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二、组
成
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编号
课 程 名 称
无线电波传播基础知识 第一册 [单击此处键入模块名称] [单击此处键入模块名称] 第二册 [单击此处键入模块名称] [单击此处键入模块名称] 第三册 [单击此处键入模块名称]
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移动网规网优部 2007 年 07 月
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课程模块名称
课程目标： 课程目标：
了解电磁波的产生和传播、几个相关基本概念及波段划分 掌握无线电波在自由空间的传播及视距传播的极限距离 掌握无线电波几种实际传播途径及陆地移动通信环境特点 无线电波的衰落特性（重点为快衰落和慢衰落） 了解菲涅尔区、多普勒频移及时间散几种现象 了解常用的宏蜂窝及微蜂窝模型 参考资料： 参考资料：
电波传播概论 电波传播与信道模型 移动通信
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目
FABS-034录
第 1 章 电磁波基础 5 1.1 电磁波的产生 5 1.2 电磁波的传播 6 1.3 电磁波的几个相关基本概念 6 1.3.1 电磁波的传播速度 v 6 1.3.2 电磁波的波长 λ 7 1.3.3 电磁波的频率 f 7 1.3.4 近区场、感应区及辐射区 8 1.3.5 几个相关单位 9
1.3.5.1 功率单位 w 和 dBm 9 1.3.5.2 表征相对值的单
位 dB 与 dBc 9 1.3.5.3 天线增益的单位 dBi 和 dBd 10 1.3.5.4 dBuv 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 1.4 电磁波波段的划分 11 第 2 章 无线电波的传播 15 2.1 无线电波在自由空间中的传播 15 2.1.1 自由空间的路径损耗计算公式 15 2.1.2 自由空间路损公式的推导 16
2.1.2.1 自由空间的功率通量密度 Pd（w/m2） 16 2.1.2.2 天线孔径 Ae 和天线增益 G 17 2.1.2.3 接收信号功率 Pr（w） 17 2.1.2.4 自由空间的路径损耗 PL（dB） 17
2.2 视距与非视距传播 18 2.2.1 视距传播 18
2.2.1.1 视距传播的一般形式 18 2.2.1.2 视距传播的极限距离 18
2.2.2 非视距传播 19
2.2.2.1 绕射波 19 2.2.2.2 对流层反射波 20 2.2.2.3 电离层反射波 20
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2.3 无线电波的实际传播途径 21 2.3.1 直射 21 2.3.2 反射与折射 22 2.3.3 绕射（衍射） 23 2.3.4 散射 24 2.3.5 穿透 24 2.4 陆地移动通信环境特点 25 2.4.1 传播环境的复杂性 25 2.4.2 移动台的随机移动性 25 2.4.3 信号电平随机变化 25 2.4.4 传播的开放性 25 2.4.5 人为噪声现象严重 26 2.4.6 波导效应 26 2.5 无线电波的衰落特性 26 2.5.1 慢衰落（阴影衰落） 27
2.5.1.1 慢衰落的概念 27 2.5.1.2 慢衰落的对数正态分布 28 2.5.1.3 慢衰落余量的计算 30 2.5.1.4 慢衰落余量的计算举例 35
2.5.2 快衰落（瑞利衰落） 36
2.5.2.1 快衰落的概念 36 2.5.2.2 快衰落的三个选择性特性 37 2.5.2.3 快衰落的几个特征量 39 2.5.2.4 快衰落的瑞利分布 40 2.5.2.5 快衰落余量的预留 42
2.6 菲涅尔区和多普勒频移、时间散 42 2.6.1 菲涅尔区与菲涅尔余隙 42
2.6.1.1 第一菲涅尔区及最小菲涅尔半径 42 2.6.1.2 菲涅尔余隙 44
2.6.2 多普勒频移 45
2.6.2.1 多普勒效应 45 2.6.2.2 多普勒频移 46
2.6.3 时间散和均衡 47
2.6.3.1 时间散 47 2.6.3.2 均衡 48 -ii-
第 3 章 无线电波传播模型 51 3.1 OKUMURA-HATA 模型 51 3.2 COST-231 模型 57 3.3 通用模型 58 3.4 COST231-WALFISH-IKEGAMI 模型 61
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第1章 电磁波基础 章 电磁波
