电波与天线简介 2005.12.

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1 电波与天线简介

2 8 电波传播 的基础知识 概述 8.1.1电磁波谱 8.1.2电波传播的主要方式 8.2自由空间电波传播 8.2.1自由空间中天线间的功率传输 ——Friis传播公式 8.2.2雷达方程

3 天线将传输线送过来的高频电流能量转换为电波能量。电波的传输并非在理想的自由空间进行，而是在一定的媒质中传输。不同的媒质对无线电波的影响是不一样的，在通常的传输距离上，电波传播的损耗也是非常大的。在计算给定的通信线路时，必须对电波传播的分析给予足够的重视，否则无法确保通信系统具有足够的信噪比裕量。 8.1.1电磁波谱   人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千分之几赫（地磁脉动），高达1030Hz量级（宇宙射线），相应的波长从1011m短至10-20m以下。按序排列的频率分布称为频谱（或波谱），在整个电磁波谱中，无线电波频段（RadioFrequency Band）的划分见表8―1 ― 1。

4 1.无线电波的波段划分

5 从电波传播特性出发，并考虑到系统技术问题，频段的典型应用如下：
(1)超低频：超低频由于波长太长，因而辐射系统庞大且效率低，人为系统难以建立，主要由太阳风与磁层相互作用、雷电及地震活动所激发。典型应用为地质结构探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。近来在频段高端已有人为发射系统用于对潜艇发射简单指令和地震活动中深地层特性变化的检测。 (2)极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。由于频率低，因而信息容量小，信息速率低（约1bit/s）。该频段中，垂直极化的天线系统不易建立，并且受雷电干扰强。 (3)甚低频：典型应用超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。该波段难于实现电尺寸高的垂直极化天线和定向天线，传输数据率低，雷电干扰也比较强。

6 (4)低频：典型应用如我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天线。
(5)中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。 (6)高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。 (7)米波：用于语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力（~50km跳距）通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高增益系数的天线系统。(8)分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。 (9) 厘米波：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。 (10)毫米波：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。 (11)亚毫米波：用于短路径通信。

7 8.1.2 几种主要的电波传播方式 电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。对于一定频率和极化的电波与特定媒质条件相匹配，将具有某种占优势的传播方式。在各种传播方式中，媒质的电参数（包括介电常数,磁导率与电导率）的空间分布和时间变化及边界状态，是传播特性的决定性因素。 (1)地波或表面波传播: 电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。此种方式要求天线的最大辐射方向沿着地面，采用垂直极化，工作的频率多位于超长、长、中和短波波段，地面对电波的传播有着强烈的影响。这种传播方式的优点是传播的信号质量好，但是频率越高，地面对电波的吸收越严重。 图8―1―1 地面波传播

8 2. 天波传播 如图8―1―2所示，发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。尽管中波、短波都可以采用这种传播方式，但是仍然以短波为主。它的优点是能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。天波传播的规律与电离层密切相关，由于电离层具有随机变化的特点，因此天波信号的衰落现象也比较严重。   图8―1―2 天波传播

9 3.视距传播 如图8―1―3所示，电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。它可以分为地-地视距传播和地-空视距传播。视距传播的工作频段为超短波及微波波段。此种工作方式要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度。信号在传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉。在几千兆赫和更高的频率上，还必须考虑雨和大气成分的衰减及散射作用。在较高的频率上，山、建筑物和树木等对电磁波的散射和绕射作用变得更加显著。 图8―1―3 视距传播

10 (4)散射传播 如图8―1―4所示。散射传播是利用低空对流层、高空电离层下缘的不均匀的“介质团”对电波的散射特性来达到传播目的的。散射传播的距离可以远远超过地-地视距传播的视距。对流层散射主要用于100MHz~10GHz频段，传播距离r<800km；电离层散射主要用于30~100MHz频段，传播距离r>1000km。散射通信的主要优点是距离远，抗毁性好，保密性强。 图8―1―4 散射传播

