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2024-06-23
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更新時(shí)間：2024-06-23 09:04:08作者：未知
空氣的介電常數(shù)（常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)）-07-17 17:20六六技術(shù)人
前面幾期推文，為大家分享了關(guān)于5G波段的那些事。
其實(shí)回歸到頻段本身，都是屬于無線電波。無線電則是伴隨人類工業(yè)發(fā)展而來的，是當(dāng)今全球通訊的重要方式，目前還沒有找到更好的方案。
因?yàn)闊o線電所涉及的范圍是非常廣的，本次就從頻段這個(gè)小版塊進(jìn)行分析，從頻率和波段的角度，具體分析無線電波。
無線電波是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的射頻頻段的電磁波。無線電波的波長越短、頻率越高，相同時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒕驮蕉?。無線電波在空間中的傳播方式有以下情況：直射、反射、折射、穿透、繞射（衍射）和散射。
無線電波介紹
電磁波的一種。頻率大約 為 10KHz～30，000，000KHz，或波長30000m～10m的電磁波，由于它是由振蕩電路的交變電流而產(chǎn)生的，可以通過天線發(fā)射和吸收故稱之為無線電波。
電磁波包含很多種類，按照頻率從低到高的順序排列為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及射線。無線電波分布在10KHz到3000GHz的頻率范圍之間。
在不同的波段內(nèi)的無線電波具有不同的傳播特性
頻率越低，傳播損耗越小，覆蓋距離越遠(yuǎn)，繞射能力也越強(qiáng)。但是低頻段的頻率資源緊張，系統(tǒng)容量有限，因此低頻段的無線電波主要應(yīng)用于廣播、電視、尋呼百思特網(wǎng)等系統(tǒng)。
高頻段頻率資源豐富，系統(tǒng)容量大。但是頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近，繞射能力越弱。另外，頻率越高，技術(shù)難度也越大，系統(tǒng)的成本也相應(yīng)提高。
移動(dòng)通信系統(tǒng)選擇所用頻段時(shí)要綜合考慮覆蓋效果和容量。UHF頻段與其他頻段相比，在覆蓋效果和容量之間折衷得比較好，因此被廣泛應(yīng)用于手機(jī)等終端的移動(dòng)通信領(lǐng)域。當(dāng)然，隨著人們對(duì)移動(dòng)通信的需求越來越多，需要的容量越來越大，移動(dòng)通信系統(tǒng)必然要向高頻段發(fā)展。
無線電波的速度只隨傳播介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化。無線電波在真空中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度，因?yàn)闊o線電波和光均屬于電磁波。無線電波在其他介質(zhì)中傳播的速度為V=C/sqrt()。其中為傳播介質(zhì)的介電常數(shù)?？諝獾慕殡姵?shù)與真空很接近，略大于1，因此無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速，通常我們近似認(rèn)為就等于光速。
無線電波的傳播
無線電波的傳播方式
對(duì)于自由空間，在自由空間中由于沒有阻擋，電波傳播只有直射，不存在其他現(xiàn)象。
而對(duì)于日常生活中的實(shí)際傳播環(huán)境，由于地面存在各種各樣的物體，使得電波的傳播有直射、反射、繞射（衍射）等，另外對(duì)于室內(nèi)或列車內(nèi)的用戶，還有一部分信號(hào)來源于無線電波對(duì)建筑的穿透。這些都造成無線電波傳播的多樣性和復(fù)雜性，增大了對(duì)電波傳播研究的難度。
直射
直射在視距內(nèi)可以看做無線電波在自由空間中傳播。直射波傳播損耗公式同自由空間中的路徑損耗公式：
