微波通信天線選擇與優(yōu)化方法研究

2 微波天線選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素研究
圖1為微波傳播示意圖，微波信號(hào)在傳輸過程中，會(huì)受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導(dǎo)致信號(hào)衰落和失真，甚至中斷。因此對(duì)微波傳輸天線進(jìn)行優(yōu)化，必須根據(jù)微波通信的基本特點(diǎn)，研究微波在傳輸過程中受到的影響因素，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化以減少信號(hào)衰落和失真。

2．1 地面地形因素
在微波通信系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸主要利用微波的視距傳播。微波通信的頻率大部分在2～20 GHz范圍內(nèi)，不同的地形條件，其反射系數(shù)及電平損耗不同。無線電波在自由空間傳輸時(shí)，其單位面積內(nèi)的能量會(huì)因自由擴(kuò)散而減少，所減小的能量稱為自由空間傳輸損耗，用Ls表示，單位為分貝(dB)，其計(jì)算公式為：

式中，f為發(fā)射頻率，GHz；d為站距，km。
由式(1)可見，微波傳播過程中樹林、建筑、山頭或地面障礙物等會(huì)阻擋一部分電磁波，增加損耗。而平滑地面或水面可將一部分信號(hào)反射到接收天線，反射波和直射波矢量相加可能相互抵消而產(chǎn)生附加損耗。地面反射對(duì)視距傳播有重要影響，它是產(chǎn)生電平衰落的主要原因之一。但當(dāng)微波傳輸路徑上有刀刃形障礙物(或山峰)阻擋時(shí)，如果障礙物的尖峰恰好落在兩個(gè)相鄰微波站的收信天線和發(fā)信天線的連線上，微波傳輸會(huì)增加6 dB電平衰耗；當(dāng)障礙物的尖峰超出連線時(shí)，電平衰耗將增加更快，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況，可通過改動(dòng)微波傳輸線路或增高天線來改動(dòng)傳輸特性。為更好的分析微波的傳播特性，應(yīng)用菲涅爾區(qū)的概念進(jìn)行分析，則從波源到觀察點(diǎn)的電波可認(rèn)為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的，且在觀察點(diǎn)的合成場強(qiáng)E≈E1／2(E1為第一菲涅爾區(qū)的場強(qiáng))，即只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地形地物遮擋．就可近似得到自由空間傳播時(shí)的場強(qiáng)。若要知道阻擋物多高才能滿足傳播條件，必須計(jì)算第一菲涅爾區(qū)的半徑F1單位為m，計(jì)算方法為：

式中，d指收發(fā)間距離，km；λ是波長，m。
由式(2)可知，為避免附加損耗，必須使所有障礙物都處于第一菲涅爾區(qū)以外。在地面障礙物高度一定的情況下，波長越長，電波傳播主要通道的橫截面積越大，相對(duì)遮擋面積就越小，接收點(diǎn)場強(qiáng)就越大，因此，頻率越低，繞射能力越強(qiáng)。
2．2 地面反射因素
在微波的傳播過程中，在接收點(diǎn)除收到直射波外，還會(huì)收到經(jīng)地面反射的反射波。反射點(diǎn)到直射波的垂直距離稱余隙hc,接收點(diǎn)的合成場強(qiáng)與自由空間場強(qiáng)之比稱為地面反射引起的衰落因子，用V表示，單位為dB，hc/F1稱相對(duì)余隙。借助余隙hc計(jì)算V，其計(jì)算過程如下：

式中，r1為直射路徑，m；r2為反射路徑，m；△r為行程差，m；hc為余隙，m；F1為第一菲涅耳區(qū)半徑，m；φ為反射系數(shù)。
從以上計(jì)算過程可知，衰落因子V與相對(duì)余隙HC／F1有關(guān)。如圖2所示，當(dāng)hc／F1=0．577時(shí)，V=1，VdB=0 dB，收信場強(qiáng)E=E0，此時(shí)余隙具有特殊意義，記為h0=0．577F1稱為自由空間余隙。當(dāng)hc/F10．577時(shí)，發(fā)生繞射衰落較大；隨著余隙增大，反射點(diǎn)處于第一菲涅爾區(qū)，反射信號(hào)與直射信號(hào)同相相加，使衰落因子出現(xiàn)正值；當(dāng)余隙增大到一定程度時(shí)，反射點(diǎn)進(jìn)入第二菲涅爾區(qū)內(nèi)，反射信號(hào)與直射信號(hào)反相，衰落因子急劇下降，甚至?xí)斐尚盘?hào)中斷。
2．3 大氣的影響
大氣中帶電粒子都有其固定的電磁諧振頻率，當(dāng)接近諧振頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振吸收，使微波產(chǎn)生衰減，但其相對(duì)于自由空間產(chǎn)生的衰減是微不足道的；另外雨霧中的小水滴也會(huì)使電磁波產(chǎn)生散射衰落，一般在10 GHz以下，衰耗并不嚴(yán)重。因此，這里主要研究大氣折射的影響。