电磁波的传播特性

null课程名称课程名称第2部分、电磁波的传播特性主要内容电磁场与电磁波 电磁波的传输特性 传输损耗 衰落 多普勒频移 无线通信系统 噪声与干扰主要内容一、电磁场和电磁波一、电磁场和电磁波电磁场理论 1864年：麦克斯韦（英）发了电磁场理论，并预言电磁波的存在。 1887年：德国人赫兹设计出了世界上第一副无线电天线，并通过实验证实 了1864年麦克斯韦关于存在电磁波的预言。 这一理论的研究和应用使人类通信发生了革命性的突破，无线通信的应用彻底改变了人类的通信方式，其中最重要的两点： 移动通信：摆脱了线路的束缚，真正实现了无处不在的通信。 太空通信：为人类实现太空探索提供了通信手段。 无线通信技术实际上就是研究电磁波传输的技术，而无线通信技术又是移动通信技术的技术基石，作为一个从事移动通信专业的技术人员必须对电磁场和电磁波技术的基本概念有所了解。电磁场和电磁波的研究是一项非常复杂的技术，这里仅仅介绍一些非常简化的电磁波的最基本的概念。一、电磁场和电磁波一、电磁场和电磁波电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 第一个方程表示静电场是有源的。 第二个方程表示磁场是无源的。 第三个方程表示变化的磁场可以产生感应电场。 第四个方程表示变化的电场可以产生磁场。一、电磁场和电磁波一、电磁场和电磁波电磁波 从科学的角度来说，电磁辐射是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波，电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。 电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。 光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射和吸收等现象。 电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。一、电磁波和电磁波一、电磁波和电磁波如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。二、电磁波的传播特性二、电磁波的传播特性无线通信中经常会提到“射频”，射频就是射频电流，简称RF，它是一种高频交流变化电磁波的简称。 在电磁波频率低于100KHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。 但电磁波频率高于100KHz时，电磁波可以在空气中传播，形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。 我们有时也把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信号。 电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。 趋肤效应 自由空间损耗 吸收 反射二、电磁波的传播特性二、电磁波的传播特性趋肤效应 射频信号不是存在于导体中就是以波的形式存在于自由空间中。当射频信号存在于导体中时，它只是存在于导体的表面。如果将射频信号放在一个球形的实心导体上，那么它只出现在该导体的表面，不会进入里面，如果可以将一个检测器放在球里面，它将检测不到射频信号的存在。射频信号所呈现的这种行为称为“趋肤效应”。 二、电磁波的传播特性二、电磁波的传播特性自由空间损耗 一旦射频信号逃离导体边界飞翔在自由空间中形成电磁波，它们将经受所谓的自由空间损耗。电磁波的损耗与我们学习过的电路损耗是不同的，从“路”的概念发展到“场”的概念。 以光为例子来进行分析，打开一个手电筒的电源开关后，光从手电筒射出后开始发散。如果将食指和拇指搭成一个圆圈放在手电筒跟前，几乎所有的光线都可以从圆圈中通过。但当这个圆圈离开手电筒一定距离之后，部分光线就不会从圆圈中通过了，实质上，所有的光仍然在那里，只不过发散的范围更大了。把这个圆圈想像成一个接收机，离得越远，所接收的光（信号）就越少。所以对于接收机来说，类似于要接收从手电筒（发射机）发射出的光。距离远的接收机接收的信号功率仅仅是发射机辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了，这就是自由空间损耗的概念。二、电磁波的传播特性二、电磁波的传播特性吸收 除了自由空间损耗以外，射频信号在空间传播所遇到的任何东西都会使射频信号发生一定形式的变化。这些变化归为两种：变得更小（吸收）或者改变传播方向（反射）。 射频所遇到的很多物体都会使射频信号变得更小，包括空气、雨雪、玻璃、墙、木头甚植物。我们可以把这些物体看成具有一定插入损耗的某种类型的无源器件，这些物体所表现出来的插入损耗称为吸收，因为它们吸收了射频信号。 射频信号穿过物体损失的能量到哪里去了？它们被物体吸收并变成热量了！物体会变暖，当然它的温度变化很小，我们很难测量得到。 我们日常生活使用的微波炉恰恰是利用了射频信号的吸收来工作的。二、电磁波的传播特性二、电磁波的传播特性反射 不是所有东西遇到电磁波后都要吸收射频能量。 