知识点 电磁波的产生和传播 电磁波的几个相关基本概念，如波长、频率、传播速度，dB，dBm，dBuv 等 无线电波波段的划分
1.1 电磁波的产生 电磁波的产生
Maxwell 建立了宏观电磁场现象的统一理论，奠定了无线电技术理论基础。在时 变电磁场中，变化的磁场激发旋涡电场；而变化的电场同样可以激发涡旋磁场。 电场与磁场之间的相互激发可以脱离电荷和电流而发生。 电场与磁场的相互联系， 相互激发，时间上周而复始，空间上交链重复，这一过程预示着波动是电磁场的 基本运动形态。他的这一预言在 Maxwell 去世后（1879 年）不到 10 年的时间内， 由德国科学家 Hertz
通过实验证实，从而证明了 Maxwell 的假设和推广的正确性。
图 1.1-1 电磁波的产生
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1.2 电磁波的传播 电磁波的
电磁波是一种能量传输形式，以 TEM 波（横电磁波）的形式传播，类似于池塘 的波纹，在传播过程中波的能量会逐渐减弱。电场和磁场在空间是相互垂直的， 同时这两者又都垂直于传播方向，如下图：
图 1.2-1 电磁波的传播
1.3 电磁波的几个相关基本概念 电磁波的几个相关基本概念
1.3.1 电磁波的传播速度 v 电磁波的传播速度
电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化。电磁波在真空中传播的速度，等 于光在真空中传播的速度。光和电磁波在本质上是相同的，可以理解为光是具有 一定波长的电磁波。电磁波在真空中的传播速度等于光速，我们用Ｃ＝３×10^8 米／秒表示。在其他媒质中的传播速度为： Ｖε＝Ｃ/sqrt(ε) 式中ε为传播媒质的介电常数。空气的介电常数与真空的很接近，略大于１。因 此电磁波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们认为就等于光速。
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第1章
电磁波基础
1.3.2 电磁波的波长 λ 电磁波的波长
电磁波的传播具有周期性，这又包括时间周期性和空间周期性。 在任意时刻，波长在空间的分布具有周期性，即物理量在空间周期分布，这种周 期性用波长 λ 来描述。 可以这样理解： 电磁波的波长是指电磁波在介质中传播时， 相邻两个波峰与波峰之间，或者波谷与波谷之间的距离，单位为米。
图 1.3-1 电磁波的波长
1.3.3 电磁波的频率 f 电磁波的频率
我们已经知道，电磁波不仅具有空间上的周期性，还具有时间周期性。 在波场中任一位置（点） ，该点的物理量经过一定的时间后又恢复原来的数值，具 有时间周期性。这种周期性可以用振动的周期 T 来描述，振动的频率为周期的倒 数，表示为 f=1/T，单位为 Hz。
图 1.3-2 电磁波的频率 波长、频率、传播速度满足如下关系： λ=v/f 由上述关系式不难看出，同一频率的电磁波在不同的媒质中传播时，速度是不同 的，因此波长也不一样。在研究移动通信中的无线电波在自由空间传播时，V 可 认为是光速，上述公式为 λ=c/f
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1.3.4 近区场、感应区及辐射区 区场、 感应区及辐射区
电磁场有三个尺度，分别为源区尺度、电磁波波长及场点至源点距离，分别表示 为：|r|，λ 和|r’|，用图表示为
图 1.3-3 电磁场的三种尺度 内圈看作|r’|，表示由源直接产生的静态电磁场；外圈看作|r|，是由电磁场相互激 发产生的电磁场。 根据上面的三个尺度，我们将整个电磁场分为近区场、感应区和辐射区。
（1） 近区场 |r-r’|/λ<<1，即源直接产生的静态电磁场远大于电磁场相互激发所产生的电磁场， 我们把这部分区域称为近场区。 （2） 感应区 |r-r’|/λ 1，即源直接产生的静态场与变化电磁场相互激发所产生的电磁场同时并 存，量级上相当。这部分区域我们称为感应区。 （3） 辐射区 |r-r’|/λ>>1，即源直接激发的静态场远小于电磁场相互激发而形成的电磁场，此时 电磁场主要以波动形式将源的能量辐射出去，这一区域称为远场区，或者称为辐 射区，是我们在电磁波传播中研究最多的部分，也是我们关注的重点。 远场区的判决条件，应满足 Fraunhofer（弗朗荷费）距离条件。 d > 2 D2/λ 且，d >> D 且，d >>λ 其中 D 为天线最大尺寸，λ为电磁波波长，d 为与天线的距离。
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第1章
燃气吹灰器电磁波基础
例如：GSM900，天线长 2 米，则远区条件为： d > 2 D2/λ=2×4/0.333=24m 并考虑 d >> D，远区一般应在 50m 以上。
1.3.5 几个相关单位 几个相关单位
