1、電波傳播的幾個(gè)基本概念目前GSM和CDMA移動(dòng)通信使用的頻段為：GSM： 890 960 MHz， 1710 1880 MHzCDMA: 806 896 MHz806960 MHz頻率范圍屬超短波范圍；1710 1880 MHz頻率范圍屬微波范圍。電波的頻率不同，或者說(shuō)波長(zhǎng)不同，其傳播特點(diǎn)也不完全相同，甚至很不相同2.1自由空間通信距離方程設(shè)發(fā)射功率為PT，發(fā)射天線增益為GT，工作頻率為f .接收功率為PR，接收 天線增益為GR，收、發(fā)天線間距離為R，那么電波在無(wú)環(huán)境干擾時(shí)，傳播途中的電 波損耗L0有以下表達(dá)式：L0 (dB) = 10 Lg( PT / PR)=32.45 + 20 Lg f

2、 ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)舉例設(shè)：PT = 10 W = 40dBmw ； GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz問(wèn)：R = 500 m 時(shí)，PR = ？解答：(1) L0 (dB)的計(jì)算L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB) =32.45 + 65.62 - 6 - 7 -=78.07 (dB)(2)PR的計(jì)算PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.8

3、07 )=1 ( p W ) / ( 10 0.807 )=1 ( p W ) / 6.412=0.156 ( p W )=156 ( mp W ) #順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時(shí)，大約損失(1015) dB極限宣視距離超短波特別是微波，頻率很高，波長(zhǎng)很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地 表面波作較遠(yuǎn)距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來(lái)傳播的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間 波是在空間范圍內(nèi)沿直線方向傳播的波。顯然，由于地球的曲率使空間波傳播存在一個(gè)極限 直視距離Rmax。在最遠(yuǎn)直視距離之內(nèi)的區(qū)域，習(xí)慣上稱為照明區(qū)；極限直視距離Rmax 以外的區(qū)域，則稱為陰影區(qū)。不言而語(yǔ)，利用超

4、短波、微波進(jìn)行通信時(shí)，接收點(diǎn)應(yīng)落在發(fā)射 天線極限直視距離Rmax內(nèi)。受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax和發(fā)射天線與接收天線的高度HT與 HR間的關(guān)系為：Rmax = 3.57 VHT (m) + HR (m) (km)Rmax考慮到大氣層對(duì)電波的折射作用，極限直視距離應(yīng)修正為=4.12 VHT (m) + HR (m) (km)由于電磁波的頻率遠(yuǎn)低于光波的頻率，電波傳播的有效直視距離Re約為極 限直視距離Rmax的70%，即Re = 0.7 Rmax .例如，HT與HR分別為49 m和1.7 m,則有效直視距離為Re = 24 km .電波在平面地上的傳播特征由發(fā)射天線直接射到接收點(diǎn)的

5、電波稱為直射波；發(fā)射天線發(fā)出的指向地面的電 波，被地面反射而到達(dá)接收點(diǎn)的電波稱為反射波。顯然，接收點(diǎn)的信號(hào)應(yīng)該是直射波 和反射波的合成。電波的合成不會(huì)象1 + 1 = 2那樣簡(jiǎn)單地代數(shù)相加，合成結(jié)果會(huì)隨 著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，直射波 和反射波信號(hào)相加，合成為最大；波程差為一個(gè)波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)，直射波和反射波信號(hào) 相減，合成為最小?？梢?，地面反射的存在，使得信號(hào)強(qiáng)度的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜。 實(shí)際測(cè)量指出：在一定的距離Ri之內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度隨距離或天線高度的增加都會(huì)作起 伏變化；在一定的距離Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號(hào)強(qiáng)度將。單 調(diào)下降。理論計(jì)

6、算給出了這個(gè)Ri和天線高度HT與HR的關(guān)系式：Ri = （4 HT HR）/ l， l 是波長(zhǎng)。不言而喻，Ri必須小于極限直視距離Rmax電波的多徑傳播在超短波、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物（例如樓房、高大建筑 物或山丘等）對(duì)電波產(chǎn)生反射。因此，到達(dá)接收天線的還有多種反射波（廣意地說(shuō)， 地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象叫為多徑傳播。由于多徑傳輸，使得信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的空間分布變得相當(dāng)復(fù)雜，波動(dòng)很大，有的地方信 號(hào)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，有的地方信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減弱；也由于多徑傳輸?shù)挠绊懀€會(huì)使電波的極化方 向發(fā)生變化。另外，不同的障礙物對(duì)電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物 對(duì)超短波、微波的反射能力比磚

