第6章外层空间传播

内容 目录概要 总结练习 电波传播 -----第6章 外层空间传播 BUPT ?? 目录概要 • 频率选择 • 大气、降雨的吸收损耗 • 射线在大气中的弯曲和仰角偏移 • 极化平面的法拉第旋转 外层空间电波的传 播特性 BUPT ?? 外层空间传播 • 外层空间传播 – 无线电波在地面和外层空间之间或外层空间之间的传播 – 在地面和外层空间之间的外层空间传播需经低空大气层和电离层 而到达， 如卫星通信、宇宙探测等均属于这种远距离传播 – 可以把电波穿过电离层在外层空间的传播基本上当作自由空间中 的传播来研究 – 电波在大气层中传播所受到的其他影响可以在这一简单情况的基 础上加以修正 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 频率选择 – 穿过地球周围的大气层、电离层而进入外层空间的无线电波，其 频段一般为1-10GHz 30MHz以下的电波不易穿过电离层，10GHz 以上电波的大气 吸收损耗大 频率越高，噪声越小，在1GHz 以上，这些噪声对通信影响就 很小。 但大气中的云、水汽、氧、雨等引起的噪声，频率越高， 影 响越大，特别是在10GHz 以上时，对通信影响较大 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 大气、降雨的吸收损耗 – 电波通过对流层、电离层时都会引起损耗 – 主要考虑对流层引起的大气吸收以及降水、雾等引起的损耗 – 大气影响 低空大气层的成分主要包括氮(质量百分比约75 . 5% ) 、氧(约 23.2 %) 、氩(约1.28 %) 、水汽等，其中水汽(H2O)和氧分子 (O2 ) 对微波起主要的吸收作用。 水汽分子具有固定的电偶极矩，氧分子有固定的磁偶极矩，它 们都有固定的谐振频率 当电波频率与其固有的谐振频率相同时，即产生强烈的吸收 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 大气、降雨的吸收损耗 – 大气影响 氧分子的吸收峰为60 GHz (λ= 0. 5cm) 和118GHz （λ= 0. 25cm) 。 水汽分子的吸收峰为22G Hz（λ = 1. 36cm) 和1 83 GHz (λ= 0.164cm ) 在f<10GH z时可不考虑大气 吸收， 即为"无线电窗口" BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 大气、降雨的吸收损耗 – 大气影响 大气对电波的吸收与天 线仰角密切相关 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 大气、降雨的吸收损耗 – 大气影响 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 降雨影响 – 雨滴对电波的散射和吸收会使微波衰减 – 雨滴对电波的散射可能会引起散射干扰 – 电波穿过雨滴后会使极化面旋转，引起去极化现象 – 雨滴尺寸小于波长时，雨滴吸收引起的电波损耗比散射引起的损 耗大。相反，在高频段，雨滴尺寸大于波长时，散射损耗起主要 作用 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 降雨影响 在频率低于3GHz 时衰减很 小，一般可忽略不计，当频 率进一步提高时，电波在雨 中的衰减将随频率的增加而 迅速增大，且雨的强度越大， 电波的衰减越大 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 降雨影响 – 关注该地区相对于不 同频率、不同仰角时， 降雨路径衰减的累积 分布 一般对于4~6GHz 频段，因频 率较低，雨衰减不严重，通常 留有5~6dB 的余量即可， 11~14GHz 频段，降雨衰减较 大，可留有10dB 左右的余量 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 射线在大气中的弯曲和仰角偏移 – 电波由地面发出(或返回) ，经低空大气层和电离层而达到外层空 间的传播中，电波射线传播路径因大气折射指数随高度变化而产 生向上凸（或凹）的弯曲，于是使该路径的仰角比真实的仰角 θ 偏离 ∆ θ BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 射线在大气中的弯曲和仰角偏移 – 两极大陆空气和热带海面上空气引起的仰角偏移的年平均值，其 他地区的数值则介于这两者之间 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 极化平面的法拉第旋转 – 当一个线极化波通过电离层时，由于一个振幅为A 的线极化波可 分解为幅度是A/2 的左旋与右旋两个圆极化波，它们传播速度不 同，经一段距离后，合成线极化波的极化面相对于入射波的极化 面发生了旋转 – 由法拉第效应引起的极化面旋转，称为法拉第旋转。其大小取决 于电波的频率、地球磁场强度、电离层的电子被度、传播路径长 度等 0 2 ANH = ( ) l rad f  N 为电子密度(电子/m3)， H0为地磁场纵向分量(A/m) , l 为在电离层中 所经过的路程(m) ，比例系数𝐴 = 𝑒3𝜇0 4𝜋𝑚2𝜀0 BUPT ?? 外层空间电波的传播特性 • 极化平面的法拉第旋转 – 来波极化平面的方向也在不断地变化。在发射和接收端应用圆极 化的天线，可以减少极化平面旋转所带来的不良影响 – 在低频率段必须采用圆极化天线，作为对付极化平面旋转的手段。 – 一般对于高于10GHz 的频率，由极化平面的旋转所引起的损耗可 以忽略 BUPT ?? 课外阅读-深空通信 • 宇宙无线电通信 – 以宇宙飞行体为对象的无线电通信 • 深空通信 – 地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通 信，通信距离达几十万公里以上 – 特点 – 深空通信频率选择原则 – 影响电波传播的因素 BUPT ??