1.3.5.1 功率单位 w 和 dBm W 是功率的单位，dBm(dBw，dBKW)是考征功率绝对值的对数标度定义，与 w 之间的转换关系为： P(dBm)=10lg（P(W)/10^-3） （ ） 同样的 dBw 与 dBkw 与 W 的对应换算关系如下： P(dBw)=10lg（P(W)） （ ） P(dBKW)=10lg（P(W)/10^3） （ ） 【例 1】 如果发射功率 P 为 1mw，折算为 dBm 后为 0dBm。 【例 2】对于 40W 的功率，按 dBm 单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。 1.3.5.2 表征相对值的单位 dB 与 dBc 表征相对值的单位 1、增益（或损耗）G＝xx 倍，无量纲。 增益一般是在有源器件中对放大器等元器件放大能力的衡量。加入输入功率为 Pin，输出功率为 Pout，则增益 G=Pout/Pin。 【例 1】输出功率 Pout=GΣ×Pin 【例 2】级联系统传输系数 GΣ＝G1×G2×G3×…×Gn（非线性）
2、无线电信号在传播路径损耗上是路径的幂函数，具有对数线性。 功率增益（或损耗）G(dB)=10lgG（单位为 dB 无量纲 ） 【例 1】某功率放大器放大倍数 200 倍，则功率增益＝10lg200=23dB 【例 2】级联系统传输系数 GΣ (dB)=10lg （G1×G2×G3×…×Gn） = 10lgG1+10lgG2+10lgG3+……+10lgGn （单位为 dB）
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3、dBc dBc 也是一个表示功率相对值的单位， dB 的计算方法完全一样。 与 一般来说， dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对 值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、 杂散等的相对量值。 在采用 dBc 的地方，原则上也可以使用 dB 替代。 1.3.5.3 天线增益的单位 dBi 和 dBd 天线增益 增益的单位 天线是无源器件，但也有“增益”的概念。这个概念与
放大能力无关，而主 要是指相对于一个等功率各向同性的辐射器（理想点源）或者单一对称半波振子 而言，由于改变其在各个方向上的功率分配，使其在某个方向上产生了一定增益。 天线的增益一般与天线方向图有关，相同振子的条件下，方向图主瓣越窄，后瓣、 副瓣越小，增益越高。 根据相对对象的不同，天线增益的单位为 dBi 和 dBd。
图 1.3-4 理想电源
图 1.3-5 单一对称半波振子 dBi-天线相对于理想电源的增益 dBd-天线相对于单一对称半波振子的增益 两者的关系为
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第1章
电磁波基础
dBi=2.15+dBd
图 1.3-6 dBi 与 dBd
1.4 电磁波波段的划分 电磁波波段的划分
可见光、紫外线、红外线、无线电波、X 射线等都是电磁波，只是他们的产 生方式和波长不同。下面是电磁波不同波段的光谱划分：
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图 1.4-1 电磁辐射谱 无线电波分布在 3Hz 到 3000GHz 之间， 在这个频谱内划分为 12 个带， 在不同的频 段内的频率具有不同的传播特性。频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；而 且频率越低，绕射能力越强。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此 主要应用于广播、电视、寻呼等系统。 高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越 近；而且频率越高，绕射能力越弱。另外频率越高，技术难度越大，系统的成本 也相应提高。 移动通信系统选择
所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF 频段与其他频段相 比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移动通信领域。当 然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动通信系统 必然要向高频段发展。
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第1章
电磁波基础
微 波