有的东西遇到射频后会改变射频信号的方向，这种方向的改变叫做反射。般，射频信号会以遇到物体时相反的角度反射回去，就像光在镜子表面的反射一样。 反射与两个因素有关：射频频率和物体的材料。有些材料只是以一定程度反射射频信号（还有一部分被吸收），如混凝土，而有些材料会发生完全反射，如金属导体。三、传输损耗三、传输损耗移动通信系统的无线传播主要是利用了电磁波的直达波和反射波。 在设计移动通信系统或对移动通信系统的覆盖进行分析时，研究电磁波的传播是非常重要的，这主要有以下两个原因： 第一，用于计算不同覆盖小区的信号强度。在大多数情况下，每个覆盖区域从几百米到几公里，覆盖信号包括直达波和反射波。 第二，用于计算相同和相邻信道之间的干扰。移动通信系统由于采用频率复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问。三、传输损耗三、传输损耗传播损耗 在研究电磁波传播时，收信机接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号会减小，这种信号强度的减小称为传播损耗。 研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下的特性。以理想全向天线为例，自由空间的传播损耗为： 上式表明，自由空间损耗与距离d的平方成正比，当d增加1倍时，自由空间路径损耗增加6dB（4倍）。同时，与频率f的平方成正比。三、传输损耗三、传输损耗四、衰落四、衰落四、衰落四、衰落慢衰落 大量研究结果表明，移动台接收的信号场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落。它主要是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，接收场强中值就会变化，变化的大小取决于障碍物状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与移动台的速度有关。四、衰落四、衰落快衰落 在一个典型的无线移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径很可能被建筑物或其它物体所阻碍，所以在无线基站与移动台之间的通信不都是通过直达路径而是还通过许多其它路径完成的。在微波频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面或从人工自然物体的反射。 到达接收机的所有信号分量合成产生一个合成波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。合成场强在移动几个车身长的距离中可能会有20 ~ 30dB（100~1000倍）的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，多径衰落在性质上属于一种快速变化。四、衰落四、衰落五、多普勒频移五、多普勒频移快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为如果移动台在高速运动时接收和发送信号，将导致信号频率发生偏移而影响通信，多普勒频移符合下面的公式： fI为合成后的频率，fO为工作频率，fD为最大多普勒频移，θI为多径信号合成的传播方向与移动台行进方向的夹角，v为移动台的运动速度，λ为波长。当移动台快速远离基站时，fI = fO - fD；当移动台快速靠近基站时，fI = fO + fD。当运动速度很快时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高多普勒频移越大。六、无线通信系统六、无线通信系统无线通信是以电磁波为信息载体的通信技术，即利用电磁波的辐射和传播特性经过空间进行信息传送的通信方式为无线通信（Radio Communication）。利用无线通信技术组成的通信系统就是无线通信系统。其主要特点如下： 无线通信系统是一个开路系统，信息的载体是电磁波，电磁波传输不需要 介质，可在自由空间传播，这是无线通信与有线通信的最大区别。 电磁波的频率资源非常有限，并且由ITU（国际电信联盟）按照业务和应用 进行了严格的频段划分。 无线通信初创时期使用的频率较低，频率范围较窄，波段主要限于长波和 中波。随着通信技术的不断进步，使用的频率范围逐步扩大。目前无线通 信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段，包括亚毫米波以下以至光波。 移动通信主要使用微波频段，目前使用300 ~ 3000MHz的分米波，比如 GSM使用900MHz和1800MHz频段。 七、噪声与干扰七、噪声与干扰信道对信号传输的限制除了损耗和衰落之外，另一个重要的限制因素是噪声与干扰。 噪声又可分为内部噪声和外部噪声，外部噪声包括自然噪声和人为噪声。 干扰指无线电台间的相互干扰，包括电台本身产生的干扰，如同频干扰、邻频干扰、互调干扰以及由于远-近效应引起的近端对远端信号的干扰等。 因此，进行移动信道设计时，必须研究噪声和干扰的特征以及它们对信号传输的影响，并采取必要以减小它们对通信质量的影响。