7、墻強(qiáng)。我們應(yīng)盡量克服多徑傳輸效應(yīng)的負(fù)面影響，這 也正是在通信質(zhì)量要求較高的通信網(wǎng)中，人們常常采用空間分集技術(shù)或極化分集技術(shù) 的緣由。電波的繞射傳播在傳播途徑中遇到大障礙物時(shí)，電波會(huì)繞過(guò)障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波 的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長(zhǎng)短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號(hào)強(qiáng) 度小，形成所謂的“陰影區(qū)”。信號(hào)質(zhì)量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關(guān)， 和接收天線與建筑物之間的距離有關(guān)，還和頻率有關(guān)。例如有一個(gè)建筑物，其高度為10 米，在建筑物后面距離200米處，接收的信號(hào)質(zhì)量幾乎不受影響，但在100米處，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)明顯減弱。注意，誠(chéng)如上面所說(shuō)過(guò)的那樣，減弱程度還

8、與 信號(hào)頻率有關(guān)，對(duì)于216223兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低16 dB,對(duì)于670兆赫的射頻信號(hào)，接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)建筑物時(shí)低20dB .如果建筑物高 度增加到50米時(shí)，則在距建筑物1000米以內(nèi)，接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)都將受到影響而減 弱。也就是說(shuō)，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號(hào)強(qiáng)度與通信質(zhì) 量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠(yuǎn)，影響越 小。因此，選擇基站場(chǎng)地以及架設(shè)天線時(shí)，一定要考慮到繞射傳播可能產(chǎn)生的各種不 利影響，注意到對(duì)繞射傳播起影響的各種因素。傳輸線的幾個(gè)基本概念連接天線和發(fā)射機(jī)輸出端（或接收機(jī)輸入端）的電纜稱為傳輸線或饋線。傳

9、輸線的主 要任務(wù)是有效地傳輸信號(hào)能量，因此，它應(yīng)能將發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)功率以最小的損耗傳送到 發(fā)射天線的輸入端，或?qū)⑻炀€接收到的信號(hào)以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，同時(shí)它本身 不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號(hào)，這樣，就要求傳輸線必須屏蔽。順便指出，當(dāng)傳輸線的物理長(zhǎng)度等于或大于所傳送信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí)，傳輸線又叫做長(zhǎng)線。傳輸線的種類超短波段的傳輸線一般有兩種：平行雙線傳輸線和同軸電纜傳輸線；微波波段的傳輸 線有同軸電纜傳輸線、波導(dǎo)和微帶。平行雙線傳輸線由兩根平行的導(dǎo)線組成它是對(duì)稱式或平 衡式的傳輸線，這種饋線損耗大，不能用于UHF頻段。同軸電纜傳輸線的兩根導(dǎo)線分別為 芯線和屏蔽銅網(wǎng)，因銅網(wǎng)接地，兩根導(dǎo)體對(duì)地不

10、對(duì)稱，因此叫做不對(duì)稱式或不平衡式傳輸線。 同軸電纜工作頻率范圍寬，損耗小，對(duì)靜電耦合有一定的屏蔽作用，但對(duì)磁場(chǎng)的干擾卻無(wú)能 為力。使用時(shí)切忌與有強(qiáng)電流的線路并行走向，也不能靠近低頻信號(hào)線路。傳輸線的特性阻抗無(wú)限長(zhǎng)傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0表示。同軸電纜的特性阻抗的計(jì)算公式為Z =60/ 8rXLog ( D/d )歐。式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑;d為同軸電纜芯線外徑; r為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。通常Z0 = 50歐，也有Z0 = 75歐的。由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介 電常數(shù) r有關(guān)，而與饋線長(zhǎng)短、工作頻率以及

11、饋線終端所接負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。饋線的衰減系數(shù)信號(hào)在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩 種損耗隨饋線長(zhǎng)度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線 長(zhǎng)度。單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù)P表示，其單位為dB / m （分貝/ 米），電纜技術(shù)說(shuō)明書上的單位大都用dB / 100 m （分貝/百米）.設(shè)輸入到饋線的功率為P1，從長(zhǎng)度為L(zhǎng) （m ）的饋線輸出的功率為P2，傳 輸損耗TL可表示為：TL = 10 XLg ( P1 /P2 )( dB )衰減系數(shù)為P = TL / L ( dB / m )例如，NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜，900MHz時(shí)衰