11 8.2 自由空间电波传播 不同的电波传播方式反映在不同传输媒质对电波传播的影响不同，带来的损耗不同。但是即使在自由空间传播，电波在传播的过程中的功率密度也不断衰减。为了便于对各种传播方式进行定量的比较，有必要先进行电波在自由空间传播的讨论。 在实际的通信系统设计中，为了对发射机功率和发射天线增益、接收机灵敏度和接收天线增益合理地提出要求，一般要预先进行电道计算。电道计算的内容主要是计算电波在传播过程中的衰减程度。就自由空间而言，电波的衰减程度可以由自由空间的传播损耗来表示。 自由空间传播损耗（Free Space Propagation Loss）的定义是：当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值，记为L0，即

12 自由空间中天线间的功率传输 两个理想点源天线之间的电波传播 Transmitter Receiver Antenna 有相距R的A、B两地，分别架设方向性系数为1的同一频段工作的理想点源天线，当A地发射机向天线提供的辐射功率为Pr，B地的接收天线的功率PL有多少？

13 R 设一理想点源天线置于自由空间中，它将均匀地向以天线为中心的球面上辐射能量。若天线的辐射功率为Pr，则距离天线R处的功率流密度（坡印廷矢量）为 Pr 设A、B地天线极化相同且各自以最大辐射（接收）方向对准对方，理想点源天线B的吸收面积为 Ae=l2GT/4p＝ l2/4p 因此，理想点源天线B的接收功率为

14 有相距R的A、B两地，分别架设方向性系数为1同一频段工作的天线，当A地发射机向天线提供的辐射功率为Pr，B地的接收天线的功率PL有多少？
自由空间的传输损耗： 虽然自由空间是一种理想介质，不会吸收能量，但是随着传播距离的增大导致发射天线的辐射功率分布在更大的球面上，因此自由空间传播损耗是一种扩散式的能量自然损耗。从上式可见，当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB。

15 自由空间中天线间的功率传输 ——Friis传播公式
Transmitter Receiver Antenna 有相距R的A、B两地，分别架设了增益为Gr及GB的同一频段工作的天线，当A地发射机向天线提供的输入功率为Pin时,辐射功率为Pr，B地的接收天线能向接收机输出的功率PL最大有多少？

16 R 设一理想点源天线置于自由空间中，它将均匀地向以天线为中心的球面上辐射能量。若天线的辐射功率为Pr，则距离天线R处的功率流密度（坡印廷矢量）为 Pr 实际天线均有方向性，设天线的方向性系数为D，则表明天线在最大辐射方向上把辐射功率流密度提高到无方向性理想点源天线的D倍。因而，当上面的发射天线换为实际天线时，在最大辐射方向上的远区辐射功率流密度为 (Pr=Pr0时)

17 设A、B地天线极化相同且各自以最大辐射（接收）方向对准对方，B处天线的吸收面积为 Ae=l2GT/4p
这就是著名的弗利斯(Friis)传输公式。这里Pr为发射机功率，Gr为发射天线增益，GL为接收天线增益，PL为接收功率，R为两天线间距离，l为工作波长。

18 （1）发射天线，接收天线都是理想点源天线 虽然自由空间是一种理想介质，不会吸收能量，但是随着传播距离的增大导致发射天线的辐射功率分布在更大的球面上，因此自由空间传播损耗是一种扩散式的能量自然损耗。从上式可见，当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时，自由空间传播损耗分别增加6dB。

19 （2）考虑介质对电磁波的吸收作用 实际的传输媒质对电波有吸收作用，这将导致电波的衰减。如果实际情况下的接收点的场强为E，而自由空间传播的场强为E0，定义比值|E/E0|为衰减因子（Attenuation Factor），记为A， A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。即： 考虑了上述路径带来的衰减以后，为了表明传输路径的功率传输情况，常常引入路径传输损耗（Propagation Path Loss）（或称为基本传输损耗），记为Lb，即

20 如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为Gr，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密度和最佳接收功率分别为：
对于这样实际的传输电道，定义发射天线输入功率与接收天线输出功率（满足匹配条件）之比为该电道的传输损耗L（Propagation Loss），即 在路径传输损耗Lb为客观存在的前提下，降低传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。

