1、,一、电波在大气中的传播特性,对流层,平流层,中间层,热层,散逸层,中性层,电离层,磁层,0 km,710 km,50 km,8085 km,800 km,20003000 km,热分层,电分层,大气的分层无线电波可在地球表面传播，也可在大气层和真空（自由空间）中传播。在不同的传输媒质中，无线电波表现出不同的传输特性。,对电磁波传播有哪些影响？,氧气分子与水蒸汽在特定频率电磁波的作用下发生共振，从而吸收信号能量。避免在大气层内使用上述吸收峰附近的频率进行通信（可以用于空间通信）。,水蒸气吸收峰22.3GHz,氧分子吸收峰60GHz,一、电波在大气中的传播特性,1、氧气分子和水蒸汽对电磁波的吸收
2、,一、电波在大气中的传播特性,2、雨、雾、雪等气象微粒对电磁波的吸收 和散射,一、电波在大气中的传播特性,3、对流层对电磁波的折射大气的压力、温度和湿度随地区及离开地面的高度而变化，因而是不均匀的大气折射率随高度的变化，将引起电波传播方向发生弯曲，称为大气对电波的折射,折射率减小,1,2,n2,n1,高度增加,简单的解释,3、对流层对电磁波的折射,密度降低,折射率减小,波阵面,波阵面(Wavefront)，也称“等相面”，同一源发出的波在介质中传播相同时间所到达各点组成的面，同一波阵面上各点的相位相同。,波在折射率大的介质中传播速度慢，而在折射率低的介质中传播速度快。,高度增加,一、电波在大气
3、中的传播特性,4、电磁波在电离层中的传播电离层特性：电离层位于地表50800km范围内。由于太阳辐射，使大气分子电离，产生大量电子。电离层电子密度呈现一种“两头低、中间高”的分布，即其最上层与最下层密度低，而中间部分密度高。最高层辐射严重，但空气分子密度低最低层空气分子密度高，但辐射射线较弱,电子密度,高度,一、电波在大气中的传播特性,4、电磁波在电离层中的传播电离层特性：在不同年份、不同季节、一天内的不同时间，由于太阳位置的不同，会导致电离层特性（带电子密度）出现明显差异太阳辐射的变化会导致短时间内带电子密度的剧列变化，称为“电离层闪烁”,太阳直射位置（白天）,一、电波在大气中的传播特性,4
4、、电磁波在电离层中的传播电离层特性：大量电子的存在使电离层折射率发生变化,ne：电子密度f：信号频率,电子离度越高，折射率越偏离“1” 频率越低，折射率越偏离“1”,一、电波在大气中的传播特性,4、电磁波在电离层中的传播后果一：折射率随电子密度的不同而不同，从而使信号传播路径发生弯曲，群时延发生改变后果二：对不同频率信号的折射率不同，通过电离层后不同频率信号相移与频率不成线性比例，从而发生色散失真严重程度随电子密度以及信号占用频率不同而不同带宽越宽的信号受影响越严重,原始脉冲,无色散介质输出脉冲,经电离层后输出脉冲,一、电波在大气中的传播特性,二、传播损耗,1、自由空间传播损耗在接收天线处，功
5、率通量密度为 接收功率 由于 ，有 于是最终可得,d,发射天线,接收天线,发射天线与接收天线的最大辐射方向相互指向对方 发射天线在最大辐射方向上的增益为GT，接收天线最大辐射方向上的增益为GR,PT,PR,“自由空间传播损耗”,1、自由空间传播损耗物理意义是什么？天线无方向性的辐射导致绝大部分功率没有进入接收天线，从而形成损耗。例：某微波通信系统站间距离 d = 50km，信号频率5GHz，求Lf,以分贝形式表示为,信号波长,这是一个非常巨大的数值！100W功率发出后，只能接收到1pW功率！,二、传播损耗,2、障碍物遮蔽形成的损耗波的传播惠更斯原理,波的衍射,t时刻波阵面,t+t时刻波阵面,波
6、的传播,波阵面上每一点相当于一个点源，而这点源波阵面的迭加形成新的波阵面。,二、传播损耗,点源A波阵面上的各点的波阵面在接收B相互迭加，形成波阵面。因此对任意点源发出的波的阻挡均会影响B点所接收到的电磁波。,A,B,波阵面,点源,二、传播损耗,在信号传播路径上存在刃形障碍物遮挡时，会对接收点接收到的信号功率构成影响。,d1,d2,hC,当障碍物低于天线连线时余隙hC符号为“+”当障碍物高于天线连线时余隙hC符号为“-”,称为第一菲涅耳半径,障碍物顶点低于连线0.51个第一菲涅耳半径以上时，信号功率几忽不受影响；障碍物顶点高于上述高度后，信号功率损失开始随着障碍物高度增加而迅速增加;,二、传播损
