西安电子科技大学：《电波传播概论》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五部分 对流层电波传播

Xidian University 第五都分对流层电波传播 主讲：李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh CN/index.htm

第五部分 对流层电波传播 主讲： 李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh_CN/index.htm

电波传播概论 Xidian University 对流层传播(Tropospheric Radio Propagation)(含 平流层或同温层（Stratesphere)传播)，当频率高于 10GHz时需考虑大气的吸收和降水的衰减等，一般需 选择大气窗口频率。 传播机制主要有： 1视线传播，用于微波中继通信、超短波和微波定位测 速等。 2对流层散射传播，米波和分米波 3障碍绕射传播，主要在短波高端、超短波和微波无线 通信线路。 4大气波导传播，主要在米波至厘米波波段。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 对流层传播（Tropospheric Radio Propagation）（含 平流层或同温层（Stratesphere）传播），当频率高于 10GHz 时需考虑大气的吸收和降水的衰减等，一般需 选择大气窗口频率。 传播机制主要有： 1 视线传播，用于微波中继通信、超短波和微波定位测 速等。 2 对流层散射传播，米波和分米波 3 障碍绕射传播，主要在短波高端、超短波和微波无线 通信线路。 4 大气波导传播，主要在米波至厘米波波段

电波传播概论 Xidian University 对流层折射 在真空中，电（光）波传播的三个基本规律： 1直线传播； 2速度真空光速c; 3 Doppler频率正比于到目标的径向几何距离的变化率 (目标对观察，点的径向速度)。 在实际大气中，电（光）波传播的三个基本规律： 1不再是直线传播；曲线、折线； 2速度小于真空光速c; 3 Doppler频率不（严格)正比于到目标的径向几何距离 的变化率（目标对观察点的径向速度)。 由于折射指数不等于1引起的效应，统称为折射效应。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 3 一、对流层折射 在 真 空 中 ， 电 （ 光 ） 波传播的三个基本规律： 1 直线传播； 2 速度真空光速c； 3 Doppler频率正比于到目标的径向几何距离的变化率 （目标对观察点的径向速度）。 在实际大气中，电（光）波传播的三个基本规律： 1 不再是直线传播；曲线、折线； 2 速度小于真空光速c； 3 Doppler频率不（严格）正比于到目标的径向几何距离 的变化率（目标对观察点的径向速度）。 由于折射指数n不等于1引起的效应，统称为折射效应

电波传播概论 Xidian University 1、球面分层大气中的折射 在低层大气层中，大气折射指数沿高度的变化远远大于沿 水平方向的变化。因此，一般情况下，可以认为大气的折射 指数是球面分层水平均匀的，也即 n=n(r)=n(h) 其中 =r+h一地心至观察点的距离 ro-a+hs h一从地面算起的高度 a一地球半径 h。—地面海拔高度 n仅是高度h或至地心距离r的函数，与水平坐标无关。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 1、球面分层大气中的折射 在低层大气层中, 大气折射指数n沿高度的变化远远大于沿 水平方向的变化。 因此，一般情况下, 可以认为大气的折射 指数n是球面分层水平均匀的,也即 n n r n h = = ( ) ( ) 其中 r=r0+h——地心至观察点的距离 r0=a+hs h——从地面算起的高度 a——地球半径 hs——地面海拔高度 n仅是高度h或至地心距离r的函数，与水平坐标无关

电波传播概论 Xidian University 球面大气中的斯奈尔定律 在这种球面分层大气中，折射指数梯度为 dn r Vn= dr r 显然，它的方向是沿着地心至观察点的夫径r的方向， 经过把它转换到电波传播射线上，则射线上始终保持 r×(nl)=常矢量 l,—沿射线的单位夫量。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 球面大气中的斯奈尔定律 在这种球面分层大气中,折射指数梯度为 d d n n r r  =  r 显然, 它的方向是沿着地心至观察点的矢径r的方向, 经过把它转换到电波传播射线上,则射线上始终保持 0 r nl  = ( ) 常矢量 l0——沿射线的单位矢量

