微波电路设计基础学习知识Word格式.docx
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Lkm-------T和R间的距离。
（单位为Km）
λ------传播电波的波长（单位为米）。
fMHz,fGHZ-------传播电波的频率，单位分别为MHZ、和GHZ
设发信功率Pt=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km，收发天线增益Gt＝Gr＝39dB，收发两端馈线系统损耗Lft＝Lfr＝2dB，收发两端分路系统损耗Lbt＝Lbr＝1dB。
求：
在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。
解：
Pt=10lg1000mW＝30dBm
在自由空间传播条件下，自由空间传播损耗：
Ls（dB）=92.45.4+20lg45+20lg3.8≈137dB
Pr（dBm）＝Pt（dBm）+（Gt+Gr）－（Lft＋Lfr）－（Lbt＋Lbr）－Ls
=30+（39+39）-（2+2）-（1+1）-137
=-35dBm
Pr（mW）=10-35/10=0.00032mW=0.32μW
2.2、费涅耳区半径
惠更斯原理：
光和电磁波都是一种振动，振动源周围的媒质是有弹性的，一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为在媒质中传播的波。
根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。
而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。
显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，分析这种变化引入费涅耳区的概念。
由图可见r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差Δr=nλ/2。
显然当Δr是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；
而Δr为半波长的偶数倍长时，反射波在R点的作用是相互抵消的，此时R点的场强最弱。
我们就把这些n相同的点组成的面称为费涅耳区,费涅耳区就是以收发点为焦点的一系列椭球面所包围的空间。
费涅耳区上一点P到收发点连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用Fn表示。
2.2.1、第一费涅耳区半径
当n=1时，F1称为第一费涅耳区半径。
式中：
F1------第一费涅耳区半径，m；
λ------工作波长，m；
d------收发天线之间的距离为，Km;
d1、d2------分别为障碍点与收发天线之间的距离，Km；
2.2.2、最小费涅耳区半径
理论证明，在相当于第1费涅尔区面积1/3的圆孔就能获得自由空间传播。
F0代表该圆孔的半径，称为最小费涅尔区半径。
Fo------称为最小费涅尔区半径，m；
f------工作频率，GHz；
第一费涅尔半径F1和最小费涅尔半径F0是微波通路勘测中两个重要的物理参量,F0被称为障碍物禁区。
显然，当波长λ和距离d一定时，F0与d1、d2的位置有关，且中点（d1=d2）处的F0最大。
3、余隙
3.1、余隙
传播余隙是指在微波传播路径的剖面图上，收发两点的连线与最高障碍物顶点之间的距离。
如下图所示，hc即为余隙。
从图中几何关系可知，收发两点的连线在障碍点的高度h为：
h＝
考虑地球凸起he后，余隙hc等于：
a----为地球半径，单位为米。
H3—为微波中继剖面中，障碍点顶端的海拔标高；
4、大气折射
4.1、大气折射
从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。
对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层。
对流层集中了整个大气质量的四分之三。
对流层的大气压力、温度及湿度都随离开地面的高度而变化、是不均匀的，会使电波产生折射。
由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。
折射率梯度
折射率梯度表示折射率随高度的变化率。
折射率梯度不同，对流层中电波传播路径有如下三种类型：
1、零折射：
折射率
＝0，对流层大气为均匀大气，电波射线为直线，射线的曲率半径为∞；
2、负折射：
＞0，折射率随高度增加而增加，上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，电波传播的轨迹向上弯曲与地面的弯曲反向，称为负折射；
以上两种情况很少发生。
3、正折射：
＜0，折射率随高度增加而减小，上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，电波传播的轨迹向下弯曲与地面的弯曲同向，称为正折射。
