第三章 无线电波的传播与天线 - 图文(4)

2019-03-28 20:15

本节简要介绍超长波、长波、中波、短波和超短波传播的特点。由于超短波应用广泛,本节除介绍超短波的特点外,还重点介绍电波传播的主要空间区域和阻挡损耗的计算。下一节还要详细介绍城市环境下超短波的传播。

3.3.1超长波和长波传播的特点

1. 表面波传播模式

超长波和长波能以表面波模式进行传播,它们的绕射能力强,地面对它们的吸收很小,传播距离远。长波的低频部分和超长波,能渗入到地下或水下较深的地方,因此可采用来同潜入一定深度处的潜水艇进行单方向的联络,或将天线埋入地下,来收发表面波地下场分量实现通信。

超长波和长波传播的优点是信号稳定,多用在要求信号稳定可靠的国际越洋电报、远程导航、气象预报和报时等方面。超长波和长波的主要缺点是波段范围很窄,容纳不下大量电台。同时,雷电能量在这两个波段最强,干扰最大。

2. 天波传播模式

稳定的D层(在白天)或E层(在夜间)能反射超长波和长波,而且穿入电离层的深度很浅,被电离层吸收的能量很小。利用电波在电离层下缘和地面之间的多次反射可实现超远距离传播。天波传播模式同时具有表面波传播模式的优缺点。

3.3.2中波传播的特点

1. 表面波传播模式

中波传播的模式以表面波为主。由于地面对中波的吸收比对长波的大,中波的表面波模式传播的距离近。对中等功率的电台来说,中波的表面波模式能传播几百公里。

中波传播具有稳定可靠的优点。中波广播广泛地应用在中程导航和广播方面。

2. 天波传播模式

在白天,中波能穿透D层,并深入到E层后才被反射,天波受到电离层的强烈吸收,不能用来有效地传播信号。在夜间,D层消失了,天波被电离层吸收的能量少,可传播到比表面波传播模式更远的地区。中波收音机,晚上能听到很多白天听不到的电台,就是由于夜间形成了天波的传播模式。

3.3.3短波传播的特点

1. 天波传播模式

短波传播模式以天波为主,短波的天波主要靠F2层反射。低仰角辐射的天波,经电离层一次反射后可传输4000km。只要发射功率足够大,利用天波的多次跳跃,甚至可以环球传播。中距离传播时,利用高仰角辐射的天波可保证300km范围的地区都能收到信号。近距离传播时,也可利用表面波传播模式,此时信号稳定可靠,但传播距离很难超出50km。

天波传播模式的主要缺点是:

(1)、受电离层的影响特别大。要想使天波传播得好,必须根据电离层随昼夜、季节、年份等的变化规律,正确选择工作频率。

(2) 、衰落现象比较严重。天波传播受多径传播和频率选择性的影响,会出现严重的多径衰落和频率选择性衰落,使收到的信号时有时无或严重失真。采用自动增益控制和分集接收等技术可减轻衰落的影响。

(3) 、短波传播有时会形成静区,静区是表面波传播模式达不到而天波又越过了的通信盲区。增大发射功率或高仰角辐射天波,可减小或消除静区。

短波传播的主要优点是传播距离远。在军事上可用于飞机与地面或地面与地面间的通信。在民用上可用于无线传真、电报、电话和广播。

3.3.4超短波传播的特点

3.3.4.1电波传播的主要空间区域

超短波传播的模式为空间波。空间波传播模式受到地形和地物影响大,因此我们首先研究电波传播的主要空间区域。

根据惠更斯—菲涅尔原理,如果封闭面S内无场源,则封闭面S内任意点P的场可表式为

????1?E???A?Ep??(E?A)ds ? rs04??n?n即观测点P的场强可根据闭合面

?S上的场强和外法线n方向的偏微分求得,与封闭面S外的场源无关。为了便于计算,选封闭面S由与场源连线垂直的无限大平面S0和以S0为底的无限大半圆球S∞(S∞将观测点P包围于其中)组成,见图3.13所示。则上式变为

图3.13 S面由S0面和S∞面组成

?1?Ep??4?????E1??A(E?A)ds??s0?n?n4?????E??A?s?(E?n?A?n)ds?n

r???时,上式第二项为零,于是

?1?Ep??4?????E??A?s0(E?n?A?n)ds

将上式简化,并令P点位于接收点R,则 ???jc??EP?ER???1s0??e?jk(???)cos?d?

由上式可见:

(1)当(ρ+r)有较小变化时,相位因子k(ρ+r)就显著改变,而ρr和cosθ变化不大。故可推知积分面S0内各部分对积分值的贡献不一样。

(2)当ρ=ρ0,r=r0时,cosθ/ρr有极大值。ρr和θ越大,cosθ/ρr就越小。这表明平面S0内在ρ=ρ0,r=r0附近的部分对积分值的贡献大,ρr越大的部分贡献越小。因此,收发区间的直视区域就是空间波传播的主要区域。这是无线传播电路设计中应特别关注的部分。

现将S0按规定方式划分成许多圆带,这些小圆带的面积一次为S1、S2?Si?Sn,小圆带到T、R的距离分别为ρi、ri,如图3.14所示。若

?1?r1?(?0?r0)??2x ρ3 r3 r2 ρ1 T ρ0 r1 r0 R z ?2ρ2

?2?r2?(?0?r0)?2??i?ri?(?0?r0)?i??2 ?2?n?rn?(?0?r0)?n?

y 图3.14 菲涅尔带的确定 则

?jc?ER?[?1e?jk(?1?r1)?s1?1r11cos?1ds1??1s2?2r2e?jk(?2?r2)cos?2ds2??

+?sn?nrne?jk(?n?rn)cos?ndsn]

上面划分这些圆带称为菲涅尔带。显然,在相邻带边界处的二次源在接收点R建立反相波场,故上式变换为

?ER?E1?E2?E3??En

?E12?(E12?E2?E32)?(E32?E4?E52)??

?11ER?E1 且E1?ER?E1

22因此,第一菲涅尔区实质上是参与电波传播过程中最主要的空间区域。计算知,第n个菲涅尔带半径为

Fn?(n??0r01?0?r0)2

若?0?r0?D2,n=1,则第一菲涅尔带半径为

F1?12?D

由上式可见,λ越大,F1越大,电波传播占用的空间区域越大。λ→0时,F1→0,这可用于解释光的直线传播。

3.3.4.2阻挡损耗的计算

从理论上计算阻挡损耗较复杂。下面给出工程计算公式:

1. 刃形阻挡损耗的计算

Gd(dB)?0 v≤-1

Gd(dB)?20log(0.5?0.6v) -1≤v≤0 Gd(dB)?20log[0.5exp(?0.95v)] 0≤v≤1 Gd(dB)?20log[0.4?0.1184?(0.38?0.1v)] 1≤v≤2.4

2Gd(dB)?20log(0.225v) v≥2.4

2(?0?r0)v?h??0r0, ??h(?0?r0?0r0)

图3.15给出了不同情况下,α,v和h的意义。

α和v是正值,而h也是正值

α和v等于0,h等于0

α和v是负值,而h也是负值

图3.15 菲涅尔区对不同刃形绕射情况的影响

2. 球形地面的影响

假设地面上A、B两点间凸起的高度为Hb,见图3.15所示。由几何关系得

hb/d1?d2/DE

∵AB?2πa

∴d1?r1,d2?r2,DE?2a,Hb?d1d2/2a 若地面上的山高为hs,见图3.16。


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