微波無線傳輸干擾原理

隨著無線技術(shù)的日益發(fā)展，無線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來越被各行各業(yè)所接受。微度數(shù)字無線圖像傳輸作為一個(gè)特殊使用方式也逐漸被廣大用戶看好。其安裝方便、 靈活性強(qiáng)、性價(jià)比高等特性使得更多行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳輸方式，建立被監(jiān)控點(diǎn)和監(jiān)控中心之間的連接。微度無線監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代化交通、運(yùn)輸、水利、 航運(yùn)、鐵路、治安、消防、邊防檢查站、森林防火、公園、景區(qū)、廠區(qū)、小區(qū)、等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，可將監(jiān)控點(diǎn)的圖像、聲音、控制、報(bào)警、管理等通過無線 方式實(shí)時(shí)傳輸至幾十公里外的地方。

1、 地面對(duì)微波傳播的影響

地面對(duì)電波傳播的影響，其中包括有兩個(gè)方面，一是地面的電特性，二是地球表面的物理結(jié)構(gòu)，包括地形起伏、植物和任意尺寸的人造結(jié)構(gòu)等。 地面的電特性可以用三個(gè)參量――磁導(dǎo)率、介電系數(shù)和電導(dǎo)率來表示，他們對(duì)地面波的傳播特性有很大的影響。但在微波視距傳播中，天線都是高架的，可以完 全忽略地面波成分，地質(zhì)情況僅影響地面反射波的復(fù)合相位。所以說，相對(duì)而言，地面的幾何結(jié)構(gòu)的影響則是主要的。

2、什么是電波的視線距離

由 于地球是球形，凸起的地表面會(huì)擋住視線。視線所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離稱為視線距離。視線距離是決定于收發(fā)天線的架設(shè)高度的。天線架設(shè)越高，視線距離越遠(yuǎn)，因此 在實(shí)際通信中，應(yīng)盡量利用地形、地物把天線適當(dāng)架高。 由于地面是球形的，當(dāng)電波傳播的距離不同時(shí)，其情況也不相同。我們通常依據(jù)接收點(diǎn)離開發(fā)散天線的距離分成三個(gè)區(qū)域，即亮區(qū)，陰影區(qū)和半陰影區(qū)。

3、地面反射的影響

在視距傳播方式中，收發(fā)兩點(diǎn)之間除有直射波外，還經(jīng)常存在著經(jīng)由地面反射或散射后而到達(dá)接收點(diǎn)的反射波獲散射波。

地 表面的菲涅爾區(qū)：若天線的架設(shè)高度比波長(zhǎng)大得多，而且地面又可視為無限大的理想導(dǎo)體時(shí)，則地面的影響可以用鏡像法來進(jìn)行分析。在鏡像天線和接收點(diǎn)之間電波 傳播的主要空間通道，就是一個(gè)以這兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢球體，該橢球體與地面相交處形成一個(gè)以橢球?yàn)檫吔绲牡貐^(qū)。只有這一地區(qū)的反射才具有重要意義，而在這一地 區(qū)范圍以外所產(chǎn)生的反射或散射在接收點(diǎn)均不產(chǎn)生顯著的影響。這一地區(qū)就稱為反射地面上的有效反射區(qū)。工程上常把第一菲涅爾區(qū)視為對(duì)傳播起主要作用的區(qū)域， 因此可以得出相應(yīng)的地面上小反射區(qū)的大小。

當(dāng)電波在傳播過程中遇到兩種不同媒質(zhì)的光滑界面，而界面的尺寸又比波長(zhǎng)達(dá)很多時(shí)，就會(huì)發(fā)生鏡面反射。實(shí)際天線輻射的是球面波，但當(dāng)波源與反射區(qū)相距很遠(yuǎn)時(shí)，到達(dá)反射區(qū)的電波可視為平面波，因而可以用平面波的反射定律。

通信距離較近時(shí)，可以不考慮球形地面的影響，而把地面看成是平面地。電波在光滑平面地上傳播的主要特點(diǎn)是直射波和地面反射波在接收點(diǎn)處形成干涉場(chǎng)。