12、減系數(shù)為P = 4.1 dB / 100 m，也可寫成P = 3 dB / 73 m，也就是說(shuō)，頻率為900MHz的信號(hào) 功率，每經(jīng)過(guò)73 m長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率要少一半。而普通的非低耗電纜，例如，SYV-9-50-1，900MHz時(shí)衰減系數(shù)為P = 20.1 dB / 100 m，也可寫成P = 3 dB / 15 m，也就是說(shuō)，頻率為900MHz的信號(hào)功率，每經(jīng)過(guò)15 m長(zhǎng)的這種電纜時(shí)，功率就要少一半!匹配概念什么叫匹配？簡(jiǎn)單地說(shuō)，饋線終端所接負(fù)載阻抗ZL等于饋線特性阻抗Z0時(shí)， 稱為饋線終端是匹配連接的。匹配時(shí)，饋線上只存在傳向終端負(fù)載的入射波，而沒有 由終端負(fù)載產(chǎn)生的反射波，因此，當(dāng)天

13、線作為終端負(fù)載時(shí)，匹配能保證天線取得全部 信號(hào)功率。如下圖所示，當(dāng)天線阻抗為50歐時(shí)，與50歐的電纜是匹配的，而當(dāng) 天線阻抗為80歐時(shí)，與50歐的電纜是不匹配的。如果天線振子直徑較粗，天線輸入阻抗隨頻率的變化較小，容易和饋線保持匹配， 這時(shí)天線的工作頻率范圍就較寬。反之，則較窄。在實(shí)際工作中，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響。為了使饋線與天線良 好匹配，在架設(shè)天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)，或加裝匹配裝 置。I電痛 5(? fjhms50 ohms80 ohms反射損耗前面已指出，當(dāng)饋線和天線匹配時(shí)，饋線上沒有反射波，只有入射波，即饋線上 傳輸?shù)闹皇窍蛱炀€方向行進(jìn)的波。這時(shí)

14、，饋線上各處的電壓幅度與電流幅度都相等， 饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。而當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能 吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量將反射回去形成反射波。例如，在右圖中，由于天線與饋線的阻抗不同，一個(gè)為75 ohms, 一個(gè)為50 ohms , 阻抗不匹配，其結(jié)果是隹輸鯉50 oiims返回.4W天魏 75 ohms算射這里的反射損耗為10虹心30.4) = 14dS電壓駐波比在不匹配的情況下，饋線上同時(shí)存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相 同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax，形成波腹；而在

15、入射波和反射波相 位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Vmin，形成波節(jié)。其它各點(diǎn)的振幅值則 介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。反射鼓電壓利入射披電壓一幅度之比叫作反射系教，記為R反射波蝠度d NJK 入叛披幅度 (瓦+ W)波度電壓與波節(jié)電壓幅度之比林蘢文波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR波腹血壓幅度V,(1+R)VSWR =被節(jié)電壓福度V、(1-R)終端負(fù)載阻抗ZL和特性阻抗Z0越接近，反射系數(shù)R越小，駐波比VSWR越 接近于1,匹配也就越好。平衡裝置信號(hào)源或負(fù)載或傳輸線，根據(jù)它們對(duì)地的關(guān)系，都可以分成平衡和不平衡兩類。 若信號(hào)源兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡信號(hào)源，否則稱為不 平衡信號(hào)源；若負(fù)載兩端與地之間的電壓大小相等、極性相反，就稱為平衡負(fù)載，否 則稱為不平衡負(fù)載；若傳輸線兩導(dǎo)體與地之間阻抗相同，則稱為平衡傳輸線，否則為 不平衡傳輸線。在不平衡信號(hào)源與不平衡負(fù)載之間應(yīng)當(dāng)用同軸電纜連接，在平衡信號(hào)源與平衡負(fù) 載之間應(yīng)當(dāng)用平行雙線傳輸線連接，這樣才能有效地傳輸信號(hào)功率，否則它們的平衡 性或不平衡性將遭到破壞而不能正常工作。如果要用不平衡傳輸線與平衡負(fù)載相連接， 通常的辦法是在糧者之間加裝“平衡一不平衡”的轉(zhuǎn)換裝置，一般稱為平衡變