通訊系統/波傳播

本頁將討論一些電磁波傳播的基本原理。

電磁頻譜

無線電波

麥克斯韋在 19 世紀首次預測了電磁波的存在。他透過仔細研究描述電磁現象的方程得出了這一結論。赫茲創造了這些波，而馬可尼利用了它們。

儘管經過了一百年的研究，無線電波究竟是什麼以及它們為何存在，仍然是一個謎。

自由空間中的電磁波，或稱 TEM 波，由電場和磁場組成，每個場都與另一個場和傳播方向成直角。

波長和頻率之間的關係由下式給出

$c=\lambda f$

其中 c 是光速（真空中大約為 300,000 m/s），f 是波的頻率，λ 是波的波長。

無線電波可以像光一樣反射和折射。它們受到地面地形、大氣和其他物體的影響。

麥克斯韋方程指出，時變磁場產生電場，時變電場產生磁場。這有點像雞和蛋的問題。

無線電波從天線以光速向外傳播。這些波的精確性質取決於傳輸介質。在自由空間中，它們以直線傳播，而在大氣中，它們通常以彎曲的路徑傳播。在受限或導向介質中，無線電波不會以 TEM 模式傳播，而是以 TE 或 TM 模式傳播。

無線電波與物體以三種主要方式相互作用

反射 - 無線電波從大於其波長的物體上反射回來。

衍射 - 波繞過物體彎曲。

散射 - 無線電波從小於其波長的物體上反射回來。

由於這些複雜的相互作用，無線電波傳播通常在三個不同的區域進行研究，以簡化分析

地波（或地面波）位於地球表面附近。

空間波出現在低層大氣（對流層）中。

天波出現在高層大氣（電離層）中。

這些區域之間的邊界是模糊的。在許多情況下，不可能不考慮空間波而研究地波。

常見的射頻頻段標識

頻段名稱	頻率	波長
ELF - 極低頻	3 – 30 Hz	100000 – 10000 km
SLF - 超低頻	30 – 300 Hz	10000 – 1000 km
ULF - 超低頻	300 – 3000 Hz	1000 – 100 km
VLF - 極低頻	3 – 30 kHz	100 – 10 km
LF - 低頻	30 – 300 kHz	10 – 1 km
MF - 中頻	300 – 3000 kHz	1000 – 100 m
HF - 高頻	3 – 30 MHz	100 – 10 m
VHF - 極高頻	30 – 300 MHz	10 – 1 m
UHF - 超高頻	300 – 3000 MHz	1000 – 100 mm
SHF - 超高頻	3 – 30 GHz	100 – 10 mm
EHF - 極高頻	30 – 300 GHz	10 – 1 mm
THF - 超高頻	300 – 3000 GHz	1 – 0.1 mm

地波

這些是 AM、FM 和電視廣播中使用的主要波。建築物、山丘、地面電導率等物體對其強度有很大影響。地波通常是垂直極化的，電場線與地球接觸。

折射

由於折射，無線電視界比光學視界大約 4/3。典型的最大直射波傳輸距離（以公里計）取決於發射天線和接收天線的高度（以米計）

$d_{\max }\approx {\sqrt {17h_{t}}}+{\sqrt {17h_{r}}}\quad {\rm {km}}$

但是，大氣條件會對摺射量產生重大影響。

超折射

在超折射中，射線彎曲幅度超過正常情況，從而縮短了無線電視界。這種現象發生在溫度升高而溼度隨著高度降低時。矛盾的是，在某些情況下，無線電波可以傳播到極其遠的距離。它可以被地球反射，重新廣播並再次超折射。

次折射

在次折射中，射線彎曲幅度小於正常情況。這種現象發生在溫度降低而溼度隨著高度升高時。在極端情況下，無線電訊號可能會被折射到太空中。

空間波

這些波發生在大氣層下 20 公里以內，由直射波和反射波組成。頻率較高的無線電波基本上稱為空間波。這些波能夠穿過大氣層，從發射天線傳播到接收天線。這些波可以直線傳播，也可以在地球表面反射到地球對流層後傳播。因此，它也被稱為對流層傳播。在中波傳播圖中，c 表示空間波傳播。基本上，空間波傳播技術被用於頻率非常高的頻段，例如 VHF 頻段、UHF 頻段等。在如此高的頻率下，其他波傳播技術，例如天波傳播、地波傳播，無法工作。只有空間波傳播可以處理較高頻率的頻率波。空間波傳播的另一個名稱是視距傳播。空間波傳播有一些限制。