3.2、光滑球面地上的反射

當(dāng) 通信距離較大時(shí)，地面上有效反射區(qū)的范圍也相應(yīng)增大，這時(shí)就不能再視地面為平面而必須考慮地球的曲率的影響，其一是在利用折射波和反射波干涉的概念計(jì)算 接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，不能利用式4-17計(jì)算，因?yàn)檫@一公式是根據(jù)平面地上的反射情況推導(dǎo)出來的，而在球面地上直射波和反射波的波程差與平面地時(shí)不同，其次是電 波在球面上反射時(shí)有擴(kuò)散作用，因此必須考慮由此引起的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

4、粗糙不平地面上的反射

實(shí) 際地面都是起伏不平的，光滑地面是不存在的，所謂鏡面反射只是一種理想情況，但是，從地面的起伏情況對(duì)電波傳播的影響程度來看，波長(zhǎng)與地面起伏高度 之比則具有決定性的意義，例如，起伏高度為幾百米的丘陵地帶，對(duì)超長(zhǎng)波來說可以認(rèn)為是十分平坦的地面。但對(duì)分米波特別是厘米波來說，即是地面有一位小的起 伏，它就能與波長(zhǎng)向比擬，而對(duì)電波傳播產(chǎn)生重大的影響，因此，我們必須首先明確地面尚可視為光滑地面的標(biāo)準(zhǔn)，若地面嚴(yán)重凹凸不平，則粗糙地面對(duì)電波的反射 不再是幾何光學(xué)的鏡面反射，而是向各個(gè)方向漫反射，這種漫反射的反射波能量發(fā)散到各個(gè)方向，其作用相當(dāng)于反射系數(shù)降低。如果地面非常粗糙，則可忽略反射 波，除了很少例外，實(shí)際地面對(duì)電波的反射均屬于半散射情況，既有鏡面反射的成份又有漫反射的成分。地面越粗糙，波長(zhǎng)越短，則漫反射的成分越突出，鏡面反射 的成分越弱。在相同的條件下，顛簸的投射角越小，則鏡反射成分越強(qiáng)。

實(shí)際上，影響反射系數(shù)大小的因素是多方面的，不僅地面的起伏高度影響反射稀疏，而且這種起伏分布的疏密程度和地面電參數(shù)也影響著反射系數(shù)；對(duì)于不同的極化波，反射系數(shù)也不一樣。

只有很平的地面才接近于鏡面反射；地面上生長(zhǎng)的各種植物，一般使鏡面反射系數(shù)下降；頻率越高，電波投射角越大，則漫反射的成分就越強(qiáng)。

5、實(shí)際球面地上的繞射傳播

由于地面是球形的，有時(shí)因天線架設(shè)高度不高，或通信距離較遠(yuǎn)，接收點(diǎn)落入陰影區(qū)或半陰影區(qū)范圍，則電波傳播的路徑將要受到地球突起高度的阻礙產(chǎn)生較大的繞射損失。為了判定球形地面對(duì)電波傳播的阻擋作用，我們必須估算地球的凸起高度。

地 球表面由于有山崗、丘陵、凹地、建筑物等等，所以地面形狀與光滑球面地有很大的區(qū)別。即使地球球面凸起高度對(duì)電波傳播不起阻擋作用，地面上的山地丘陵等還 會(huì)有一定的影響。因此，還需要引入另外一個(gè)物理量――傳播余隙。所謂傳播余隙，系指收發(fā)兩天線線的聯(lián)線與地形障礙物最高點(diǎn)之間的垂直距離。

電 波繞過傳播道路上障礙物的現(xiàn)象就稱為繞射，當(dāng)電波眼光滑地面從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)時(shí)，連線所確定的球冠部分就是這種障礙。顯然，路徑中點(diǎn)處的地球凸起高度最 大。從電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)可知，只有當(dāng)障礙物大小與波長(zhǎng)接近時(shí)，繞射線香菜顯著。因此，對(duì)微波而言，沿光滑球面的繞射是極其微弱的。