正折射中又可根据特殊的折射率
分成三种特殊的折射：
（1）标准大气折射：
在正常标准大气下的折射；
（2）临界折射：
电波射线的曲率半径刚好等于地球的半径，水平发射的电波射线将与地球同步弯曲，形成一种临界状态；
（3）超折射：
电波射线的曲率半径小于地球曲率的为超折射,有逆温层（气温随高度增加）或水汽随高度急剧减小时，可以形成超折射。
此时电波从上层折回，再被下层反射，似在波导内传播一样，产生这种现象的空气层称为大气波导。
大气波导可在一个薄层内使电磁能向远方传播,这个薄层在对流层中可以是贴地面的,也可以是悬空的。
临界折射和超折射可使电波传播距离远远超过视距，特别是海上的大气波导，这也是有时能收到远地的超短波信号的主要原因。
4.2、等效地球半径
由上所述，由于大气的折射作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是按曲线传播的，但为了链路附加衰落因子计算方便，仍假设电波射线按直线传播，而认为地球半径有了变化，即由实际半径变为等效半径。
定义等效地球半径因子K为：
＝
ae等效地球半径；
a实际地球半径；
由上式可见：
负折射，折射率
＞0、K＜1，等效地球半径ae减小；
正折射，折射率
＜0、K＞1，等效地球半径ae增大；
4.3、等效地球凸起高度
不考虑地球折射时，地球凸起高度he=
考虑大气的折射作用后，等效地球凸起高度he：
he=
d1------记录点到起始点的距离,（Km）；
d2------记录点到终点距离，（Km）；
he等效地面突起的高度------由于大气折射而产生的等效地面突起的高度（m）。
K----为等效地球半径系数；
正常传输剖面图K=4/3，最坏气象传输剖面图KMIN=2/3；
a----为地球半径；
一般取a=6370km。
4.4、余隙计算
前面没有考虑大气折射时电波传播余隙hc等于：
考虑大气的折射作用后，等效地球凸起高度he有了变化，所以余隙hc也发生了变化：
hc—为中继剖面中，发收两点间射线中心线在障碍点上方的传播余隙；
单位为米。
H1——为中继剖面中，发端天线地面的海拔高度；
h1---发端天线中心对地面的挂高；
H2——为中继剖面中，收端天线地面的海拔高度；
h2---收端天线中心对地面的挂高；
d1——为中继剖面中，发端天线至障碍点的水平距离；
d2——为中继剖面中，收端天线R至障碍点的水平距离；
d—收发天线之间的距离d=d1+d2.
a----为地球等效半径，单位为米。
k----为地球等效半径系数，正常传输剖面图K=4/3，最坏气象传输剖面图KMIN=2/3
一般在图中无树木的地方要考虑另加3米灌木杂草高度的余量；
有树时也要根据出图日期，考虑一定的生长余量；
从上式可见：
等效地球半径系数K＞1正折射，等效地球半径变大，等效地面突起高度he减小，等效的余隙增大；
K＜1负折射，等效地球半径变小，等效地面突起高度he增大，等效的余隙hc减小；
5、大气造成的衰落
5.1、大气造成的衰落
微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，我们把这种现象称为衰落。
衰落的大小与气候条件，站距的长短有关。
衰落的时间长短不一，程度不一。
有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落；
有的衰落持续时间很长，几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。
衰落的出现将使得信号发生畸变。
接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。
而接收电平高于自由空间的传播的电平时，则称为上衰落。
显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。
从大气对电波的衰减的物理因素来看，有几种类型：
1、吸收衰落
大气中的云、雾、雨等小水滴对电波能量的热吸收以及水分子、氧分子对电波能量的谐振吸收，导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗；
云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收与小水滴的密度有关，例如大雨比小雨对电波的吸收要大。
谐振吸收与工作波长有关，水分子的谐振吸收发生在1.35cm
与1.6mm的波长上，氧分子的谐振吸收发生在5mm与2.5mm的波长上。
对于频率较低的电磁波，站与站之间的距离是50km以下时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。
2、K型衰落。
这是由于多径传输产生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差，使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落。
