微波无线传输干扰原理

2013-10-14 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

随着无线技术的日益发展,无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。微度数字无线图像传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式,建立被监控点和监控中心之间的连接。微度无线监控技术已经在现代化交通、运输、水利、航运、铁路、治安、消防、边防检查站、森林防火、公园、景区、厂区、小区、等领域得到了广泛的应用,可将监控点的图像、声音、控制、报警、管理等通过无线方式实时传输至几十公里外的地方。

1、 地面对微波传播的影响

地面对电波传播的影响,其中包括有两个方面,一是地面的电特性,二是地球表面的物理结构,包括地形起伏、植物和任意尺寸的人造结构等。 地面的电特性可以用三个参量――磁导率、介电系数和电导率来表示,他们对地面波的传播特性有很大的影响。但在微波视距传播中,天线都是高架的,可以完 全忽略地面波成分,地质情况仅影响地面反射波的复合相位。所以说,相对而言,地面的几何结构的影响则是主要的。

2、什么是电波的视线距离

由于地球是球形,凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离。视线距离是决定于收发天线的架设高度的。天线架设越高,视线距离越远,因此在实际通信中,应尽量利用地形、地物把天线适当架高。 由于地面是球形的,当电波传播的距离不同时,其情况也不相同。我们通常依据接收点离开发散天线的距离分成三个区域,即亮区,阴影区和半阴影区。

3、地面反射的影响

在视距传播方式中,收发两点之间除有直射波外,还经常存在着经由地面反射或散射后而到达接收点的反射波获散射波。

地表面的菲涅尔区:若天线的架设高度比波长大得多,而且地面又可视为无限大的理想导体时,则地面的影响可以用镜像法来进行分析。在镜像天线和接收点之间电波传播的主要空间通道,就是一个以这两点为焦点的椭球体,该椭球体与地面相交处形成一个以椭球为边界的地区。只有这一地区的反射才具有重要意义,而在这一地区范围以外所产生的反射或散射在接收点均不产生显著的影响。这一地区就称为反射地面上的有效反射区。工程上常把第一菲涅尔区视为对传播起主要作用的区域,因此可以得出相应的地面上小反射区的大小。

3.1、光滑地平面上的反射

当电波在传播过程中遇到两种不同媒质的光滑界面,而界面的尺寸又比波长达很多时,就会发生镜面反射。实际天线辐射的是球面波,但当波源与反射区相距很远时,到达反射区的电波可视为平面波,因而可以用平面波的反射定律。

通信距离较近时,可以不考虑球形地面的影响,而把地面看成是平面地。电波在光滑平面地上传播的主要特点是直射波和地面反射波在接收点处形成干涉场。

3.2、光滑球面地上的反射

当通信距离较大时,地面上有效反射区的范围也相应增大,这时就不能再视地面为平面而必须考虑地球的曲率的影响,其一是在利用折射波和反射波干涉的概念计算 接收点场强时,不能利用式4-17计算,因为这一公式是根据平面地上的反射情况推导出来的,而在球面地上直射波和反射波的波程差与平面地时不同,其次是电 波在球面上反射时有扩散作用,因此必须考虑由此引起的电场强度的变化。

4、粗糙不平地面上的反射

实际地面都是起伏不平的,光滑地面是不存在的,所谓镜面反射只是一种理想情况,但是,从地面的起伏情况对电波传播的影响程度来看,波长与地面起伏高度 之比则具有决定性的意义,例如,起伏高度为几百米的丘陵地带,对超长波来说可以认为是十分平坦的地面。但对分米波特别是厘米波来说,即是地面有一位小的起伏,它就能与波长向比拟,而对电波传播产生重大的影响,因此,我们必须首先明确地面尚可视为光滑地面的标准,若地面严重凹凸不平,则粗糙地面对电波的反射不再是几何光学的镜面反射,而是向各个方向漫反射,这种漫反射的反射波能量发散到各个方向,其作用相当于反射系数降低。如果地面非常粗糙,则可忽略反射波,除了很少例外,实际地面对电波的反射均属于半散射情况,既有镜面反射的成份又有漫反射的成分。地面越粗糙,波长越短,则漫反射的成分越突出,镜面反射 的成分越弱。在相同的条件下,颠簸的投射角越小,则镜反射成分越强。