电波传播概论 Xidian University r×(nl)=常矢量 讨论： 1、在射线的每一点上，rX(nl)这个矢量 的方向都相同，也即r和lw所在平面的取向 不变，因此射线是平面曲线； 2、rX(nlo)的绝对值在射线上等于常数， 即 rsin⑩=const p是从地心引出的夫径与射线的夹角，也即 是射线的天顶角。 通常习惯于使用射线的仰角0，显然8三力 所以有 nrcos const 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 0 r nl  = ( ) 常矢量 讨论： 1、 在射线的每一点上, r×(nl0 ) 这个矢量 的方向都相同, 也即r和l0所在平面的取向 不变, 因此射线是平面曲线; 2、r×(nl0 )的绝对值在射线上等于常数, 即 nrsin const  = φ是从地心引出的矢径r与射线的夹角, 也即 是射线的天顶角。 通常习惯于使用射线的仰角θ，显然 π 2   = − 所以有 nrcos const  =

电波传播概论 Xidian University nrcos const +0+t行 2 +8+ 假设在射线的初始出发，点的折射 指数为o,射线的仰角为0，初始 出发点至地心的距离为ro=a+h, 一射线 则 n+dn nrcose norcose 地面 dd. 球面分层大气的斯奈尔定律 如果球面的半径为无限大，也即球 面退化成平面，此时rro=1+h/r≈1。 则平面分层情况下的折射公式，即 ncos0 ncose 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 nrcos const  = 假设在射线的初始出发点的折射 指数为n0 , 射线的仰角为θ0 , 初始 出发点至地心的距离为r0=a+hs , 则 0 0 0 nrcos n r cos   = ——球面分层大气的斯奈尔定律 如果球面的半径为无限大, 也即球 面退化成平面, 此时r/r0=1+h/r0≈1。 则平面分层情况下的折射公式,即 0 0 ncos n cos   =

电波传播概论 Xidian University 射线描迹 +0+ 2 +8+p 为了清楚地描述射线的轨道，在 已知，ro,c0s0的情况下，可用 射线 地面上的距离d和高度h的函数关 n十dn 系代表射线的轨迹方程。 一组d和h的数据可以惟一地确定 地面 dd 射线上对应点的位置。 在射线上，令点Q的相应坐标是d ! 和h,由点Q移动到P点时，相应的 半径r和高度h的变化为 dr dh tane rdp 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 射线描迹 为了清楚地描述射线的轨道, 在 已知n0 , r0 , cosθ0的情况下, 可用 地面上的距离d和高度h的函数关 系代表射线的轨迹方程。 一组d和h的数据可以惟一地确定 射线上对应点的位置。 在射线上, 令点Q的相应坐标是d 和h, 由点Q移动到P点时, 相应的 半径r和高度h的变化为 dr dh tan rd = =   ·

电波传播概论 Xidian University dr dh tane rdo +0+t行 +8+g 其中，dφ为地心张角的变化 2 do=dd Ir 一射线 dd为地面距离d的变化，将其代 n+dn 入上式，并考虑r=r+h,可得 地面 dd cote dd dh 1+h/ 01= 将上式积分，便得到对于高度h, 射线在地面上的投影距离d为 cot O dh 1+h/ 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 其中，dφ为地心张角的变化 dr dh tan rd = =   · 0 d dd r  = / dd为地面距离d的变化，将其代 入上式，并考虑r=r0+h，可得 0 cot d d 1 / d h h r  = + 将上式积分, 便得到对于高度ht , 射线在地面上的投影距离d为 t 0 0 cot d 1 / h d h h r  = + 

电波传播概论 Xidian University cot 0 讨论 dh 1+h/r 1、cot0的计算 由snell定理 nrcose norcose 可得 cos0=n6cos0。 cosθ cot nr e cos2 0 noro 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 t 0 0 cot d 1 / h d h h r  = + 讨论  1、cot 的计算 0 0 0 由snell定理 nrcos n r cos   = 可得 0 0 0 cos cos n r nr   = 1 2 2 0 0 0 cos sin 1 n r nr       = −           0 1 2 2 2 0 0 0 cos cot cos nr n r    =         −      