PL=32.44+20lgf+20lgd。其中，PL為自由空間的路損，單位是dB。F為載波的頻率，單位是MHz。d為發(fā)射源與接收點(diǎn)的距離，單位是km。
反射、折射與穿透
在電磁波傳播過程中遇到障礙物，當(dāng)這個(gè)障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于電磁波的波長時(shí)，電磁波在不同介質(zhì)的交界處會(huì)發(fā)生反射和折射。另外，障礙物的介質(zhì)屬性也會(huì)對(duì)反射產(chǎn)生影響。對(duì)于不良導(dǎo)體，反射不會(huì)帶來衰減；對(duì)于絕緣體，他只反射入射能量的一部分，剩下的被折射入新的介質(zhì)繼續(xù)傳播；而對(duì)于非理想介質(zhì)，電磁波貫穿介質(zhì)，即穿透時(shí)，介質(zhì)會(huì)吸收電磁波的能量，產(chǎn)生貫穿衰落。穿透損耗大小不僅與電磁波頻率有關(guān)，而且與穿透物體的材料、尺寸有關(guān)。
一般室內(nèi)的無線電波信號(hào)是穿透分量與繞射分量的疊加，而繞射分量占絕大部分。所以，總的來看，高頻信號(hào)（例如1800MHz）的室內(nèi)外電平差比低頻信號(hào)（800MHz）的室內(nèi)外電平差要大。并且，低頻信號(hào)進(jìn)入室內(nèi)后，由于穿透能力差一些，在室內(nèi)進(jìn)行各種反射后場(chǎng)強(qiáng)弱分布更均勻；而高頻信號(hào)進(jìn)入室內(nèi)后，部分穿透又穿透出去了，室內(nèi)信號(hào)分布就不太均勻，也就使用戶感覺信號(hào)波動(dòng)大。
繞射（衍射）
在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個(gè)障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時(shí)，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進(jìn)行陰影區(qū)域的覆蓋。
散射
在電磁波傳播過程中遇到障礙物，這個(gè)障礙物的尺寸小于電磁波的波長，并且單位體積內(nèi)這種障礙物的數(shù)目非常巨大時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。散射發(fā)生在粗糙物體、小物體或其它不規(guī)則物體表面，如樹葉、街道標(biāo)識(shí)和燈柱等。
不同距離下無線電波的傳播
視距傳播
無線電波視距傳播的一般形式主要是直射波和地面反射波的疊加，結(jié)果可能使信號(hào)加強(qiáng)，也可能使信號(hào)減弱。
由于地球是球形的，受地球曲率半徑的影響，視距傳播存在一個(gè)極限距離Rmax，它受發(fā)射天線高度、接收天線高度和地球半徑影響。
非視距傳播
無線電波非視距傳播的一般形式有：繞射波、對(duì)流層反射波和電離層反射波。
①繞射波
繞射波是建筑物內(nèi)部或陰影區(qū)域信號(hào)的主要來源。繞射波的強(qiáng)度受傳播環(huán)境影響很大，且頻率越高，繞射信號(hào)越弱。
②對(duì)流層反射波
對(duì)流層反射波產(chǎn)生于對(duì)流層。對(duì)流層是異類介質(zhì)，由于天氣情況而隨時(shí)間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲。對(duì)流層反射方式應(yīng)用于波長小于10米（即頻率大于30MHz）的無線通信中。對(duì)流層反射波具有極大的隨機(jī)性。
③電離層反射波
當(dāng)電波波長大于1米（即頻率小于300MHz）時(shí)，電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有一個(gè)或多個(gè)跳躍，因此這種傳播用于長距離通信，同對(duì)流層一樣，電離層也是具有連續(xù)波動(dòng)的特性。
無線電波在陸地移動(dòng)通信環(huán)境下的特點(diǎn)
傳播環(huán)境的復(fù)雜性
由于移動(dòng)終端的天線高度比較低，傳播路徑總是受到地形及人為環(huán)境的影響，使得接收信號(hào)大量的散射、反射或疊加。