1. 這些波受地球曲率的限制。
2. 這些波具有視距傳播，意味著它們的傳播沿著視距傳播。

視距傳播是指傳送天線和接收天線彼此可見的精確距離。因此，從上面可以清楚地看出，如果要增加傳輸距離，可以透過簡單地增加發送天線和接收天線的高度來實現。這種傳播方式主要用於雷達和電視通訊。

電視訊號的頻率範圍約為 80 到 200 MHz。這些波不會被地球電離層反射。這些波也缺少遵循地球曲率的特性。因此，為了傳播電視訊號，使用地球同步衛星。衛星完成了將電視訊號反射回地球的任務。如果需要更大的傳輸距離，就必須建造非常高的天線。

直射波

這通常是視距傳播，但是，由於大氣折射，傳播範圍略微超過地平線。

地面反射波

無線電波可能會撞擊地球，然後彈回。反射強度取決於當地條件。如果直射波和反射波以相同的相對強度到達，並且彼此之間相位差為 180 度，則接收到的無線電訊號可能會抵消。

水平極化波以幾乎相同的強度反射，但相位反轉 180 度。

垂直極化波的反射能量通常不到入射能量的一半。如果入射角大於 10 度，相位角幾乎沒有變化。

天波

這些波向太空傳播，但會被電離層反射或折射回。電離層的高度範圍為 50 到 1000 公里。

無線電波被太陽輻射產生的電離氣體折射。電離程度取決於一天中的時間、季節和 11 年太陽黑子週期的位置。折射的特定無線電頻率是電子密度和發射角的函式。

可以透過在地球表面和高層大氣中多次反射，建立一條長達數千公里的通訊通道。這種電離層傳播主要發生在 HF 頻段。

電離層由幾層組成，這些層會根據一天中的時間而變化。每一層都有不同的傳播特性。

D 層 - 該層僅在白天出現在 60 到 90 公里的高度。在高達 7 MHz 的頻率下會發生高吸收。

E 層 - 該層出現在 100 到 125 公里的高度。在夏季，密集的電離雲會在短時間內形成。這些被稱為“散射 E”的雲能夠折射 VHF 頻譜中的無線電訊號。這種現象使業餘無線電愛好者能夠進行遠距離通訊。

F 層 - 這個單一的夜間層在白天分裂成兩層（F1 和 F2）。F1 層形成在約 200 公里處，F2 層形成在約 400 公里處。F2 層傳播大多數 HF 短波傳輸。

由於無線電訊號可以採取多種路徑到達接收器，因此可能發生多徑衰落。如果訊號同相到達，則會產生更強的訊號。如果它們異相到達，則它們會相互抵消。

當太陽耀斑增加 D 層的電離時，可能會發生持續數分鐘到數小時的深度衰落，並且覆蓋廣泛的頻率範圍。

有用的傳輸頻段範圍介於 LUF（最低可用頻率）和 MUF（最高可用頻率）之間。高於 MUF 的頻率會被折射到太空中。低於 LUF，無線電頻率會遭受嚴重的吸收。如果訊號接近這兩個極端中的任何一個，它可能會受到衰落的影響。

流星會產生電離尾跡，反射無線電波。儘管這些尾跡只存在幾秒鐘，但它們已成功用於跨越 1500 公里的通訊系統。

北極光或北極光會在 3 到 5 MHz 區域引起隨機反射。極光會導致訊號在 100 Hz 到 2000 Hz 之間發生抖動，從而使語音傳輸變得不可能。

衰落和干擾

無線電訊號的強度可能會因多種原因而發生變化。

平坦地球反射（水平極化）

當天線靠近地球時，無線電波至少可以透過兩種路徑傳播：直射路徑和反射路徑。這兩種訊號以非常複雜的方式相互作用。但是，忽略極化並假設平坦的地球可以產生一些有趣的數學描述。

p₁ = 直射波路徑長度

p₂ = 反射波路徑長度

$\Delta$p = p₂ - p₁ 路徑長度差

d = 距離

從幾何圖形中我們可以觀察到

$p_{1}^{2}=\left({h_{r}-h_{t}}\right)^{2}+d^{2}$

$p_{2}^{2}=\left({h_{r}+h_{t}}\right)^{2}+d^{2}$

$p_{2}^{2}-p_{1}^{2}=\left({h_{r}-h_{t}}\right)^{2}+d^{2}-\left({h_{r}+h_{t}}\right)^{2}-d^{2}=4h_{r}h_{t}$

$\left({p_{2}-p_{1}}\right)\left({p_{2}+p_{1}}\right)=4h_{r}h_{t}$

但$\Delta p=\left({p_{2}-p_{1}}\right)$ 且 $d\approx p_{1}\approx p_{2}$

$\Delta p2d\approx 4h_{r}h_{t}$ 因此 $\Delta p\approx {\frac {2h_{r}h_{t}}{d}}$

如果兩條路徑的差值 $\Delta$p，是 1/2 $\lambda$ 長，則兩個訊號傾向於抵消。如果 $\Delta$p 等於 $\lambda$，則兩個訊號傾向於增強。路徑差 $\Delta$p 因此對應於相位角變化