实际上,影响反射系数大小的因素是多方面的,不仅地面的起伏高度影响反射稀疏,而且这种起伏分布的疏密程度和地面电参数也影响着反射系数;对于不同的极化波,反射系数也不一样。

只有很平的地面才接近于镜面反射;地面上生长的各种植物,一般使镜面反射系数下降;频率越高,电波投射角越大,则漫反射的成分就越强。

5、实际球面地上的绕射传播

由于地面是球形的,有时因天线架设高度不高,或通信距离较远,接收点落入阴影区或半阴影区范围,则电波传播的路径将要受到地球突起高度的阻碍产生较大的绕射损失。为了判定球形地面对电波传播的阻挡作用,我们必须估算地球的凸起高度。

地球表面由于有山岗、丘陵、凹地、建筑物等等,所以地面形状与光滑球面地有很大的区别。即使地球球面凸起高度对电波传播不起阻挡作用,地面上的山地丘陵等还会有一定的影响。因此,还需要引入另外一个物理量――传播余隙。所谓传播余隙,系指收发两天线线的联线与地形障碍物最高点之间的垂直距离。

电波绕过传播道路上障碍物的现象就称为绕射,当电波眼光滑地面从一点传播到另一点时,连线所确定的球冠部分就是这种障碍。显然,路径中点处的地球凸起高度最大。从电磁学的基础知识可知,只有当障碍物大小与波长接近时,绕射线香菜显著。因此,对微波而言,沿光滑球面的绕射是极其微弱的。

由于微波绕射传输损耗是严重的,因而在实际通信线路中应该避免接收点落入阴影区内,这就要求提高天线的架设高度。工作中,只要把其中一个天线升高,就能有效的降低或避免球面绕射损耗。这时菲涅尔椭球区是倾斜的,最近地面出的第一菲涅尔区半径减小,而在该处的地球凸起高度也比路径中点处的小,因此地面不以伸进第一菲涅尔区。当两天线高度相同时,在路径中点处的菲涅尔区半径最大,地球凸起高度也最高,这对避免球面地的绕射损耗是最不利的。 

在处理山脊绕射时,一般采用一个半无限大金属导体屏来代替刃形山脊,可以求出确定的函数表示式,以便估算世纪山峰对超短波、微波所引起的绕射传输损耗。

综上所述,地形对电波传播的影响主要表现为地面的反射和对障碍物的绕射。其影响的情况可以通过三个参量来表示,即(1)收发之间的直射线与电路最高点之间的余隙值。(2)地面反射系数值。(3)表示障碍物宽度和位置的参数值。

6、散射通信的基本概念及特点

散射通信是利用空间媒质的不均匀性对电波的散(反)射作用,实现超视距传播的一种通信方式。目前有对流层散射、电离层散射、流行余迹散射通信及人造射层通信等方式,其中以对流层散射通信应用的较为普遍。

对流层是大气层中的最底层,通常是指从地面算起到搞达13千米多的区域。被太阳辐射受热的地面通过大气的垂直对流作用,使对流层加热。一般情况下,对流层 的温度、压强、水气压都是随高度的增加而减小,在某些情况下,也可能出现温度随高度增加而增加的现象,形成逆温层,此外,由于上升气流的不均匀性而形成许 多涡旋气团,使温度、湿度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电系数(或折射指数)由随机的小尺度起伏,形成了所谓的不均匀的介质团。当超短波、微波无 线电波投射其上时,就引起散射现象。

