無線局域網基礎知識：地面反射對微波傳播的影響

2019-11-05 02:38:42

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　　在微波的傳輸過程中，除了大氣，氣候對其傳播產生影響以外，地面的影響也是較大的，主要表現在這幾方面：
　　
　　樹林，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生損耗；有些時候地面上沒有明顯的障礙物，此時主要是反射波對直射波產生的影響，反射是電平產生衰落的主要因素。
　　
　　地面反射的影響（一）
　　
　　無線電波在傳輸過程中，我們都認為自由空間是均勻的介質。然而實際上，電磁波傳輸的實際介質是大氣層，而大氣是在不斷變化的，這種變化對微波的傳輸會產生影響的，非凡是距地面約10km以下的被稱為對流層的低層大氣層對微波的傳輸影響最大。因為對流層集中了大氣層質量的3/4，當地面受太陽照射溫度上升時，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，于是產生了對流運動。在對流層中，大氣成分，壓強，溫度，濕度會隨著高度的變化而變化，會使得微波產生吸收，反射，折射和散射等影響。
　　
　　大氣吸收衰減
　　　無線局域網基礎知識：地面反射對微波傳播的影響（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。當通過這些物質的電磁頻率接近這些諧振頻率時，這些物質對微波就會產生共振吸收。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，使微波產生衰減。
　　
　　一般說來，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。對于頻率較低的電磁波，站與站之間的距離是50km以上時，大氣吸收產生的衰減相對于自由空間產生的衰減是微不足道的，可以忽略不計。
　　
　　雨霧衰減
　　
　　由于雨霧中的小水滴會使電磁波產生散射，從而造成電磁波的能量損失，產生散射衰減。一般來講，10GHz以下頻段雨霧的散射衰耗并不太嚴重，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）
　　
　　根據惠更斯-費涅耳原理，在電波的傳輸過程中，波陣面上的每一點都是一個進行二次輻射的球面波的波源，這種波源稱為二次波源。而空間任一點的輻射場都是由包圍波面的任意封閉曲面上各點的二次波源發出的波在該點相互干涉，疊加的結果。顯然，封閉曲面上各點的二次波源到達接收點的遠近不同，這就使得接收點的信號場強的大小發生變化，為了分析這種變化我們引入費涅耳區的概念。
　　
　　由圖可見r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差Δr=nλ/2。顯然當Δr是半波長的奇數倍時，反射波和直射波在R點的作用是相同的且是最強的，此時的場強得到加強；而Δr為半波長的偶數倍長時，反射波在R點的作用是相互抵消的，此時R點的場強最弱。我們就把這些n相同的點組成的面稱為費涅耳區。費涅爾區的概念對于信號的接收，檢測，判定有重要的意義。
　　　無線局域網基礎知識：地面反射對微波傳播的影響（圖二）

　　費涅耳區
　　
　　對流層對電波的影響
　　
　　我們知道，電磁波在自由空間中的傳播速度是v＝c＝30萬公里/秒。在真實的大氣中，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，濕度的不同而會變化。由于大氣的折射作用，實際的電波不再是按直線傳播，而是按曲線傳播，根據折射效果的不同可以分成正折射，負折射和無折射。正折射有可以分成標準折射，臨界折射和超折射。
　　
　　無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。正折射的意思當然是恰恰相反。
　　　無線局域網基礎知識：地面反射對微波傳播的影響（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和地面效應的影響，導致接收機接收的電平隨著時間的變化而不斷起伏變化，我們把這種現象稱為衰落。
　　
　　衰落的大小與氣候條件，站距的長短有關。衰落的時間長短不一，程度不一。有的衰落持續時間很短，只有幾秒鐘，稱之為快衰落；有的衰落持續時間很長，幾分鐘甚至幾小時則稱之為慢衰落。衰落的出現將使得信號發生畸變。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，則稱為上衰落。顯然慢衰落和下衰落對微波通信有很大的影響。
　　
　　從衰落的物理因素來看，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，這就導致微波在傳播的過程中的能量損耗而產生衰耗。
　　
　　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生衰落。
　　
　　 K型衰落。這是由于多徑傳輸產生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到達接收端時，由于行程差，使它們的相位不一樣，在疊加時產生的電波衰落。由于這種衰落與行程差Δr有關，而Δr是隨大氣的折射參數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，平滑的地面時顯得非凡嚴重。除了地面的反射以外，大氣中有時出現的突變層也能對電磁波產生反射和散射，也可以造成電波的多徑傳輸，在接收點產生干涉型衰落。
　　
　　波導型衰落。由于氣象的影響，大氣層中會形成不均勻的結構，當電磁波通過這些不均勻層時將產生超折射現象，稱為大氣波導傳播。若微波射線通過大氣波導，而收，發兩點在波導層外，如下圖所示。則接收點的電場強度除了有直線波和地面反射波以外，還有“波導層”以外的反射波，形成嚴重的干擾型衰落，造成通信的中斷。
　　無線局域網基礎知識：地面反射對微波傳播的影響（圖四）