$\varphi _{p}={\frac {2\pi }{\lambda }}\Delta p={\frac {4\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}$

接收到的合成訊號是兩個分量的總和。不幸的是，反射波在反射點處的相位完整性無法保持，這使得情況更加複雜。

如果我們將對反射波的檢查限制在水平極化的情況下，我們將得到以下幾何形狀

將餘弦定理應用於此圖，我們得到一個合成訊號

$E_{r}=E_{1}{\sqrt {2\left({1-\cos \varphi _{p}}\right)}}=2E_{1}\sin \left({\frac {\varphi _{p}}{2}}\right)$

直射波的訊號強度是單位距離值除以距離： $E_{r}={\frac {E_{0}}{d}}$ 因此，接收到的訊號可以寫成

$E_{r}={\frac {2E_{0}}{d}}\sin \left({\frac {2\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}\right)$

對於小角度，可以用以下公式近似

$E_{r}\approx {\frac {2E_{0}}{d}}{\frac {2\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d}}=E_{0}{\frac {4\pi h_{r}h_{t}}{\lambda d^{2}}}$

多徑衰落

接收到的訊號通常是許多訊號的組合，每個訊號都來自不同的路徑。每個分量的相位和幅度都與路徑的性質有關。這些訊號以非常複雜的方式組合。一些多徑衰落效應的特點是延遲擴充套件、瑞利衰落和萊斯衰落、多普勒頻移等。衰落是造成訊號退化的最顯著現象。衰落有幾種不同的類別

• 平坦衰落：整個感興趣的通帶受到相同的影響（也稱為窄帶或幅度變化通道）。
• 頻率選擇性衰落：某些頻率分量受到的影響大於其他分量（也稱為寬頻通道）。這種現象往往會引入符號間干擾。
• 慢衰落：通道特性變化速率小於波特率。
• 快衰落：通道特性變化速率快于波特率。

時間色散

當訊號在不同的時間到達時，就會發生時間色散。以光速傳播的訊號在 1 納秒內移動大約 1 英尺。這種擴充套件往往會限制射頻鏈路的位元率。

瑞利衰落

瑞利分佈可以用來描述平坦衰落通道的統計變化。通常，接收訊號的強度隨著發射機和接收機之間距離的平方反比而衰減。然而，在蜂窩系統中，天線略微向下傾斜，訊號衰減得更快。

萊斯衰落

萊斯分佈用於描述具有強直接或視線分量和許多較弱反射分量的訊號的統計變化。這可能發生在任何多徑環境中，例如建築物內部或城市中心。

接收到的訊號通常包含多個訊號，每個訊號都走著略微不同的路徑。由於某些訊號可能同相相加，而另一些訊號可能反相相加，因此如果接收機即使移動很短的距離，總訊號強度也會發生 40 dB 或更大的變化。

多普勒頻移

頻移是由發射機和接收機的相對運動或任何反射/折射訊號的物體引起的。這種運動會產生隨機的頻率調製。多普勒頻移根據發射機是朝向接收機移動還是遠離接收機移動而為正或為負。

多普勒頻移由下式給出

$f_{d}={\frac {v_{m}}{c}}f_{c}$

v_m 是發射機相對於接收機的相對運動，c 是光速，f_c 是發射頻率。在多徑環境中，每條路徑的相對運動通常不同。因此，訊號分佈在一段頻率範圍內。這就是所謂的多普勒擴充套件。

大氣衍射

無線電波不能穿透大多數物體太深。因此，在物體（如建築物、山丘等）後面通常會有陰影區。

由於球面擴充套件（也稱為惠更斯原理），無線電陰影區沒有非常明顯的截止點。波前的每個點都像一個點源一樣沿傳播路徑輻射。總波前是所有點源或子波的向量和。子波的幅度與$1+\cos \theta$ 成正比，其中$\theta$ 是從傳播方向測量的。幅度在傳播方向上最大，而在反方向上為零。

反射

反射通常是由於地球表面或建築物和山丘引起的，這些物體的尺寸相對於傳播波的波長很大。反射波改變了入射角。

反射與光被導電介質反射之間存在相似之處。在這兩種情況下，反射角都等於入射角。反射角和入射角的相等遵循光的反射定律。

衍射

當光束或波透過狹縫時，它們會散開，這就是衍射。當波透過的狹縫等於波的波長時，衍射最大。衍射會導致相長干涉和相消干涉。