由于这种衰落与行程差Δr有关，而Δr是随大气的折射参数K值的变化而变化的，故称为K型衰落。
这种衰落在水面，湖泊，平滑的地面时显得特别严重。
3、由于雨雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰减。
此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。
由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。
这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不会造成通信的中断。
4、波导型衰落。
5.2、雨衰
当工作频率确定时，由于降雨越大衰减也越大，严重时可使电路严重误码甚至电路完全中断；
在建设微波中继电路中确定工作频率时，一定要考虑当地的降雨影响，要使电路有足够的抗衰落储备,保证使传递的接收信号电平即使电路遇上雨衰落时始终在门限电平以上。
根据工程中的相关经验，在了解了当地最大降雨强度和它的分布规律以后，根据站距长短必须校核计算，降雨引入的空间损耗最好不得因此将电路的传输储备降低到25dB以下。
雨衰耗-频率关系曲线
Rain---雨、降雨、Attenuation---衰减、Density---密度
Storm---暴风雨、shower---阵雨、drizzle---细雨
6、大地造成的衰落
大地衰减有两种：
地面上山丘、树林、建筑物等阻挡一部分电磁波的射线，造成的衰减。
典型的是刃型衰减；
大地反射造成衰减，如光滑/水网等强反射地面将微波信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗；
6.1.1、刃型障碍物的阻挡衰减
微波在传播路径上往往会遇到一个或多个障碍物为了估算这些障碍物的附加绕射损耗通常是将障碍物的形状理想化一种情况是当障碍物的厚度相对较窄时可假定为刃形障碍另一种情况是当障碍物的厚度相对较宽时可假定为扁平的物体并在顶部可定义出曲率半径这种障碍物称为非刃形障碍。
障碍物的厚度是在障碍物顶点向下等于Fo处，作一条与TR射线平行的直线，这条直线与障碍物的截线设为ro，当：
≥3
则视障碍物为理想刃型。
视距微波通信常常根据刃型障碍物的路径余隙hc的大小将线路分为三类：
（1）hc≥F0称为开路线路；
（2）0＜hc＜F0称为半开路线路；
（3）hc≤0称为闭路线路。
开线路附加衰落因子几乎为0，微波链路的传播损耗可以按照自由空间传播损耗计算。
微波链路设计追求的就是开线路；
半开路线路和闭路线路，因为刃形障碍物没有遮挡住所有的费涅耳区，有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡，电波能绕过刃形障碍物，使收信电平达到一定的数值。
半开路线路和闭路线路，附加损耗可由上图左半部所示的曲线查出。
也可按照绕射公式计算。
---------------
半开路线路和闭路线路
为负值，VdB随
增大而增大。
微波波长λ越小，Fo越小、hc/Fo越大、VdB越大。
所以微波传播几乎没有绕射能力，微波中继一般都按开线路设计。
例如，前面计算两个相距45km的微波链路，在仅计算了自由空间传播损耗的条件下得到接收机的输入电平Pr（dBm）=-35dBm
如果微波链路上有一个刃型障碍物，且余隙hc/Fo＝－1.5,查图，刃型障碍物对电波传播阻挡而产生的附加衰落因子＝-20dB
所以，接收机实际收信电平为：
pr（dBm）=－35dBm＋（－20）＝－55dBm
6.1.2、大地反射衰减
大地反射造成衰减，如图所示。
假设发射天线架高为H1，接收天线高度为H2。
直接波的传播路径为r1，光滑/水网等强反射地面的地面反射波的传播路径为r2、与地面之间的投射角为Δ。
收、发两点间的水平距离为d。
接收点场强应为直接波与地面反射波的叠加。
如果沿r1路径在接收点产生的场强振幅为E1，沿r2路径在接收点产生的场强振幅为E2，在传播路径远大于天线架高的情况下，两条路径之间的路程差为：
△r＝r2－r1≈
E1=E2时，接收点的总场强为：
可见接收点的总场强与直射波和反射波在到达接收端的行程差Δr有关，前面讲了Δr是随大气的折射参数K值的变化而变化的，所以接收端信号电平也随着变化。
这种由于多径传输产生的干涉型衰落称为多径衰落。
下图是垂直极化波在海平面上的干涉效应。
6.1.3、光滑地面判断准则――瑞利准则
假设地面的起伏高度为Δh，投射角为Δ，为了能近似地将反射波仍然视为平面波，即仍有足够强的定向反射，要求
上式即为判别地面光滑与否的依据，也叫瑞利准则。
当满足这个判别条件时，地面可被视为光滑；
当不满足这个判别条件时，地面被视为粗糙，反射具有漫散射特性，反射能量呈扩散性。
6.1.4、地面反射点
对准备建设的微波电路，首先要按设计程序选好路由，避免使线路穿越水网、湖面或海面等强反射区域，防止地面反射造成的干涉型衰落。
也可以利用地形地物来阻挡反射波，使反射波不能直接到达接收机，从而达到减少衰落的目的。
对光滑水网、沙漠等强反射地区可以通过改变通信两端的天线高度而使信号的反射点避开这些强反射源从而降低信号的多径衰落；
