第三講 電波的基本概念

電波傳播的幾個基本概念

目前GSM和CDMA移動通信使用的頻段為：

GSM：890 --- 960 MHz， 1710 --- 1880 MHz

CDMA: 806 --- 896 MHz

806 --- 960 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，或者說波長不同，其傳播特點也不完全相同，甚至很不相同。

3.1 自由空間通信距離方程

設發射功率為PT，發射天線增益為GT，工作頻率為f . 接收功率為PR，接收天線增益為GR，收、發天線間距離為R，那么電波在無環境干擾時，傳播途中的電波損耗 L0 有以下表達式：

L0 (dB) = 10 Lg（ PT / PR ）

= 32.45 + 20 Lg f ( MHz ) + 20 Lg R ( km ) - GT (dB) - GR (dB)

[舉例] 設：PT = 10 W = 40dBmw ；GR = GT = 7 (dBi) ； f = 1910MHz

問：R = 500 m 時， PR = ？

解答： (1) L0 (dB) 的計算

L0 (dB) = 32.45 + 20 Lg 1910( MHz ) + 20 Lg 0.5 ( km ) - GR (dB) - GT (dB)

= 32.45 + 65.62 - 6 - 7 - 7 = 78.07 (dB)

（2） PR 的計算

PR = PT / ( 10 7.807 ) = 10 ( W ) / ( 10 7.807 ) = 1 ( μW ) / ( 10 0.807 )

= 1 ( μW ) / 6.412 = 0.156 ( μW ) = 156 ( mμW ) #

順便指出，1.9GHz電波在穿透一層磚墻時，大約損失 (10---15) dB

3.2 超短波和微波的傳播視距

極限直視距離

超短波特別是微波，頻率很高，波長很短，它的地表面波衰減很快，因此不能依靠地表面波作較遠距離的傳播。超短波特別是微波，主要是由空間波來傳播的。簡單地說，空間波是在空間范圍內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極限直視距離Rmax 。在最遠直視距離之內的區域，習慣上稱為照明區；極限直視距離Rmax以外的區域，則稱為陰影區。不言而語，利用超短波、微波進行通信時，接收點應落在發射天線極限直視距離Rmax內。

受地球曲率半徑的影響，極限直視距離Rmax 和發射天線與接收天線的高度HT 與 HR間的關系
為 ： Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km)

考慮到大氣層對電波的折射作用，極限直視距離應修正為
Rmax ＝ 4.12 { √HT (m) +√HR (m) } (km)

由于電磁波的頻率遠低于光波的頻率，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 .

3.3 電波在平面地上的傳播特征

由發射天線直接射到接收點的電波稱為直射波；發射天線發出的指向地面的電波，被地面反射而到達接收點的電波稱為反射波。顯然，接收點的信號應該是直射波和反射波的合成。電波的合成不會象 1 + 1 = 2 那樣簡單地代數相加，合成結果會隨著直射波和反射波間的波程差的不同而不同。
波程差為半個波長的奇數倍時，直射波和反射波信號相加，合成為最大；波程差為一個波長的倍數時，直射波和反射波信號相減，合成為最小?？梢姡孛娣瓷涞拇嬖冢沟眯盘枏姸鹊目臻g分布變得相當復雜。

實際測量指出：在一定的距離 Ri之內，信號強度隨距離或天線高度的增加都會作起伏變化；
在一定的距離 Ri之外，隨距離的增加或天線高度的減少，信號強度將。單調下降。理論計算給出了這個 Ri 和天線高度 HT與 HR 的關系式：Ri = （4 HT HR ）/ l ， l 是波長。

不言而喻， Ri 必須小于極限直視距離Rmax 。

3.4 電波的多徑傳播

在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物(例如樓房、高大建筑物或山丘等) 對電波產生反射。因此，到達接收天線的還有多種反射波（廣意地說，地面反射波也應包括在內），這種現象叫為多徑傳播。

由于多徑傳輸，使得信號場強的空間分布變得相當復雜，波動很大，有的地方信號場強增強，有的地方信號場強減弱；也由于多徑傳輸的影響，還會使電波的極化方向發生變化。另外，不同的障礙物對電波的反射能力也不同。例如：鋼筋水泥建筑物對超短波、微波的反射能力比磚墻強。我們應盡量克服多徑傳輸效應的負面影響，這也正是在通信質量要求較高的通信網中，人們常常采用空間分集技術或極化分集技術的緣由。

3.5 電波的繞射傳播

在傳播途徑中遇到大障礙物時，電波會繞過障礙物向前傳播，這種現象叫做電波的繞射。超短波、微波的頻率較高，波長短，繞射能力弱，在高大建筑物后面信號強度小，形成所謂的“陰影區”。信號質量受到影響的程度，不僅和建筑物的高度有關，和接收天線與建筑物之間的距離有關，還和頻率有關。例如有一個建筑物，其高度為 10 米，在建筑物后面距離200 米處，接收的信號質量幾乎不受影響，但在 100 米處，接收信號場強比無建筑物時明顯減弱。注意，誠如上面所說過的那樣，減弱程度還與信號頻率有關，對于 216 ～ 223 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低16 dB，對于 670 兆赫的射頻信號，接收信號場強比無建筑物時低20dB .如果建筑物高度增加到50 米時，則在距建筑物 1000 米以內，接收信號的場強都將受到影響而減弱。也就是說，頻率越高、建筑物越高、接收天線與建筑物越近，信號強度與通信質量受影響程度越大；相反，頻率越低，建筑物越矮、接收天線與建筑物越遠，影響越小。

因此，選擇基站場地以及架設天線時，一定要考慮到繞射傳播可能產生的各種不利影響，注意到對繞射傳播起影響的各種因素。