傳播環(huán)境的復(fù)雜性體現(xiàn)在地形、人為建筑物、人為噪聲干擾的多樣性。比如，周圍有樹林的地形，樹葉會(huì)造成無線電波大量的散射。而對(duì)于城市環(huán)境，由街道兩旁的高大建筑導(dǎo)致的波導(dǎo)效應(yīng)，使得街道上沿著傳播方向的信號(hào)增強(qiáng)，垂直于傳播方向的信號(hào)減弱，兩者相差可達(dá)10dB左右。另外，機(jī)動(dòng)車的點(diǎn)火噪聲、電力線噪聲、工業(yè)噪聲等人為噪聲，都會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成干擾。
移動(dòng)終端的隨機(jī)移動(dòng)性
移動(dòng)終端總是在移動(dòng)，即使移動(dòng)終端不動(dòng)，周圍環(huán)百思特網(wǎng)境也一直在變化，如人、車的移動(dòng)，風(fēng)吹動(dòng)樹葉等，使得基站與移動(dòng)終端之間的傳播路徑不斷發(fā)生變化。并且移動(dòng)終端相對(duì)基站的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度的變化，都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電平的變化，只能用隨機(jī)過程的概率分布來描述。
傳播的開放性
無線電波傳播空間的開放性導(dǎo)致空間干擾現(xiàn)象嚴(yán)重。比較常見的有同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾等。隨著頻率復(fù)用系數(shù)的提高，同頻干擾將成為主要干擾。
傳播特性
無線電波自發(fā)射地點(diǎn)到接收地點(diǎn)主要有天波、地波、空間直線波3種傳播方式，各波特性如下：
地波：沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姴?，稱為地波。在傳播過程中因電波受到地面的吸收，其傳播距離不遠(yuǎn)。頻率越高，地面吸收越大，因此短波、超短波沿地面?zhèn)鞑r(shí)，距離較近，一般不超過100公里，而中波傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是受氣候影響較小，信號(hào)穩(wěn)定，通信可靠性高。
天波：靠大氣層中的電離層反射傳播的電波，稱為天波，又稱電離層反射波。發(fā)射的電波是經(jīng)距地面70—80公里以上的電離層反射后至接收地點(diǎn)，其傳播距離較遠(yuǎn)，一般在1000公里以上。缺點(diǎn)是受電離層氣候影響較大，傳播信號(hào)很不穩(wěn)定。短波頻段是天波傳播的最佳頻段，漁業(yè)船舶配備的短波單邊帶電臺(tái)，就是利用天波傳播方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的設(shè)備。
空間直線波：在空間由發(fā)射地點(diǎn)向接收地點(diǎn)直線傳播的電波，稱空間直線電波，又稱直線波或視距波。傳播距離為視距范圍，僅為數(shù)十公里。漁業(yè)船舶配備的對(duì)講機(jī)和雷達(dá)均是利用空間波傳播方式進(jìn)行通信的設(shè)備。
橫波：無線電波是橫波。即電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向都與波的傳播方向垂直.無線電波在空間傳播時(shí)，必然要受到大氣層的影響，尤其以電離層的影響最為顯著，使無線電波發(fā)生折射和衰減.其中，波長越大，折射與衰減越大。
根據(jù)無線電波波長不同的傳播特性，不同的通信業(yè)務(wù)使用不同的波段.比如長波用于導(dǎo)航、固定業(yè)務(wù);中短波用于移動(dòng)業(yè)務(wù);微波用于無線電天文、空間通信。
無線電波的特性
無線電波的衰落特性
無線電波在傳播過程中的衰落，是它非常重要的特性，可以從大、中、小三種尺度來描述。
大尺度用來描述中值信號(hào)（區(qū)域均值）。它具有冪定律傳播特性，即中值信號(hào)功率與距離長度增加的某次冪成反比關(guān)系。
中尺度用來描述慢衰落。它是重疊在大尺度傳播特性的中值電平上的平均功率變化。當(dāng)用分貝表示時(shí)，這種變化趨于正態(tài)分布。
