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、運輸、水利、 航運、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)控點的圖像、聲音、控制、報警、管理等通過無線 方式實時傳輸至幾十公里外的地方。

1、 地面對微波傳播的影響

地面對電波傳播的影響，其中包括有兩個方面，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參量――磁導(dǎo)率、介電系數(shù)和電導(dǎo)率來表示，他們對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，其情況也不相同。我們通常依據(jù)接收點離開發(fā)散天線的距離分成三個區(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)高度比波長大得多，而且地面又可視為無限大的理想導(dǎo)體時，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之間電波 傳播的主要空間通道，就是一個以這兩點為焦點的橢球體，該橢球體與地面相交處形成一個以橢球為邊界的地區(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達(dá)很多時，就會發(fā)生鏡面反射。實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，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，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是直射波和地面反射波在接收點處形成干涉場。

3.2、光滑球面地上的反射

當(dāng) 通信距離較大時，地面上有效反射區(qū)的范圍也相應(yīng)增大，這時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算 接收點場強(qiáng)時，不能利用式4-17計算，因為這一公式是根據(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不同，其次是電 波在球面上反射時有擴(kuò)散作用，因此必須考慮由此引起的電場強(qiáng)度的變化。

4、粗糙不平地面上的反射

實 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電波傳播的影響程度來看，波長與地面起伏高度 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，對超長波來說可以認(rèn)為是十分平坦的地面。但對分米波特別是厘米波來說，即是地面有一位小的起 伏，它就能與波長向比擬，而對電波傳播產(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，則粗糙地面對電波的反射 不再是幾何光學(xué)的鏡面反射，而是向各個方向漫反射，這種漫反射的反射波能量發(fā)散到各個方向，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，實際地面對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、實際球面地上的繞射傳播

由于地面是球形的，有時因天線架設(shè)高度不高，或通信距離較遠(yuǎn)，接收點落入陰影區(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電波傳播不起阻擋作用，地面上的山地丘陵等還 會有一定的影響。因此，還需要引入另外一個物理量――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傳播到另一點時，連線所確定的球冠部分就是這種障礙。顯然，路徑中點處的地球凸起高度最 大。從電磁學(xué)的基礎(chǔ)知識可知，只有當(dāng)障礙物大小與波長接近時，繞射線香菜顯著。因此，對微波而言，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，因而在實際通信線路中應(yīng)該避免接收點落入陰影區(qū)內(nèi)，這就要求提高天線的架設(shè)高度。工作中，只要把其中一個天線升高，就能有效的降低 或避免球面繞射損耗。這時菲涅爾橢球區(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，在路徑中點處的菲涅爾區(qū)半徑最大，地球凸起高度也最高，這對避免球面地的繞射損耗是最不利的。

在處理山脊繞射時，一般采用一個半無限大金屬導(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)山峰對超短波、微波所引起的繞射傳輸損耗。

綜上所述，地形對電波傳播的影響主要表現(xiàn)為地面的反射和對障礙物的繞射。其影響的情況可以通過三個參量來表示，即（1）收發(fā)之間的直射線與電路最高點之間的余隙值。（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

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

對 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流作用，使對流層加熱。一般情況下，對流層 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，就引起散射現(xiàn)象。

利用對流層對電波的散射作用而進(jìn)行的通信，稱為對流層散射通信。由于散射波相當(dāng)微弱，即傳輸損耗很 大，（一般超國200分貝），因此，對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、對流層的電氣特性

因 為對流層折射指數(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，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)時間長可達(dá)幾小時，而偶發(fā)性的突變層一旦出現(xiàn)后，維持時間不長約為數(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。

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

對流層中折射指數(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)弱的一個重要統(tǒng)計量是介電系數(shù)的起伏強(qiáng)度。

通常，用來表征對流層湍流特性的參數(shù)主要有兩個：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，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)是一對傅里葉變換，因此，對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，接收點處的天波和地波電場間的相位差也跟著改變，從而使合成場強(qiáng)產(chǎn)生衰落。當(dāng)接收點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、信號場強(qiáng)的日變化

信號場強(qiáng)具有明顯的日變化,這是中波傳播的特點之一。因為白天場強(qiáng)完全由地面波決定，晚上則增加了天波成分。根據(jù)天波與地波場強(qiáng)的相對大小，可分為三個區(qū)域：

9.1、在離開發(fā)射機(jī)較近的區(qū)域，即使在夜間，地面波場強(qiáng)也遠(yuǎn)大于天波成分，故接收點場強(qiáng)幾乎與晝夜無關(guān)。
9.2、在略遠(yuǎn)地區(qū)，白天接收場強(qiáng)決定與地面波而夜晚由于天波出現(xiàn)，其場強(qiáng)可與地面波相比，故使合成場強(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。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。

10、信號場強(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)，故信號場強(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11年周期對中波傳播影響不大，隨著太陽活動的增大，場強(qiáng)衰減僅略有增加。
11.2、電離層暴變的影響：與長波一樣，電離層暴變對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)。