7、耗,3、大气层内各种成份引起的损耗在地球大气层中传播的无线电波会有部分能量被大气中各种成分吸收，导致信号电平下降，这一损耗的大小与信号频率、温度、气压以及水蒸汽浓度以及信号穿过大气的路径长度有关这里分析的不包括降雨、降雪等特殊天气情况从图中可见，随着频率提高，大气吸收造成的损耗增大。但绝对值仍较小。,二、传播损耗,4、大气闪烁“闪烁”是指由于传播媒质不规则地随时间变化而引起的无线信号参数快速变化的情况。对流层闪烁主要影响频率在10GHz以上的系统。对流层闪烁由大气湍流、逆温等因素导致的折射率变化引起。ITU-R Rec.P.618-8提供了对流层损耗计算模型低仰角情况电离层闪烁主要在使用3GH
8、z以下频率的系统中表现明显。,3-10GHz范围内两者均有所表现，数值相近,二、传播损耗,5、降雨（雪）对信号的损耗降雨会对电磁波形成散射或吸收,从而导致信号功率损失,称为“雨衰”,图中为一定的降雨强度下降雨衰减与信号频率的关系。雨衰对频率越高的信号影响越严重。,二、传播损耗,6、去极化效应导致的损耗降雨的去极化效应电磁波穿过地球磁场导致的法拉第电磁旋转 极化方向发生变化，从而使电磁波极化方向与接收天线极化方向发生失配,发射信号极化方向,极化方向被改变,传输媒质,只有与原来极化方向一致（也与接收天线极化方向一致）的分量被接收,二、传播损耗,1、地波传播 地波传播，也称“地表波”传播，是电磁波利
9、用地表的导电特性(而非对流层、电离层反、散射)而沿着地球表面的传播方式。主要用于低频及甚低频远距离无线电导航、广播、对潜通信等业务。,发送功率为1kW,损耗随工作频率增加而迅速增大，通常使用频率低于2MHz信号，天线尺寸通常较大；几乎不受电离层扰动影响，但受地表特性影响严重在水面、沼泽等良导体表面损耗较小；而在沙漠等干噪区域很难传播大气噪声电平高，工作频带窄。,地面,特点,三、电波传播方式,2、对流层传播视距传播：当收、发天线架设高度较高（远大于波长），电波直接从发射天线传播至接收点（有时有反射波到达），称为“直射波传播”或“视距传播”。主要用于微波中继通信、甚高频和超高频广播、电视、雷达等业
10、务。传播特点：传播距离限于视线距离以内，一般为1050km；频率愈高受地形地物影响大；微波衰落现象严重；10GHz以上电波，大气吸收及雨衰减严重。,三、电波传播方式,2、对流层传播散射传播：利用对流层中介质的不均匀性对电波的散射作用，实现超视距传播。传播特点：常用频段为200MHz5GHz；由于散射波相当微弱，传输损耗大，需使用大功率发射机、高灵敏度接收机及高增益天线等设备；单跳跨距可达300800km，特别适用于无法建立微波中继站的地区，例如海岛之间或需跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。,三、电波传播方式,3、电离层传播电离层反射传播：主要用于中、短波远距离广播、通信，船岸间航海移动通信，飞机地面
11、间航空移动通信等业务。主要传播特点：传播损耗小，能以较小功率进行远距离传播；衰落现象严重；受电离层扰动影响大。,电离层,三、电波传播方式,3、电离层传播电离层散射传播：利用电离层中电子浓度不均匀性（通常发生在离地面高度90110km处）对电波的散射作用完成远距离通信。常用的频段为3570MHz。主要传播特点：传输损耗大；允许传输频带窄，一般为35kHz；衰落现象明显。但单跳跨距可达10002000km。当电离层受到骚扰时，仍可保持通信。,三、电波传播方式,3、电离层传播流星电离余迹散射传播：利用发生在80120km处流星电离余迹对电波的散射作用，实现2000km内的远距离传播。常用频段为307
12、0MHz。传播特点：由于流星电离余迹持续时间短，但出现频繁，可利用它建立瞬间通信，在军事上应用较多。,三、电波传播方式,流星余迹,4、地电离层波导传播电波在以地球表面及电离层下缘为界的地壳形空间内传播。主要用于低频（长波）、甚低频（超长波）远距离通信、导航以及标准频率和时间信号的传播。主要传播特点：传输损耗小，受电离层扰动影响小，传播相位稳定，有良好的可预测性，但大气噪声电平高，工作频带窄。,电离层,地球,Waveguide,信号波长与地表-电离层下缘距离在同一量级,三、电波传播方式,5、外大气层及行星际空间电波传播电波传播的空间主要在外大气层或行星际空间，以宇宙飞船、人造地球卫星或天体为对象，在地空或空空之间传播。主要用于卫星通信、宇宙通信及无线电探测、遥控等业务中。主要特点：自由空间传输损耗大，地-空电路中受对流层、电离层、地球磁场以及来自宇宙空间的各种辐射波和高速粒子的影响，例如10GHz以上的电波大气吸收和降雨衰减严重。,三、电波传播方式,