小尺度用來描述快衰落。它通常服從瑞利概率密度函數(shù)，又稱為瑞利衰落。
多普勒頻移
根據(jù)多普勒效應(yīng)，由于無線電波發(fā)射端和接收端之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收端接收到的信號(hào)頻率將與發(fā)射端發(fā)出的信號(hào)頻率之間存在一個(gè)差值，該差值就是多普勒頻移。
多普勒頻移符合下面的公式：
時(shí)間色散和均衡
時(shí)間色散起源于反射，其反射信號(hào)來自于距離接收天線約幾千米外的物體。例如，由基站連續(xù)發(fā)送“1”、“0”的序列，如果遠(yuǎn)處反射信號(hào)到達(dá)移動(dòng)終端的時(shí)間剛好滯后直射信號(hào)一個(gè)比特，那么接收終端將從直射信號(hào)中檢出“0”，同時(shí)還從反射信號(hào)中檢出“1”，于是導(dǎo)致碼間干擾，這稱為時(shí)間色散。采用自適應(yīng)均衡技術(shù)可以減少時(shí)間色散的影響。
無線電波傳播
無線電波通過介質(zhì)或在介質(zhì)分界面的連續(xù)折射或反射，由發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)的過程。無線電通信是利用無線電波的傳播特性而實(shí)現(xiàn)的。因此，研究無線電波的傳播特性和模式，是提高無線電通信質(zhì)量的重大課題。
在通信中根據(jù)無線電波的波長（或頻率）把無線電波劃分為各種不同的波段（或頻段）。
不同波長（或頻率）的無線電波，傳播特性往往不同，應(yīng)用于通信的范圍也不相同。
長波傳播 距離300km以內(nèi)主要是靠地波，遠(yuǎn)距離(2000km)傳播主要靠天波。用長波通信時(shí)，在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定，但由于表面波衰減慢，對(duì)其它收信臺(tái)干擾大。長波受天電干擾的影響亦很嚴(yán)重。此外由于發(fā)射天線非常龐大，所以利用長波作為通信和廣播的不多，僅在越洋通信、導(dǎo)航、氣象預(yù)報(bào)等方面采用。
中波傳播 白天天波衰減大，被電離層吸收，主要靠地波傳播，夜晚天波參加傳播，傳播距離較地波遠(yuǎn)，它主要用于船舶與導(dǎo)航通信，波長為2000—200m的中波主要用于廣播。
短波傳播 有地波也有天波。但由于短波的頻率較高．地面吸收強(qiáng)烈，地表面波衰減很快，短波的地波傳播只有幾十公里。天波在電離層中的損耗減少，常利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和廣播。但由于電離層不穩(wěn)定，通信質(zhì)量不佳，短波主要用于電話電報(bào)通信，廣播及業(yè)余電臺(tái)。
超短波傳播 由于超短波頻率很高，而地波的衰減很大，電波穿入電離層很深乃至穿出電離層，使電波不能反射回來，所以不能利用地表面波和天波的傳播方式，主要用空間波傳播。超短波主要用于調(diào)頻廣播、電視，雷達(dá)、導(dǎo)航傳真、中繼、移動(dòng)通信等。電視頻道之所以選在超短波(微波及分米波)波段上，主要原因是電視需要較寬的頻帶(我國規(guī)定為8Mllz)。如果載頻選得比較低，例如選在短波波段，設(shè)中心頻率fo=20MHz，則相對(duì)帶寬f/fo=8/20=40%。這么寬的相對(duì)帶寬會(huì)給發(fā)射機(jī)、天饋線系統(tǒng)、接收機(jī)以及信號(hào)傳輸帶來許多困難，因此選超短波波段，提高載頻以減小相對(duì)帶寬。
主要傳播方式
地表波傳播：無線電波沿地殼表面?zhèn)鞑サ膫鞑ツＪ?，又稱地波傳播。地面吸收衰減導(dǎo)致波陣面前傾，使單位距離吸收衰減率隨傳播距離的增大而增大。地面吸收衰減隨頻率升高而增大。地波傳播用于中頻（中波）以下頻段。
電離層傳播：利用電離層和地面對(duì)電磁波的一次或多次反射進(jìn)行傳播的傳播模式，又稱天波傳播。電離層按高度由下而上地分為D、E、F1和F2等幾個(gè)主要層次。各個(gè)層次中部的電子密度最大值由下而上逐層增加，而電子和中性氣體分子的單位時(shí)間碰撞次數(shù)則逐層減少。電離層的高度和電子密度均隨季節(jié)、晝夜和太陽黑子活動(dòng)而變化。