21 10log10（10*1000）＝40dBm dBm单位表示相对于1毫瓦的分贝数dBm=10*lg(mW) ，dBm和W之间的关系是：1w的功率，换算成dBm就是10×lg1000＝30dBm。

22 8-3电波传播的菲涅尔区 Q 1.惠更斯原理 P A B C D E P’ Q’
荷兰物理学家惠更斯于1678年提出:任意时刻波面上的每一点,都可以看作次波(子波)波源,各自发出球面次波,在以后的任何时刻,这些次波的包络面形成整个波在该时刻新的波面. ｔ+△ｔ时刻的场，可以看作是t时刻波振面上的二次源产生的

23 1.惠更斯原理 荷兰物理学家惠更斯于1678年提出:任意时刻波面上的每一点,都可以看作次波(子波)波源,各自发出球面次波,在以后的任何时刻,这些次波的包络面形成整个波在该时刻新的波面. 2.菲涅尔原理： 菲涅尔发展了惠更斯原理：认为空间任意一点处的辐射场，是包围波源的任意封闭面上产生的所有次波，在该点所产生的场叠加的结果。 包围波源的任意封闭面的每一点,都可以看作次波(子波)波源,各自发出球面次波，

24 2.菲涅尔原理：菲涅尔发展了惠更斯原理：认为空间任意一点处的辐射场，是包围波源的任意封闭面上产生的所有次波，在该点所产生的场叠加的结果。
（1）次波初位相为零 （2）振幅反比于r （4）次波在场点的位相由传播距离决定 菲涅尔衍射积分 O’ P Q ds (3) 正比于面积ds，与 有关。 矢量叠加法 但在波面对于通过P点的波面法线具有旋转对称性的情况下，上项积分就比较简单，并可用代数加法or矢量加法来代替积分

25 3.菲涅尔半波带（理想点波源为例）:但在波面对于通过P点的波面法线具有旋转对称性的情况下
O’是点波源,发出球面波,S是某一时刻的波振面（球面）,ρ等相位面半径,为了确定等相位面上的次波波源对P点的贡献,连接波源O’与场点P, O’P交等相位面S于O点(极点), 极点 O’ P O S Q ds 均匀介质中,电磁波沿直线传播

26 好处:相邻两个菲涅尔半波带对应位置上的次波到达场点P时，相位相差π，为反相叠加
3.菲涅尔半波带（理想点波源为例） 菲涅尔半波带法:令OP的距离为r0,设想将波面分成许多的环形带,使得每两个相邻带的边缘到P点的距离相差半个波长 Q ds 极点 O’ O P Z1 Z2 Z3 Z4 S 好处:相邻两个菲涅尔半波带对应位置上的次波到达场点P时，相位相差π，为反相叠加

27 好处:相邻两个菲涅尔半波带对应位置上的次波到达场点P时，为反相叠加
3.菲涅尔半波带（理想点波源为例） 目的:确定点P的场 好处:相邻两个菲涅尔半波带对应位置上的次波到达场点P时，为反相叠加 结论:P点的场主要取决于第一菲涅耳半波带,振幅的大小为第一菲涅耳半波带产生的幅值的一半

28 Z1 Z3 Z2 Z4 极点 O’ P O S Q ds 结论:P点的场主要取决于第一菲涅耳半波带,振幅的大小为第一菲涅耳半波带产生的幅值的一半 尽管在自由空间从波源O’辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看，可以认为是通过许多菲涅尔半波带传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔半波带。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔半波带的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。所以在实际的通信系统设计中，对第一菲涅尔半波带的尺寸非常关注，下面我们就来求出第一菲涅尔半波带半径。

29 3.在一个平面内，划分半波带，相当于上面讨论的球面半径很大的情况，设想将波面（平面）分成许多的环形带,使得每两个相邻带的边缘从T到R点的距离的和相差半个波长
菲涅尔带划分图

