無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響

2019-11-05 02:38:42

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　　在微波的傳輸過(guò)程中，除了大氣，氣候?qū)ζ鋫鞑ギa(chǎn)生影響以外，地面的影響也是較大的，主要表現(xiàn)在這幾方面：
　　
　　樹(shù)林，山丘，建筑物等建筑物能夠阻擋一部分電磁波的射線，從而增加了損耗；平滑的地面和水面可以將一部分的信號(hào)反射到接收天線上，反射波與入射波疊加后，有可能相互抵消而產(chǎn)生損耗；有些時(shí)候地面上沒(méi)有明顯的障礙物，此時(shí)主要是反射波對(duì)直射波產(chǎn)生的影響，反射是電平產(chǎn)生衰落的主要因素。
　　
　　地面反射的影響（一）
　　
　　無(wú)線電波在傳輸過(guò)程中，我們都認(rèn)為自由空間是均勻的介質(zhì)。然而實(shí)際上，電磁波傳輸?shù)膶?shí)際介質(zhì)是大氣層，而大氣是在不斷變化的，這種變化對(duì)微波的傳輸會(huì)產(chǎn)生影響的，非凡是距地面約10km以下的被稱為對(duì)流層的低層大氣層對(duì)微波的傳輸影響最大。因?yàn)閷?duì)流層集中了大氣層質(zhì)量的3/4，當(dāng)?shù)孛媸芴?yáng)照射溫度上升時(shí)，地面放出的熱量使低層大氣受熱膨脹，因而造成了大氣的密度不均勻，于是產(chǎn)生了對(duì)流運(yùn)動(dòng)。在對(duì)流層中，大氣成分，壓強(qiáng)，溫度，濕度會(huì)隨著高度的變化而變化，會(huì)使得微波產(chǎn)生吸收，反射，折射和散射等影響。
　　
　　大氣吸收衰減
　　　無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖一）

無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖一）

　　
　　我們知道，任何物體都是由帶電的粒子組成，這些粒子都有其固定的電磁諧振頻率。當(dāng)通過(guò)這些物質(zhì)的電磁頻率接近這些諧振頻率時(shí)，這些物質(zhì)對(duì)微波就會(huì)產(chǎn)生共振吸收。大氣中的分子具有磁偶極子，水蒸氣分子具有電偶分子，它們能從微波中吸收能量，使微波產(chǎn)生衰減。
　　
　　一般說(shuō)來(lái)，水蒸氣的最大吸收峰在λ=1.3cm處，氧分子的最大吸收峰則在λ=0.5cm處。對(duì)于頻率較低的電磁波，站與站之間的距離是50km以上時(shí)，大氣吸收產(chǎn)生的衰減相對(duì)于自由空間產(chǎn)生的衰減是微不足道的，可以忽略不計(jì)。
　　
　　雨霧衰減
　　
　　由于雨霧中的小水滴會(huì)使電磁波產(chǎn)生散射，從而造成電磁波的能量損失，產(chǎn)生散射衰減。一般來(lái)講，10GHz以下頻段雨霧的散射衰耗并不太嚴(yán)重，通常50km兩站之間只有幾分貝。但若在10GHz以上，散射衰耗將變得嚴(yán)重，使得站與站之間的距離受到散射的限制，通常只有幾公里。
　　
　　地面反射的影響（二）
　　
　　根據(jù)惠更斯-費(fèi)涅耳原理，在電波的傳輸過(guò)程中，波陣面上的每一點(diǎn)都是一個(gè)進(jìn)行二次輻射的球面波的波源，這種波源稱為二次波源。而空間任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)都是由包圍波面的任意封閉曲面上各點(diǎn)的二次波源發(fā)出的波在該點(diǎn)相互干涉，疊加的結(jié)果。顯然，封閉曲面上各點(diǎn)的二次波源到達(dá)接收點(diǎn)的遠(yuǎn)近不同，這就使得接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的大小發(fā)生變化，為了分析這種變化我們引入費(fèi)涅耳區(qū)的概念。
　　
　　由圖可見(jiàn)r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差Δr=nλ/2。顯然當(dāng)Δr是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，反射波和直射波在R點(diǎn)的作用是相同的且是最強(qiáng)的，此時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)得到加強(qiáng)；而Δr為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍長(zhǎng)時(shí)，反射波在R點(diǎn)的作用是相互抵消的，此時(shí)R點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)最弱。我們就把這些n相同的點(diǎn)組成的面稱為費(fèi)涅耳區(qū)。費(fèi)涅爾區(qū)的概念對(duì)于信號(hào)的接收，檢測(cè)，判定有重要的意義。
　　　無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖二）

