1、森林环境中电波传播理论与实验以及它的扩频应用摘要本文给出了在森林环境中的一个理论上的垂直极化波模型。传播模式包括在森林与空气分界面上的直射波和反射波，森林与地面分界面上的反射波，在空气中沿着分界面的侧面波。本文给出了一些公式，从这些公式可以推出它们的传播损耗。我们在中原地区的一个森林环境中，在 VHF 和 UHF 两个频段内用实验数据验证了它们。并且推导出了适用于更高频率的公式，例如 1800MHz 和 3500MHz。当侧面波成为主要传播方式时的初始距离在 VHF/UHF 和更高频率中是不同的。在 1800MHz 和 3500MHz 中是 600m，在 VHF/UHF中是 350m。1、前沿
2、在森林环境中的电波传播在过去引起了很大的关注，以至于许多国家都做过大量的实验。理论可以从文献1,5-7学到。文献 2给出了在印度森林中测试了50800MHz（ 50，200，500， 800）的结果。文献4 给出了在中原地区森林中测试了160900MHz（ 160，450，900 ）的结果。提出了一组预测森林环境电波衰减的经验模式。文献5用二阶格林函数检查三层媒介中电偶极子的电磁辐射。远场的性质主要取决于侧面波。通过确定偶极子的倾向和最佳入射点可以增强侧面波的激励。文献6提出了一种新的全面波分析方法，分析由树林中的偶极子天线产生电波，电波在森林媒介中传播的特性。过去研究的重点在侧面波和 VHF
3、/UHF。但本文给出了一些不同波的表达式，例如直射波，反射波，还有文献8中推出的侧面波。我们将用这些公式来计算森林中的电波损耗。首先我们用实验数据来验证这些公式，找出侧面波占主导的地方，然后再推出频率更高的情况。对于高频通信链路，量化由树叶引起的电波损耗是很重要的。这些结论对于设计是一个很好的参考 。2、理论分析图 1 中的模型可以得出远场的求解，但是结果会非常复杂。如果忽略地面的影响，那么就可以将结果大大的简化。首先我们由空间波，理想的镜像反射波，侧面波得出一个解析式。（1）直射波：（2）负的理想镜像波在分界面上方，当理想镜像不准确时可以用下面公式修正：（3）空气中的侧面波其中（4）地面反射
4、波在森林和地面分界面上有诺顿表面波和侧面波传播。但是由于它们太少，所以可以忽略。在自由空间，电场为传播常量然后我们就可以推出传播损耗公式：3、基本传输损耗模型为考虑两种传播模式，提出了下面的经验模式：其中：预测基本传输损耗， dBBL：频率，MHzf：位于森林里的发收天线之间的距离，md：计算常数BA,：由实测数据计算出的衰减率常数，dB/m（1）式中最后一项表示 随距离的变化关系，其中因子 反映了在大约 400mBLdAek距离，基本传输损耗在 损耗基础上叠加上指数衰减因子。因子 表示在较远dlog20 2/B距离上基本传输损耗 以 形式衰减的侧面波特征。组合各系统参数的实测数据回B4归得出
5、 ， 值在表 1 中给出。A,4、实验验证表 2 列出了三种典型的情况。然后我们使用上面的公式和上面的测量数据来验证。假设树的平均高度为 14 米，树的平均直径为 10 厘米。发射源距地面 5 米，接收机距地面 1.8 米。本文中的参数适用于一般的森林。比较结果如下。从上面结果可以看出在 200 米以内，主要是空间波传播，与测试数据一致。在 200 米到 400 米内有空间波和侧面波。在 400 米以外主要是侧面波。实际测量数据比理论要小。负值常数低于 20dB，可能是因为侧面波的路径是理想化的。发射源产生侧面波射线，然后反射到空气中，沿着边界的切向传播，同时，由于能量的泄漏，侧面波又沿着临界
6、角传回了森林介质。因此有些能量到达了观测点。这里我们假设泄漏的能量仍然在不密集的树顶存在而且在传播路径上不是很大。如此，理论的能量值就比实际测量的小，路径损耗比实验值大。5、提高频率新的无线电系统需要新的频率范围来增加它的容量。800MHz 到 2GHz 通常用作数字点对点和移动通信，并且这一频带已经广泛的用于个人通信系统，无线局部回路，无线局域网。随着无限技术的发展，在越来越拥挤的电磁波谱中新的频带将被新的应用程序占用。更高的频带需求和波段可用性驱使着可用无线电磁频谱的限制上移，为了扩展过去的研究，我们将在这些高频上继续测量宽带。在高频频段，森林中的无线电波传播很少有研究结果。这里我们将给出
7、森林中在 1800MHz 和 3500MHz 的传播特性，并且找出高频和低频的不同。从结果可以看出，在 VHF 和 UHF 上小于 400 米时，穿过树叶模式占主导，大于 400 米时，树顶模式占主导。6、总结波传播过程中遇到过 4 种类型，分别是直射波，由上分界面产生的反射波，由下分界面产生的反射波，沿着上分界面传播的侧面波。本文给出了它们的表达式，也给出了在160MHz，450MHz，900MHz 的数值计算。文中给出了理论结果和实验数据的比较，发现在近距离空间波占主导的地方理论与实际相近。但在侧面波占主导的地方理论结果比实验结果大。我们将频率扩展到 1800MHz 和 3500MHz，得出在 VHF 和 UHF 上小于 400 米时，穿过树叶模式占主导，大于 400 米时，树顶模式占主导，但是在更高频时，分隔距离大于 400 米。例如，在 1800MHz 或 3500MHz 时大约是 600 米。参考文献
