什么是视距电波传播?

什么是视距电波传播?

[拼音]：shiju dianbo chuanbo

[外文]：line-of-sight radio wave propagation

无线电波在视线范围内的传播，即发射点和接收点都在对方的无线电视线范围以内。在光滑地面上，发射点和接收点分别在有限高度h1和h2时，由于地球凸起的阻挡，所能到达的最大视线距离为

式中K为等效地球半径系数（K因子），表示大气折射的影响;a为地球半径。视距传播是人们最早认识并利用的电波传播方式。第二次世界大战前，视距传播仅用于超短波以下频率。战时，厘米波雷达和地面微波中继通信得到发展，战后发展尤为迅速。利用视距传播的微波中继通信和卫星通信电路已遍世界各地，成为远距离大容量通信的主要方式。

视距传播研究的主要内容有：地面和地物对电波的绕射、反射和散射；大气层，特别是近地对流层（包括层结）对电波的折射、反射、吸收和散射；大气层水汽凝结体（雨、雾、云、雪、雹等）和沙暴、尘埃、鸟群等悬浮物对电波的吸收和散射；以及由上述传播机理所引起的信号幅度衰落、多径时延、到达角起伏和去极化现象。

地面、地物的绕射

射线空隙HC（射线至地面、地物的垂直距离，又称余隙，射线在地面、地物的上方时，HC为正值，反之为负值）的大小影响接收信号的强弱。通常用费涅尔旋转椭球描述传播效果相同的、在路径不同位置上所欲求的射线空隙。这一椭球以发射点和接收点为焦点。发射点和接收点之间距离为d、波长为λ，当椭球面上任一点到发射点和接收点距离之和与d 相减等于nλ/2(n=1，2，3，…)时，过此点的椭球横截面称为n阶费涅尔区，此点到发射点和接收点连线的垂直距离称为n阶费涅尔半径Fn

式中d1和d2分别为垂足到发射点和接收点的距离。对于中继通信所用的频率，地面、地物对电波的绕射损耗(接收信号电平相对于自由空间电平的分贝数) Ld取决于相对空隙(u=HC/F1)和地面、地物的形状。相对空隙最小处为主障碍。图中为刃形山峰和光滑地球的绕射损耗Ld的理论曲线，横坐标


。中等起伏地形的绕射损耗曲线处于图中两曲线之间。无论何种地形，Ld都大约在P=1（相应


）处为零，这时信号达到自由空间电平值，Ld与P大体成线性关系。对于中等起伏地形，这种线性关系的系数可由实验确定。为了保证必要的传播空隙（如K=4/3时，u≥1，K=2/3时，u≥0.3），可升高发射天线和接收天线；当障碍物太高时，在某些地形情况下，也可用反射板或对接抛物面天线等无源转接方法人为改变射线传播方向而越过障碍。

地反射干涉

越是光滑的地面越能形成强烈的地反射。地反射射线与直射线在接收点形成干涉。地反射干涉损耗Lr取决于地面的有效反射系数绝对值Re和两射线之间的相位差墹φ

当相位差为π的奇数倍时，干涉损耗最大，信号出现谷值；为π的偶数倍时，损耗最小（正值，实际上是增益），信号出现峰值。适当选择天线高度，可以保证在正常条件下电路工作在峰值附近。

衰落

大气折射率梯度的随机变化引起电路空隙的随机变化，从而导致接收信号的随机变化，形成障碍衰落。克服障碍衰落的办法是保证在极端负折射的情况（一般相应于K=2/3或大气折射率梯度为78.5N单位／公里）下射线有足够的空隙。大气折射率梯度的随机变化也使直射线与地反射射线之间形成相位差，因而接收信号幅度随之变化，形成地反射干涉衰落。反射地面越光滑（如水面），则衰落幅度越大，如Re=0.95时，Lr的谷值达26分贝。对于中等起伏地形，如Re为0.6时，Lr的谷值为8分贝。适当选择天线高度可控制反射点位置并减小反射射线空隙，使反射波削弱；或者加大发射天线和接收天线高差，使干涉损耗对于K因子的依赖变得迟钝，从而消除或削弱干涉衰落。在这些措施无法实现时，最常采用的办法是空间分集，即用挂在不同高度的两个天线同时接收。两天线之间的高度间隔的选取，应使在正常传播条件下，一天线工作在干涉损耗曲线的峰值，而另一天线工作在谷值。因而总能保证其中一个天线有较强的信号。采用频率分集也能改善传播效果，但必须使用二个间隔足够大的频率。这两种衰落周期较长，一般由分计直至小时计，故又称慢衰落。视距传播的快衰落是由大气层结反射射线所引起的多径衰落，周期一般由秒直至分。与直接射线相干涉的多径射线可有若干条，但最严重的是具有相等幅度的两射线的干涉，衰落幅度很大。在反气旋、逆温和陆－海空气对流的情况下，大气层中容易出现波导和折射率分布不连续的层结，因而也容易出现多径传播和多径衰落。在水面和平坦地面电路中，在夏季，晚间和宁静天气容易出现衰落。衰落深度（接收电平低于无衰落时的分贝数）大于15分贝的多径衰落服从瑞利分布，衰落深度大于F的概率为

式中d为电路长度（公里）;f为频率（吉赫）;A、B和C为常数。根据国际无线电咨询委员会公布的实验结果，B＝0.85～1.5，C＝2～3.5(多数为3.0～3.5);对于中等起伏地形的温带陆地和中纬度海岛地区，A＝10-7～10-9。多径衰落除使信噪比降低之外，它的频率选择性和时延特性会引起传输信道的带内幅度和相位失真，误码率增大。这对于大容量宽带数字通信系统特别不利，在中继通信中可用分集和均衡技术加以克服。

去极化

即交叉极化分辨率（或隔离度）的降低。在大约10吉赫以下的频率上，多径衰落是去极化的主要原因，它们之间有较高的相关性，天线的交叉极化方向性图越尖锐去极化就越严重。在10吉赫以上的频率上，非球形雨滴引起的去极化占主要地位。大气层结和反射地面的侧向倾斜、粗糙表面和大气不均匀体的散射也会引起去极化。去极化使单频双极化通信系统产生交叉极化干扰，系统性能降低。空间分集同样有助于克服多径衰落和去极化。但设计分集间隔时须保证两天线信号的相关系数小于0.6。

大气折射

大气折射是影响视距传播效果的主要因素。在10吉赫以上的频率上，大气、大气层中水汽凝结体和悬浮物的吸收和散射是重要的。

广义说来，地-空和空-空传播也属视距传播。在这些传播方式中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，地面、地物和近地对流层的影响比地面视距传播的小，有时甚至可以忽略不计。