由于微波 繞射傳輸損耗是嚴(yán)重的，因而在實(shí)際通信線路中應(yīng)該避免接收點(diǎn)落入陰影區(qū)內(nèi)，這就要求提高天線的架設(shè)高度。工作中，只要把其中一個(gè)天線升高，就能有效的降低 或避免球面繞射損耗。這時(shí)菲涅爾橢球區(qū)是傾斜的，最近地面出的第一菲涅爾區(qū)半徑減小，而在該處的地球凸起高度也比路徑中點(diǎn)處的小，因此地面不以伸進(jìn)第一菲 涅爾區(qū)。當(dāng)兩天線高度相同時(shí)，在路徑中點(diǎn)處的菲涅爾區(qū)半徑最大，地球凸起高度也最高，這對(duì)避免球面地的繞射損耗是最不利的。

在處理山脊繞射時(shí)，一般采用一個(gè)半無限大金屬導(dǎo)體屏來代替刃形山脊，可以求出確定的函數(shù)表示式，以便估算世紀(jì)山峰對(duì)超短波、微波所引起的繞射傳輸損耗。

綜上所述，地形對(duì)電波傳播的影響主要表現(xiàn)為地面的反射和對(duì)障礙物的繞射。其影響的情況可以通過三個(gè)參量來表示，即（1）收發(fā)之間的直射線與電路最高點(diǎn)之間的余隙值。（2）地面反射系數(shù)值。（3）表示障礙物寬度和位置的參數(shù)值。

6、散射通信的基本概念及特點(diǎn)

散射通信是利用空間媒質(zhì)的不均勻性對(duì)電波的散（反）射作用，實(shí)現(xiàn)超視距傳播的一種通信方式。目前有對(duì)流層散射、電離層散射、流行余跡散射通信及人造射層通信等方式，其中以對(duì)流層散射通信應(yīng)用的較為普遍。

對(duì) 流層是大氣層中的最底層，通常是指從地面算起到搞達(dá)13千米多的區(qū)域。被太陽輻射受熱的地面通過大氣的垂直對(duì)流作用，使對(duì)流層加熱。一般情況下，對(duì)流層 的溫度、壓強(qiáng)、水氣壓都是隨高度的增加而減小，在某些情況下，也可能出現(xiàn)溫度隨高度增加而增加的現(xiàn)象，形成逆溫層，此外，由于上升氣流的不均勻性而形成許 多渦旋氣團(tuán)，使溫度、濕度不斷變化，在渦旋氣團(tuán)內(nèi)部及其周圍的介電系數(shù)（或折射指數(shù)）由隨機(jī)的小尺度起伏，形成了所謂的不均勻的介質(zhì)團(tuán)。當(dāng)超短波、微波無 線電波投射其上時(shí)，就引起散射現(xiàn)象。

利用對(duì)流層對(duì)電波的散射作用而進(jìn)行的通信，稱為對(duì)流層散射通信。由于散射波相當(dāng)微弱，即傳輸損耗很 大，（一般超國(guó)200分貝），因此，對(duì)流層散射通信要采用大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和高增益天線，這種通信方式，通信容量較大，可靠性較高，單跳跨距 可達(dá)300~500千米，一半用于無法建立微波中繼站的地區(qū)，例如用于海島之間或跨越湖泊、沙漠、雪山等地區(qū)。

7、對(duì)流層的電氣特性

因 為對(duì)流層折射指數(shù)N使大氣的氣象參數(shù)--大氣壓強(qiáng)p、溫度T、和水汽壓強(qiáng)e決定的。在有些氣象條件下，在某一高度范圍內(nèi)的大氣溫度、濕度出現(xiàn)明顯的變化， 特別是當(dāng)出現(xiàn)逆溫時(shí)，隨著高度的增加溫度上升，使折射指數(shù)N急劇下降，形成有明顯邊界的突變層，由于各種氣象原因引起的突變層，有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和偶發(fā)性兩 種，前者持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)可達(dá)幾小時(shí)，而偶發(fā)性的突變層一旦出現(xiàn)后，維持時(shí)間不長(zhǎng)約為數(shù)分鐘，但出現(xiàn)次數(shù)頻繁 ，層的厚度可以從幾米到你百米，其水平尺度一般為幾千米。