利用公式和“求反射点参数的图表”计算计算反射点：
C=（hT-hR）/（hT+hR）（假定hT＞hR）M=d2/（4ak）（hT+hR）
C和m为中间参数
hT,hR为收发天线的海拔高度（单位为米）
C和m,查“求反射点参数的图表”得b
利用下式得d1或d2
d1=d（1＋b）／2
d2=d－d1
其他，就必须考虑采用空间分集来克服由于地面的反射给中继电路带来的不稳定性。
在具体的电路中站距仅有仅有几公里时，根据经验可以不作此计算，可以仅仅考虑有足够的余隙即可满足设计要求。
6.1.5、余隙标准
对刃型障碍物余隙满足上述要求即可；
7、抗衰落技术
7.1.1、空间分集技术
目前在微波通信和卫星通信系统中，抗衰落的主要手段是采用分集技术。
分集就是指通过两条或两条以上途径（例如空间途径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。
微波通信常用的空间分集方式分为，空间分集发送和空间分集接收。
空间分集接收是指在空间不同的垂直高度上设置几副天线，同时接收一个微波信号，然后合成或选择其中一个强信号。
实践表明，分集接收对多径衰落是非常有效的，常常应用在大通路的微波干线上。
7.1.2、其他分集技术
频率分集。
用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用电磁波在不同频率下的不同行程来减少或消除影响。
这种方法效率较好，且只需一副天线，但在频率十分紧张的无线频段，频率的使用效率就显得不太高了。
极化分集。
通过发射端的天线发射两个极化垂直的信号，接收端分集接收，这样可以在一定程度上减少多径的影响。
不过，极化会产生3db的衰减。
因为发射端必须将能量分到两个不同的极化天线。
隐分集就是利用信号处理技术实现分集，如交织编码技术、FRC前向纠错技术，跳频技术等。
隐分集一般用在数字通信系统中。
另外还有一种就是信道均衡技术。
7.1.3、扩频通信
目前通信理论界和工程界都普遍认为，扩频通信是在信道技术上解决多径衰落的非常有效的手段。
伪随机码尖锐的自相关特性使各个多径信号完全独立。
理论上可以证明：
当多径时延超过一个码元码元宽度Tc时，多径信号与直接接收信号的相关系数为零，则完全可以作为噪声处理，对通信不造成影响。
另外，当码元Tc相当窄，且伪码码元很长时，系统的频谱很宽，反射回来的多径频率分量不可能同相到达接收点，所形成的多径干扰信号在相关检测中被减弱。
因此在一般常规通信中认为极难对付的多径干扰，在扩展频谱通信中得到了解决。
8、微波频率和极化选择
系统工作频率的选择受传输路径对电波的传输损耗及电波的衰落特性的制约。
大气中的电子、离子、氧分子、水蒸气、盐雾等对通信的影响较大，随着通信频率的增高以上各种因素对通信的影响会有所增加，同时多径衰落也相应增加。
因此系统的通信频率不宜太高。
另一方面，系统工作频率的提高，不仅使得通信设备及天线的尺寸可以小一些，电波的菲涅尔半径也要小一些，有利于实现微波开线路传输。
实际系统的工作频率需要综合系统的通信距离及系统的链路电平余量等要求作出选择，并结合已建通信线路的现状和当地条件综合考虑。
ITU-RS和我国有关的频段分配、频道配置的建议和规定如下。
工作频率GHZ
占用频段MHZ
容量（Mbit/s）
频带中心频率f0（MHZ）
工作波道数
第n波道中心频率fn和f’nMHZ
波道序号
n
1.5
1427～1530
2.048
2×
8.448
1478.5
24
12
6
fn=f0-51.5+n
f’n=f0+3.5+n
n=1,3,5…47
n=2,6,10…46
n=4,12,20…44
2
1700～1900
1808
fn=f0-108.5+14n
f’n=f0+10.5+14n
2490～2690
2586
1900～2300
2101
fn=f0-208+14.5n
f’n=f0+5+14n
34.368
fn=f0-208+29n
f’n=f0+5+29n
2300～2500
2394
40
20
fn=f0-87+n
f’n=f0+7+n
n=1,3,5…79n=1,5,9…77
4
3400～3800
139.264
3592.0
3800～4200
4003.5
5925～6425
6175
8
fn=f0-259.45+29.65n
f’n=f0-7.41+29.65n
6430～7110
6770
fn=f0-350+40n
f’n=f0-5+40n
7
7125～7425
7275
10
5
fn=f0-154+7n
f’n=f0+7+7n
n=1,2,3…20
n=1,3,5…19n=1,5,9…17
7425～7725
7575
7725～8275
8000
fn=f0-281.95+29.65n
f’n=f0+29.37+29.65n
8200～8500
8350
fn=f0-151.614+11.662n
f’n=f0
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