电波绕射 单刀刃模型

在无线电波传输中,我们目前研究三种基本的物理传播模型,分别是:自由空间传播、反射与绕射。前面我们已经分析了前两种传播模型,现在来看一下绕射。

在实际计算绕射损耗时,由于分析的过程比较复杂,很难精确的给出结果,我们常采用一些典型的绕射模型。这里我们就研究一种最理想的情况:单刀刃绕射。

1. 绕射

在发送端与接收端之间有障碍物遮挡的情况下,电波绕过遮挡物进行传播的过程称为电波绕射。电波在绕射的过程中也会产生电波的损耗,其损耗大小与遮挡物的性质,以及传播路径有关。

绕射原理常用惠更斯-菲涅尔原理来解释,这个原理描述为:波阵面的每个点可以看做进一步传播的一个点源,这些电源进一步传播时在方向上不是等辐射的,在波阵面的向前方向辐射更强。

2. 绕射损耗的计算

在研究A与B两点之间的无线电波传播时,我们借助称为菲涅尔椭圆的椭圆曲线族划分干涉空间,所有菲涅尔椭圆的焦点都在A、B上,使椭圆上任何M点满足:
在这里插入图片描述
其中,n表示椭圆全体数目,n=1对应第一个菲涅尔椭圆,以此类推;λ表示波长。

通过推导可以得到,菲涅尔区椭圆的同心圆半径为:
在这里插入图片描述
通常认为,在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半。若发射机与接收机之间的距离略大于第一菲涅尔区,那么大部分能量就可以到达接收机。

在上述概念的基础上,我们可以利用基尔霍夫公式求解从波前点到空间任意一点的场强:
在这里插入图片描述
其中,ER为波面场强,(∂Es)/∂n表示与波面正交的场强导数。

3. 单刀刃模型(ITU-R P.526模型)
电波绕射 单刀刃模型_第1张图片
对于如图这种理想的情况,全部几何参数均综合在通常以v标记的归一化参数中,v是基尔霍夫参数,此时计算式如下:
在这里插入图片描述
上式中,h表示障碍物高度 ,d1与d2表示发射端与接收端与障碍物的距离,λ为波长。

复数菲涅尔积分由下面的公式给出:
在这里插入图片描述
其中C(v)与S(v)为Fc (v)的正弦项与余弦项,定义为:
在这里插入图片描述
绕射损耗L与v之间的函数关系为:
在这里插入图片描述
由ITU-R P.526建议可知:当v大于-0.78时,从下面的表达式中可以得到,L的近似值为:
在这里插入图片描述
4.使用MATLAB进行计算并绘图

for i=0:4
    y =20*log10((((i-0.1).^2+1).^0.5)+i-0.1)+6.9;
    fprintf('%.1f %.4f\n',i,y);
end
x=-1:0.5:4;
y = 20*log10((((x-0.1).^2+1).^0.5)+x-0.1)+6.9;
plot(x,y);
xlabel('绕射系数v');
ylabel('传输损耗L');
title('单刀刃模型中传输损耗L随绕射系数v变化的图像');

运行结果:
在这里插入图片描述
电波绕射 单刀刃模型_第2张图片
5. 三种物理模型比较

①自由空间传播
接收功率随发射机距离呈平方下降。除传输距离外,传输损耗与载波功率有关。

②反射
对于地面模型,接收功率随距离的四次幂下降。除传输距离外,传输损耗与发送接收端的天线高度有关。

③绕射
对于刀刃模型,引入一个与被阻塞直接路径有关的常数衰减,对于地面传输,绕射损耗会呈现某些与距离有关的特性。除距离外,绕射损耗也与障碍物高度、发射与接收波关于障碍物的角度、波长(频率)这些因素有关。

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