30 4.第一菲涅耳带半径F1， T R O 菲涅尔带划分图

31 5.菲涅尔区： T R 平面1 T R 平面2

32 二维 T R T R 不同位置的同一菲涅耳半波带外围轮廓是以TR为焦点的椭圆 TR之间有无穷多的平面 第一菲涅耳半波带的
边缘点O1,O1’O1’’O1’’’.. 是以TR为焦点， 定长等于d＋0.5λ的椭圆上 T R 第二菲涅耳半波带的边缘点O2,O2’ O2’’ O2’’’.. 是以TR为焦点，定长等于d＋λ的椭圆上 第二菲涅耳半波带的边缘点O3,O3’ O3’’ O3’’’.. 是以TR为焦点，定长等于d＋1.5λ的椭圆上 ………………….. T R 二维 不同位置的同一菲涅耳半波带外围轮廓是以TR为焦点的椭圆

33 二维：椭圆 T R 实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。 考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性，不同位置的同一菲涅耳半波带外围轮廓先应对应一个以收发天线两点为焦点的旋转椭球，称为菲涅耳区。我们称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。

34 第一菲涅尔区 第二菲涅尔区 第三菲涅尔区 T R 三维：椭球，椭球壳

35

36 第一菲涅尔带 第二菲涅尔带

37 4.传播主区 最小菲涅尔区：第一菲涅尔带中面积占三分之一的空间区域，它对电波传播起主要作用，称此区域为传播主区。第一菲涅耳带半径F1，传播主带半径F0 第一菲涅尔带 最小菲涅尔带 传播主带 第一菲涅尔区 最小菲涅尔区 传播主区

38 4.第一菲涅耳带半径F1，传播主带半径F0 T R O 菲涅尔带划分图 第一菲涅尔带 传播主带

39 尽管在自由空间从波源O’辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看，可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔区。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。所以在实际的通信系统设计中，对第一菲涅尔区的尺寸非常关注

40 5.菲涅耳半波带半径与λ有关 菲涅耳半波带半径与λ有关,频率越高，波长越短，第一菲涅耳半波带半径越小，对应的第一菲涅耳区越细长。对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，几何光学(f→∞)中研究纯粹的射线传播，在同一均匀介质中光沿直线传播，在两种介质分界面上，发生反射和折射 f→∞

41 6.电波传播 电波传播的主要通道并不是一条直线，而是第一菲涅耳区，即使凹凸物遮挡住收发两点的几何射线，只要电波传播的主要通道（第一菲涅耳区）没有全被遮挡住，则接收点可以接收到信号，此时，电波不是沿直线传播，而是沿曲线传播，偏离直线方向，称为电波的绕射 在地面的障碍物高度一定的情况下，频率越低，波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积越小，绕射能力越强 图8―3―4 不同波长的绕射能力

42 6.电波传播 电波传播的主要通道并不是一条直线，而是第一菲涅耳区即使凹凸物遮不挡住收发两点的几何射线，只要障碍物进入第一菲涅耳区，则接收点的场强就会受到影响，此时，收发两点的不能视为自由空间传播。 反过来，当收发两点有障碍物，只要障碍物未进入第一菲涅耳区，这是，即使有障碍物存在，电波也可以当作是自由空间中传播，既可以用（8.2.1）计算场强 7.电波传播的主要对象： 研究在各种媒质中各个频段的电磁波传播效应

43 实际上，电磁信号在各种特定的媒质中传播的过程，除了以上所介绍的基本特性之外，还可能遭受衰落，反射和折射，极化偏移，干扰和噪声，时、频域畸变等效应，并因此而具有复杂的时空频域变化特性。这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产生严重的影响，因此各种媒质中各频段电磁波的传播效应是电波传播研究的主要对象。鉴于本书篇幅有限，将只对地面波传播、天波传播、视距传播和地面移动通信中接收场强的预测进行初步的探讨。至于更深入的研究，读者除了查阅有关电波传播的专著之外，国际无线电咨询委员会（CCIR）的有关报告或建议也会提供专门的资料。

44 作业：10-1，10.2，10.3，10.4，10-5 ,10-6 谢谢！

45 集中辅导时间： 19周 周四 上午：9：00－11： 下午：3：00－5：30 19周 周五 上午：9：00－11： 下午：3：00－5：30 20周 周一 上午：9：00－11： 下午：3：00－5：30 一教四楼 电磁场与微波技术教学部