利用对流层对电波的散射作用而进行的通信,称为对流层散射通信。由于散射波相当微弱,即传输损耗很大,(一般超国200分贝),因此,对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线,这种通信方式,通信容量较大,可靠性较高,单跳跨距可达300~500千米,一半用于无法建立微波中继站的地区,例如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。

7、对流层的电气特性

因为对流层折射指数N使大气的气象参数--大气压强p、温度T、和水汽压强e决定的。在有些气象条件下,在某一高度范围内的大气温度、湿度出现明显的变化,特别是当出现逆温时,随着高度的增加温度上升,使折射指数N急剧下降,形成有明显边界的突变层,由于各种气象原因引起的突变层,有较稳定结构和偶发性两种,前者持续时间长可达几小时,而偶发性的突变层一旦出现后,维持时间不长约为数分钟,但出现次数频繁 ,层的厚度可以从几米到你百米,其水平尺度一般为几千米。

在对流层中除了有规则的空气流动外,还经常存在着湍流运动。一般说来,和液体一样,气体的运动可以是片流,也可以是湍流。片流的特征是有规则性,一层相对于另一层,以一定的速度运动,而湍流是及不规则的,在任何时刻,空间任一点出的气流速度都是以随机方式,在某平均值附近脉动,并且这种脉动速度可以和平均速度向比拟。

对流层中折射指数或介电系数的起伏是一随机过车程,它既是时间的随机函数,又是空间的随机函数。随机过程的研究通常是用相关函数或空间普密度来进行,而衡量大气湍流强弱的一个重要统计量是介电系数的起伏强度。

通常,用来表征对流层湍流特性的参数主要有两个:即介电系数的起伏强度和湍流团的平均尺寸。介电系数起伏在空间的变动,可以看作是无限多空间谐波分量之和,相应的谱密度称为空间谱,气地频分量携带着最大的能量,而更小尺寸的涡旋则有很小的能量。

由于空间谱和相关函数是一对傅里叶变换,因此,对流层中无线电波的散射过程既可以从相关函数出发进行讨论,也可以从空间谱的概念出发进行研究。

8、衰落现象

在近距离,产生衰落的主要原因是晚上天波和地波同时存在,因电离层的电子浓度及其高度随机变化,使天波的射程也随即改变,接收点处的天波和地波电场间的相位差也跟着改变,从而使合成场强产生衰落。当接收点在地面波传播范围以外,则衰落是由不同反射次数的天波引起的。

9、信号场强的日变化

信号场强具有明显的日变化,这是中波传播的特点之一。因为白天场强完全由地面波决定,晚上则增加了天波成分。根据天波与地波场强的相对大小,可分为三个区域:

9.1、在离开发射机较近的区域,即使在夜间,地面波场强也远大于天波成分,故接收点场强几乎与昼夜无关。
9.2、在略远地区,白天接收场强决定与地面波而夜晚由于天波出现,其场强可与地面波相比,故使合成场强产生衰落现象。
9.3、在很远地区,白天地面波不能到达,晚上则可以收到很强的天波信号。在北纬地区的冬季电离层吸收不很大,即使在白天也可收到一定强度的信号。

10、信号场强的年变化

由于反射中波的电离层--E区的电子浓度夜间几乎与季节无关,故信号场强年变化很小。而白天的电子浓度则有显著的季节变化,即夏季白天电子浓度比冬季白天大,因此电离层吸收也较大。另外,在北半球的温带地区,夏季是一年内有较多雷雨的季节,强烈的雷雨活动使噪声电平剧烈增大,所以夏季白天天波传播情况不佳,信噪比较冬季低得多。

11、其他因素的影响

11.1、太阳活动11年周期对中波传播影响不大,随着太阳活动的增大,场强衰减仅略有增加。
11.2、电离层暴变的影响:与长波一样,电离层暴变对中波传播的影响也极小。
由电离层的非线性引起的交叉调制现象--卢森堡效应。

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