無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖二）

　　費(fèi)涅耳區(qū)
　　
　　對(duì)流層對(duì)電波的影響
　　
　　我們知道，電磁波在自由空間中的傳播速度是v＝c＝30萬(wàn)公里/秒。在真實(shí)的大氣中，電波在自由空間中的傳播速度c與在大氣中的傳播速度之比被稱為折射率。折射率受大氣壓力，溫度，濕度的不同而會(huì)變化。由于大氣的折射作用，實(shí)際的電波不再是按直線傳播，而是按曲線傳播，根據(jù)折射效果的不同可以分成正折射，負(fù)折射和無(wú)折射。正折射有可以分成標(biāo)準(zhǔn)折射，臨界折射和超折射。
　　
　　無(wú)折射就是大氣的折射率不隨大氣的垂直高度變化而變化。負(fù)折射顧名思義就是由于折射率隨高度增加而增加，使得電波的傳播方向與地球的彎曲的方向相反。正折射的意思當(dāng)然是恰恰相反。
　　　無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖三）

無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖三）

　　折射的分類
　　
　　電波衰落之源
　　
　　微波在空間傳輸中將受到大氣效應(yīng)和地面效應(yīng)的影響，導(dǎo)致接收機(jī)接收的電平隨著時(shí)間的變化而不斷起伏變化，我們把這種現(xiàn)象稱為衰落。
　　
　　衰落的大小與氣候條件，站距的長(zhǎng)短有關(guān)。衰落的時(shí)間長(zhǎng)短不一，程度不一。有的衰落持續(xù)時(shí)間很短，只有幾秒鐘，稱之為快衰落；有的衰落持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，幾分鐘甚至幾小時(shí)則稱之為慢衰落。衰落的出現(xiàn)將使得信號(hào)發(fā)生畸變。接收電平低于自由空間傳播電平的稱之為下衰落。而接收電平高于自由空間的傳播的電平時(shí)，則稱為上衰落。顯然慢衰落和下衰落對(duì)微波通信有很大的影響。
　　
　　從衰落的物理因素來(lái)看，可以分成以下幾種類型：
　　
　　吸收衰落。就是大氣中的氧分子和水分子能從電磁波吸收能量，這就導(dǎo)致微波在傳播的過(guò)程中的能量損耗而產(chǎn)生衰耗。
　　
　　雨霧引起的散射衰落。這是由于雨霧中的大小水滴能夠散射電磁波的能量，因而造成電磁波的能量損失而產(chǎn)生衰落。
　　
　　 K型衰落。這是由于多徑傳輸產(chǎn)生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到達(dá)接收端時(shí)，由于行程差，使它們的相位不一樣，在疊加時(shí)產(chǎn)生的電波衰落。由于這種衰落與行程差Δr有關(guān)，而Δr是隨大氣的折射參數(shù)K值的變化而變化的，故稱為K型衰落。這種衰落在水面，湖泊，平滑的地面時(shí)顯得非凡嚴(yán)重。除了地面的反射以外，大氣中有時(shí)出現(xiàn)的突變層也能對(duì)電磁波產(chǎn)生反射和散射，也可以造成電波的多徑傳輸，在接收點(diǎn)產(chǎn)生干涉型衰落。
　　
　　波導(dǎo)型衰落。由于氣象的影響，大氣層中會(huì)形成不均勻的結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波通過(guò)這些不均勻?qū)訒r(shí)將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象，稱為大氣波導(dǎo)傳播。若微波射線通過(guò)大氣波導(dǎo)，而收，發(fā)兩點(diǎn)在波導(dǎo)層外，如下圖所示。則接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度除了有直線波和地面反射波以外，還有“波導(dǎo)層”以外的反射波，形成嚴(yán)重的干擾型衰落，造成通信的中斷。
　　無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖四）