　　閃爍衰落。對流層中的大氣常發生的體積大小不等，無規則的漩渦運動，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ε與四周的不同。當微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來時，將使電波向四周輻射，形成對流層散射。此時接收點也可以接收到多徑傳來的這種散射波，它們的振幅和相位是隨機的，這就使接收點的場強的振幅發生變化，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產生的，因此稱之為閃爍衰落。這種衰落持續時間短，電平變化小，一般不會造成通信的中斷。
　　
　　大氣波導傳播
　　
　　抗衰落技術
　　
　　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，以減少衰減帶來的影響，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分成多路的獨立不相關信號，然后將這些不同能量的信號按不同的規則合并起來。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期衰落為目的的。按信號的傳輸方式可以分為顯分集和隱分集兩種。顯分集指的是構成明顯分集信號的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號的分集。隱分集：分集作用含在傳輸信號中的方式，在接受端利用信號處理技術實現分集，它包括交織編碼技術，跳頻技術等。隱分集一般用在數字移動通信中。顯分集包括以下幾種：
　　
　　利用地形無源反射器反抗衰落。在微波路由設計中，我們可以利用地形地物來阻擋反射波，使反射波不能直接到達接收機，從而達到減少衰落的目的。同時，也可以用無源反射器來改變微波的射線方向，繞開障礙物，達到克服繞射衰落。
　　
　　極化分集。通過發射端的天線發射兩個極化垂直的信號，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，極化會產生3db的衰減。因為發射端必須將能量分到兩個不同的極化天線。
　　
　　角度分集。當工作頻率高于10GHz時，從發射機到接收機的散射信號產生從不同方向來的互不相關的信號。這樣在同一位置有指向不同方向的兩個或更多的有向天線能向合成器提供信號，達到克服衰落的目的。
　　
　　時間分集。即在不同的時間內發相同的信號，接收信號是互不相關的。
　　
　　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，利用電磁波到達各接收天線的不同行程來減少衰減。這種方法通常應用在大通路的微波干線上。實踐表明，分集接收對相位干擾型衰落是非常有效的，但對繞射衰落，雨霧吸收衰落的反抗作用不明顯，這時只有依靠適當改變天線增大發信功率來實現。
　　
　　（2）頻率分集
　　
　　頻率分集。用兩個以上的頻率同時傳送一個信號，在接收端對不同頻率的信號進行合成，利用電磁波在不同頻率下的不同行程來減少或消除影響。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線頻段，頻率的使用效率就顯得不太高了。
　　
　　（3）自適應均衡技術
　　
　　另外還有一種就是信道均衡技術。所謂均衡就是接收端的均衡器產生與信道特性相反的特性，用來抵消信道的時變多徑傳播特性引起的干擾。即通過均衡器消除時間和信道的選擇性。它用于解決符號間干擾的問題，適用于信號不可分離多徑的條件下，且時延擴展遠大于符號的寬度。可分為時域均衡和頻域均衡兩種。頻域均衡指的是總的傳輸函數滿足無失真傳輸的條件，即校正幅度特性和群時延特性。時域均衡是使總沖擊響應滿足無碼間干擾的條件，數字通信

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