在對(duì)流層中除了有規(guī)則的空氣流動(dòng)外，還經(jīng)常存在著湍流運(yùn)動(dòng)。一般說來，和液體一 樣，氣體的運(yùn)動(dòng)可以是片流，也可以是湍流。片流的特征是有規(guī)則性，一層相對(duì)于另一層，以一定的速度運(yùn)動(dòng)，而湍流是及不規(guī)則的，在任何時(shí)刻，空間任一點(diǎn)出的 氣流速度都是以隨機(jī)方式，在某平均值附近脈動(dòng)，并且這種脈動(dòng)速度可以和平均速度向比擬。

對(duì)流層中折射指數(shù)或介電系數(shù)的起伏是一隨機(jī)過車程，它既是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)，又是空間的隨機(jī)函數(shù)。隨機(jī)過程的研究通常是用相關(guān)函數(shù)或空間普密度來進(jìn)行，而衡量大氣湍流強(qiáng)弱的一個(gè)重要統(tǒng)計(jì)量是介電系數(shù)的起伏強(qiáng)度。

通常，用來表征對(duì)流層湍流特性的參數(shù)主要有兩個(gè)：即介電系數(shù)的起伏強(qiáng)度和湍流團(tuán)的平均尺寸。介電系數(shù)起伏在空間的變動(dòng)，可以看作是無限多空間諧波分量之和，相應(yīng)的譜密度稱為空間譜，氣地頻分量攜帶著最大的能量，而更小尺寸的渦旋則有很小的能量。

由于空間譜和相關(guān)函數(shù)是一對(duì)傅里葉變換，因此，對(duì)流層中無線電波的散射過程既可以從相關(guān)函數(shù)出發(fā)進(jìn)行討論，也可以從空間譜的概念出發(fā)進(jìn)行研究。

8、衰落現(xiàn)象

在近距離，產(chǎn)生衰落的主要原因是晚上天波和地波同時(shí)存在，因電離層的電子濃度及其高度隨機(jī)變化，使天波的射程也隨即改變，接收點(diǎn)處的天波和地波電場(chǎng)間的相位差也跟著改變，從而使合成場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生衰落。當(dāng)接收點(diǎn)在地面波傳播范圍以外，則衰落是由不同反射次數(shù)的天波引起的。

9、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的日變化

信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)具有明顯的日變化,這是中波傳播的特點(diǎn)之一。因?yàn)榘滋靾?chǎng)強(qiáng)完全由地面波決定，晚上則增加了天波成分。根據(jù)天波與地波場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)大小，可分為三個(gè)區(qū)域：

9.1、在離開發(fā)射機(jī)較近的區(qū)域，即使在夜間，地面波場(chǎng)強(qiáng)也遠(yuǎn)大于天波成分，故接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)幾乎與晝夜無關(guān)。
9.2、在略遠(yuǎn)地區(qū)，白天接收?qǐng)鰪?qiáng)決定與地面波而夜晚由于天波出現(xiàn)，其場(chǎng)強(qiáng)可與地面波相比，故使合成場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生衰落現(xiàn)象。
9.3、在很遠(yuǎn)地區(qū)，白天地面波不能到達(dá)，晚上則可以收到很強(qiáng)的天波信號(hào)。在北緯地區(qū)的冬季電離層吸收不很大，即使在白天也可收到一定強(qiáng)度的信號(hào)。

10、信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的年變化

由 于反射中波的電離層--E區(qū)的電子濃度夜間幾乎與季節(jié)無關(guān)，故信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)年變化很小。而白天的電子濃度則有顯著的季節(jié)變化，即夏季白天電子濃度比冬季白天 大，因此電離層吸收也較大。另外，在北半球的溫帶地區(qū)，夏季是一年內(nèi)有較多雷雨的季節(jié)，強(qiáng)烈的雷雨活動(dòng)使噪聲電平劇烈增大，所以夏季白天天波傳播情況不 佳，信噪比較冬季低得多。

11、其他因素的影響

11.1、太陽活動(dòng)11年周期對(duì)中波傳播影響不大，隨著太陽活動(dòng)的增大，場(chǎng)強(qiáng)衰減僅略有增加。
11.2、電離層暴變的影響：與長(zhǎng)波一樣，電離層暴變對(duì)中波傳播的影響也極小。
由電離層的非線性引起的交叉調(diào)制現(xiàn)象--盧森堡效應(yīng)。