菲涅尔半径.ppt

电波传播的菲涅尔区 理想的自由空间应是无边际的，但是这样的空间是不存在的。 而对某一特定方向而言，却存在着能否视为自由空间传播的讨论，更有其实际的意义。 对此，我们来学习：电波传播的菲涅尔区概念。 如下图所示，空间A处有一球面波源，现在来讨论其辐射场的大小。 （1）菲涅尔带 根据 “惠更斯-菲涅尔”原理，做一半径为R的同心球面，则该球面上所有的同相惠更斯源对于远区观察点P来说，均可以视为二次波源。 若P点与A点相距d=R+r0，为了计算方便起见，先将球面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,:)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长此即为：物理学上的“菲涅尔带”（Fesnel Zone）。 在此情况下，相邻两带对应部分的惠更斯源在P点的辐射将有λ/2的波程差(即 互为反相，差为180°)，从而起到互相削弱的作用。 可以证明： 当r0λ时(即P点位于A点的远场区时)，各带的面积大致相等。 那么，若设第n个菲涅尔半波带在P点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,…) 则，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样， 它们在P点的场强有以下的关系式： 从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于是P点的合成场振幅为： 仔细观察上式， 如果总带数足够大，利用式（16）的结论， 可以认为： 上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看,可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔区。 作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。 也即，此时的传播空间才能被看成是“自由空间”! 所以在实际的通信系统设计中，对第一菲涅尔区的尺寸非常关注！下面我们就来求出第一菲涅尔区半径。 令第一菲涅尔区的半径为F1，则当各参数按下图所示时，根据第一菲涅尔区半径的定义 (4)菲涅尔空间的几何意义： 　　实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。 由式 可知： 第一， 波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭球越细长。 对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播。 第二， 由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、发两点之间不能视为自由空间传播。 而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为该收、发两点之间被视为自由空间传播， 说得更通俗一点，才可以用式： 计算接收点的场强振幅。 第三，电波的绕射现象： 如下图所示，即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。 在地面上的障碍物高度一定的情况下： 波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越大。 因此频率越低，绕射能力越强。 实际上，电磁信号在各种特定的媒质中传播的过程，除了以上介绍的基本特性之外，还可能遭受衰落，反射和折射，极化偏移，干扰和噪声，时、频域畸变等效应，并因此而具有复杂的时空频域变化特性。