波段 极长波（EFL，极低频） 特长波（SLF，特低频） 超长波（ULF，超低频） 甚长波（VLF，甚低频） 长波（LF，低频） 中波（MF，中频） 短波（HF，高频） 超短波（VHF，甚高频） 分米波（UHF，超高频） 厘米波（SHF，特高频） 毫米波（EHF，极高频） 亚毫米波（超级高频）
频率范围 3～30Hz 30～300Hz 300～3000Hz 3～30KHz 30～300KHz 300～3000KHz 3～30MHz 30～300MHz 300～3000MHz 3～30GHz 30～300GHz 300～3000GHz
波长范围 5 4 10 ～10 km 4 3 10 ～10 km 3 2 10 ～10 km 2 10 ～10km 10～1km 3 2 10 ～10 m 2 10 ～10m 10～1m 2 10 ～10cm 10～1cm 10～1mm 1～0.1mm
图 1.4-2 无线电波波段的划分
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第2章 无线电波的传播 章 无线电波的传播
知识点 无线电波在自由空间的传播及视距的极限传播距离计算 无线电波的几种实际传播途径，包括直射、反射、折射、绕射、散射及穿透等 陆
地移动通信环境的特点 无线电波在空间中的衰落特性及阴影衰落余量的计算 菲涅尔区、多普勒频移和时间散
2.1 无线电波在自由空间中的传播 无线电波在自由空间中的传播
2.1.1 自由空间的路径损耗计算公式
蛋白纯化所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播， 它是理想传播条件。 电波在自由空间传播时， 其能量既不会被障碍物所吸收， 也不会产生反射或散射。 自由空间的电波传播公式为： PL(dB)=32.44+20lgf（MHz）+20lgd（km） （ ） （ ） 其中，PL 为自由空间的路损 Path Loss，单位是 dB，他只与载波的频率和接收点 与发射点的距离有关； f 为载波的频率，单位是 MHz； d 为发
射源与接收点的距离，单位是 km。 自由空间基本传输损耗 Ls 仅与频率 f 和距离 d 有关。当 f 和 d 扩大一倍时，Ls 均增加 6dB，由此我们可知 GSM1800 传播损耗在自由空间就比 GSM900 基 站大 6 个 dB，如图所示。
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图 2.1-1 自由空间中 GSM900 与 1800M 的比较 下面我们来看看这个公式是如何推导出来的。
2.1.2 自由空间路损公式的推导
循环流化床锅炉脱硫
2.1.2.1 自由空间的功率通量密度 Pd（w/m2） （ 假设在自由空间中，能量以球面方式辐射，如下图：
图 2.1-2 电磁波在自由空间中的球面辐射 假设源的发射功率为 Pt（w） ，在不考虑天线增益的情况下，在半径为 d（m）的 球表面积的辐射功率密度为 Pd（w/m2） ，
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第2章
无线电波的传播
2.1.2.2 天线孔径 Ae 和天线增益 G 天线孔径 Ae，可以理解成垂直于辐射通量的天线面积。 天线增益 G，是衡量了天线电磁转换的能力和效率，与天线孔径 Ae 及载波波长 有关，满足如下公式：
波纹管换热器
2.1.2.3 接收信号功率 Pr（w） 接收信号 信号功率 （ ） Pr=Pd×Ae 那么在位置 d 处，接收信号的功率 Pr 为通过该处球表面积的辐射功率，
系统因子 K 取决于天线增益 （接收天线增益 Gr 和发射天线增益 Gt） 系统损耗因 、 子（L）和载波的波长（λ） 。将（1）（2）中的公式代入（3）中，可以得到： 、
如果不考虑天线的增益 Gt，Gr，也不考虑系统损耗因子 L，即经过各种器件的增 益与损耗都不计入，则此时公式可变为： Pr（d）=Pt*λ2/d2*(4 )2 2.1.2.4 自由空间的路径损耗 PL（dB） 自由空间的路径损耗 （ ） PL(dB)=Pt(dB)-Pr(dB) =-10lg[λ2/d2*(4 )2] =-20lgλ+20lgd+20lg4 =-20lg(C/f)+ 20lgd+20lg4 =20lg(4 /C)+20lgf(MHz)+20lgd(km) C=3×105(km/s)/106，代入上式，可得到 PL(dB) =20lg（4* /0.3）+20lgf(MHz)+20lgd(km) = 32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)
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如果需要考虑天线增益 Gt（dBi） ，Gr（dBi）与系统损耗因子 L（dB）的话，那 么上式应该调整为： PL(dB)= 32.44+20lgf(MHz)+20lgd(km)-Gt(dBi)