無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)：地面反射對(duì)微波傳播的影響（圖四）

　　閃爍衰落。對(duì)流層中的大氣常發(fā)生的體積大小不等，無(wú)規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng)，這些稱為大氣湍流。大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電系數(shù)ε與四周的不同。當(dāng)微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來(lái)時(shí)，將使電波向四周輻射，形成對(duì)流層散射。此時(shí)接收點(diǎn)也可以接收到多徑傳來(lái)的這種散射波，它們的振幅和相位是隨機(jī)的，這就使接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的振幅發(fā)生變化，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產(chǎn)生的，因此稱之為閃爍衰落。這種衰落持續(xù)時(shí)間短，電平變化小，一般不會(huì)造成通信的中斷。
　　
　　大氣波導(dǎo)傳播
　　
　　抗衰落技術(shù)
　　
　　分集接收就是采用兩種或兩種以上的不同的方法接收同一信號(hào)，以減少衰減帶來(lái)的影響，是一種有效的抗衰落的措施。其基本思想是將接收到的信號(hào)分成多路的獨(dú)立不相關(guān)信號(hào)，然后將這些不同能量的信號(hào)按不同的規(guī)則合并起來(lái)。分集依目的分可以為宏觀分集（macroscopic）和微觀（microscopic）分集。宏觀分集是以克服長(zhǎng)期衰落為目的的。按信號(hào)的傳輸方式可以分為顯分集和隱分集兩種。顯分集指的是構(gòu)成明顯分集信號(hào)的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號(hào)的分集。隱分集：分集作用含在傳輸信號(hào)中的方式，在接受端利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集，它包括交織編碼技術(shù)，跳頻技術(shù)等。隱分集一般用在數(shù)字移動(dòng)通信中。顯分集包括以下幾種：
　　
　　利用地形無(wú)源反射器反抗衰落。在微波路由設(shè)計(jì)中，我們可以利用地形地物來(lái)阻擋反射波，使反射波不能直接到達(dá)接收機(jī)，從而達(dá)到減少衰落的目的。同時(shí)，也可以用無(wú)源反射器來(lái)改變微波的射線方向，繞開(kāi)障礙物，達(dá)到克服繞射衰落。
　　
　　極化分集。通過(guò)發(fā)射端的天線發(fā)射兩個(gè)極化垂直的信號(hào)，接收端分集接收，這樣可以在一定程度上減少多徑的影響。不過(guò)，極化會(huì)產(chǎn)生3db的衰減。因?yàn)榘l(fā)射端必須將能量分到兩個(gè)不同的極化天線。
　　
　　角度分集。當(dāng)工作頻率高于10GHz時(shí)，從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的散射信號(hào)產(chǎn)生從不同方向來(lái)的互不相關(guān)的信號(hào)。這樣在同一位置有指向不同方向的兩個(gè)或更多的有向天線能向合成器提供信號(hào)，達(dá)到克服衰落的目的。
　　
　　時(shí)間分集。即在不同的時(shí)間內(nèi)發(fā)相同的信號(hào)，接收信號(hào)是互不相關(guān)的。
　　
　　此外還有：
　　
　　（1）空間分集
　　
　　空間分集。在接收端架幾副高度不同的天線，利用電磁波到達(dá)各接收天線的不同行程來(lái)減少衰減。這種方法通常應(yīng)用在大通路的微波干線上。實(shí)踐表明，分集接收對(duì)相位干擾型衰落是非常有效的，但對(duì)繞射衰落，雨霧吸收衰落的反抗作用不明顯，這時(shí)只有依靠適當(dāng)改變天線增大發(fā)信功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　
　　（2）頻率分集
　　
　　頻率分集。用兩個(gè)以上的頻率同時(shí)傳送一個(gè)信號(hào)，在接收端對(duì)不同頻率的信號(hào)進(jìn)行合成，利用電磁波在不同頻率下的不同行程來(lái)減少或消除影響。這種方法效率較好，且只需一副天線，但在頻率十分緊張的無(wú)線頻段，頻率的使用效率就顯得不太高了。
　　
　　（3）自適應(yīng)均衡技術(shù)
　　
　　另外還有一種就是信道均衡技術(shù)。所謂均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性，用來(lái)抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的干擾。即通過(guò)均衡器消除時(shí)間和信道的選擇性。它用于解決符號(hào)間干擾的問(wèn)題，適用于信號(hào)不可分離多徑的條件下，且時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號(hào)的寬度。可分為時(shí)域均衡和頻域均衡兩種。頻域均衡指的是總的傳輸函數(shù)滿足無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件，即校正幅度特性和群時(shí)延特性。時(shí)域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無(wú)碼間干擾的條件，數(shù)字通信

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