散程度的一个物理量。,定义球面地的扩散因子,如果平面地反射时的场强为Er，球面地反射时的场强为Edr，入射波场强为Ei，为平面地反射系数的模值，则,(11119),(11120),在引进扩散因子之后，如将视距传播的有关计算公式中的反射系数替换成Df就完成了球面地条件下的另一个修正。,扩散因子的具体表示式为,11.2 对流层大气对视距传播的影响,在前述的分析中，尽管讨论了由平面地到球面地的修正，但是都假定电波按直线传播，这种情况只有在均匀大气
10、中才可能存在。实际的对流层大气、压力、温度及湿度都随地区及离开地面的高度而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射及吸收等物理现象。,11.2.1 电波在对流层中的折射,1.大气的折射率,实验证实大气折射率n近似满足下面的关系式：,(1121),P为大气压强（毫巴，即mb；1mb=100Pa）；T为大气的绝对温度（K）；e为大气的水汽压强（mb）。,表1121 折射指数数据(年平均值),2.大气折射及类型,由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。,nsin=(n+dn)sin(+d),(1123),当电波由折射率为 n
11、 的一层传播到n+dn的一层时，电波发生了折射，沿曲线AC传播。,假设电波在点A的入射角为,折射角为+d,则按照折射定律：,将方程的右边展开并略去二阶无穷小量并整理后得,(1124),由图所示的几何关系，射线的曲率半径应为,(1125),在ABC中,(1126),由于d很小，cos(+d)cos，并将式（1124）代入上式得,(1127),考虑到n1,并且对大多数情况而言，90，因此射线的曲率半径,(1128),大气折射分为三类：,(1)零折射,电波射线为直线,(2)负折射,电波射线上翘,(3)正折射,电波射线向下弯曲,dn/dh=-410-81/m，射线的曲率半径=2.5107m,dn/dh
12、=-15.710-81/m，电波射线与地球同步弯曲,dn/dh-15.710-81/m，,标准大气折射,临界折射,超折射,折射类型,3.等效地球半径,电波在大气层内传播轨迹是弯曲的，但习惯上仍把电波射线当作沿直线传播，因此引入等效地球半径因子来修正。,等效地球半径Re：,保持电波射线轨迹与地球表面之间的相对曲率不变，使地球半径改变到电波射线为直线时的地球半径。,图1123 等效地球半径(a)实际地球上的电波射线；(b)等效地球上的电波射线,地球半径,电波射线曲率半径,等效地球半径,等效电波射线曲率半径,(1129),式中，Re为等效地球半径。由此，,(11210),由图1123的几何关系，得,
13、将式（1128）半径代入上式，则低仰角情况下的等效地球半径为,(11211),定义等效地球半径因子K为,(11212),等效地球半径Re与实际地球半径R之比。,11.2.2 大气衰减,（1）云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收以及水分子、氧分子对电波的谐振吸收；,大气是一种成分不均匀的半导电媒质。,大气对电波的衰减有两方面：,（2）云、雾、雨等小水滴对电波的散射，导致对原方向传播的电波衰减。,氧和水汽的衰减系数,水分子的谐振吸收发生在1.35cm与1.6mm的波长上。,氧分子的谐振吸收发生在5mm与2.5mm的波长上。,（60GHz、118GHz）,（22GHz、183GHz）,在选择工作频率时，要注意避开这些 谐振吸收频率，工作于吸收最小的频率附 近（通常将这些频率称为大气窗口）。,热吸收与小水滴的密度有关，例如大雨比小雨对电波的吸收要大。,谐振吸收与工作波长有关。,不同强度的雨对电波的衰减系数,（2）f3GHz时衰减很小，一般可忽略不计。,结论：,（1）散射衰减与小水滴半径的6次方成正比，与波长的4次方成反比。,（3）当频率进一步增高时，波在雨中的衰减将随着频率的增高迅速增大，并且雨的强度越大，电波受到的衰减越大。,思考题：,1.什么是大气折射效应?大气折射有哪些类型?,2.什么等效地球半径?为何引入等效地球半径?,
