微波通信天線選擇與優化方法研究

2 微波天線選擇時應考慮的因素研究
圖1為微波傳播示意圖，微波信號在傳輸過程中，會受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導致信號衰落和失真，甚至中斷。因此對微波傳輸天線進行優化，必須根據微波通信的基本特點，研究微波在傳輸過程中受到的影響因素，進而進行優化以減少信號衰落和失真。

2．1 地面地形因素
在微波通信系統中，信號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，不同的地形條件，其反射系數及電平損耗不同。無線電波在自由空間傳輸時，其單位面積內的能量會因自由擴散而減少，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)，其計算公式為：

式中，f為發射頻率，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生附加損耗。地面反射對視距傳播有重要影響，它是產生電平衰落的主要原因之一。但當微波傳輸路徑上有刀刃形障礙物(或山峰)阻擋時，如果障礙物的尖峰恰好落在兩個相鄰微波站的收信天線和發信天線的連線上，微波傳輸會增加6 dB電平衰耗；當障礙物的尖峰超出連線時，電平衰耗將增加更快，實際應用中應避免出現這種情況，可通過改動微波傳輸線路或增高天線來改動傳輸特性。為更好的分析微波的傳播特性，應用菲涅爾區的概念進行分析，則從波源到觀察點的電波可認為是通過許多菲涅爾區傳播的，且在觀察點的合成場強E≈E1／2(E1為第一菲涅爾區的場強)，即只要保證第一菲涅爾區的一半不被地形地物遮擋．就可近似得到自由空間傳播時的場強。若要知道阻擋物多高才能滿足傳播條件，必須計算第一菲涅爾區的半徑F1單位為m，計算方法為：

式中，d指收發間距離，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，相對遮擋面積就越小，接收點場強就越大，因此，頻率越低，繞射能力越強。
2．2 地面反射因素
在微波的傳播過程中，在接收點除收到直射波外，還會收到經地面反射的反射波。反射點到直射波的垂直距離稱余隙hc,接收點的合成場強與自由空間場強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稱相對余隙。借助余隙hc計算V，其計算過程如下：

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為第一菲涅耳區半徑，m；φ為反射系數。
從以上計算過程可知，衰落因子V與相對余隙HC／F1有關。如圖2所示，當hc／F1=0．577時，V=1，VdB=0 dB，收信場強E=E0，此時余隙具有特殊意義，記為h0=0．577F1稱為自由空間余隙。當hc/F10．577時，發生繞射衰落較大；隨著余隙增大，反射點處于第一菲涅爾區，反射信號與直射信號同相相加，使衰落因子出現正值；當余隙增大到一定程度時，反射點進入第二菲涅爾區內，反射信號與直射信號反相，衰落因子急劇下降，甚至會造成信號中斷。
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，當接近諧振頻率時就會產生共振吸收，使微波產生衰減，但其相對于自由空間產生的衰減是微不足道的；另外雨霧中的小水滴也會使電磁波產生散射衰落，一般在10 GHz以下，衰耗并不嚴重。因此，這里主要研究大氣折射的影響。