無線電波只能在折射率n值隨高度遞減的區(qū)域開始折返地面，電波途徑最高點(diǎn)處的折射率n值等于電波入射角0的正弦函數(shù)。對(duì)應(yīng)于某一折射角，存在一個(gè)最高頻率，其傳播途徑的最高點(diǎn)可以達(dá)到F2層的最大電子密度區(qū)。此頻率稱為最高可用頻率MUF。頻率超過MUF的電波則穿透電離層不再返回地面。對(duì)應(yīng)于最大入射角的最高可用頻率的最大值約為30MHz。
由于電離層的吸收衰減，不同波段的無線電波各具有不同的特點(diǎn)，從而形成不同的傳播模式。①短波段：電波可穿過D、E層到達(dá)F層，一般可滿足條件，吸收衰減大致與頻率的平方成反比，所以工作頻率應(yīng)盡量接近MUF。由于MUF隨季節(jié)、晝夜和太陽黑子活動(dòng)周期變化，工作頻率必須相應(yīng)地改變。此外，地殼表面導(dǎo)電層的上界面，對(duì)大入射角短波有良好的反射作用，可使下行天波轉(zhuǎn)變?yōu)樯闲刑觳ǎ@樣就形成了多跳電離層傳播模式。②中波段：晝間的D層有強(qiáng)烈的吸收作用，只有當(dāng)夜間僅有E層存在時(shí)，才能形成電離層傳播模式。③長波段和超長波段：電離層下緣滿足條件V，晝間D層形成導(dǎo)電層反射面，夜間E層形成介質(zhì)層反射面，并與地殼表面導(dǎo)電層構(gòu)成大地-電離層波導(dǎo)的上下界面，其傳播衰減主要來自電離層的吸收，衰減值隨頻率遞增，超長波段的傳播距離可達(dá)數(shù)千公里。
電離層散射傳播：利用高度約85公里處電離層的不均勻性所產(chǎn)生的散射波進(jìn)行通信的傳播模式。工作頻率為30～60MHz，傳播距離為800～2000公里。
對(duì)流層散射傳播：利用無線電波在大氣湍流氣團(tuán)中產(chǎn)生的散射波進(jìn)行超視距通信的傳播模式。適用于超短波段，通信距離可達(dá)數(shù)百公里。
對(duì)流層視距傳播：在低層大氣中，利用直射波的傳播模式，可分為廣播通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩類。在大氣折射率隨高度增加而減小的正常分布情況下，直射波的傳播途徑向下彎曲，地球等效半徑大于實(shí)際半徑。當(dāng)大氣折射率在某高度區(qū)間出現(xiàn)隨高度增加而增大的異常分布時(shí)，就會(huì)形成大氣波導(dǎo)，使傳播衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常的自由空間衰減值，短于厘米波段的直射波還會(huì)因?yàn)橛?、雪、云、霧的吸收，雨滴的去極化和不均勻氣團(tuán)的散射，而受到影響。在收、發(fā)天線間不存在反射波屏蔽時(shí)，必須考慮地面反射波的影響。視距傳播是超短波段和微波段的主要傳播模式。用于廣播通信和移動(dòng)通信的傳播距離一般可達(dá)60公里，用于微波接力通信的傳播距離一般在50公里左右。
地空傳播：無線電波穿透電離層的直射傳播模式。電波穿過電離層會(huì)受到衰落、吸收、方向變化、傳播時(shí)延、頻率變化和極化面轉(zhuǎn)動(dòng)等的影響，這些影響隨頻率升高而迅速減弱。千兆赫以上的無線電波在穿過大氣層時(shí)，受到氧分子和水百思特網(wǎng)分子吸收。在頻率為60GHz處出現(xiàn)氧分子吸收峰值。水分子吸收則從頻率為 15GHz才開始顯著，并在頻率為23GHz處出現(xiàn)一個(gè)吸收峰值。由于10MHz～20GHz的電波在自由空間傳播所受的衰減影響較小，這個(gè)頻率范圍就形成一個(gè)無線電波的大氣窗口，適于地空傳播，是衛(wèi)星通信、空間通信的唯一傳播模式。
說回手機(jī)信號(hào)的5G波段，是屬于短波的，有些頻段屬于超短波。有情趣的朋友，其實(shí)可以去淘寶或者京東買一個(gè)全頻段的收音機(jī)，在空閑時(shí)間放在陽臺(tái)，手動(dòng)調(diào)試無線電波，一般情況下，中波和短波都會(huì)收到。
本期推文就到這了，我是六六技術(shù)人，我們一起說車談科技。
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