2.1 无线电波的传播方式

现代移动通信广泛使用的频段是VHF和UHF。VHF为超短波（米波），波长范围为1～10m，频率范围为30～300MHz。UHF为分米波（微波），波长范围为0.1～1m，频率范围为300～3000MHz。这两个频段主要应用于无线电广播、通信、电视、雷达、导航、中继通信等。了解移动无线信道之前，首先要了解无线电波的传播方式和特点。

2.1.1 电波传播方式

发射机天线发出的无线电波可以通过不同的路径到达接收机天线。典型无线电波传播路径如图2-1所示，在移动通信中，主要的电波传播方式有地面波、天波、直射波和地面反射波。它们与电波频率和电波的极化方式有关。

1.地面波

电波沿着地球表面传播的方式为地面波，如图2-1中的（3）所示。地面波的传输损耗随着频率的升高而急剧增加，传播距离迅速减小。因此在VHF和UHF频段，地面波的传播可以忽略。

2.天波

从天线发射向高空辐射的电波在电离层内被连续折射而返回地面，到达接收天线的传播方式称为天波传播。这种传播方式以短波为主，可以进行数千千米的远距离传播。由于电离层特性的随机变化，天波信号的衰落现象比较严重。

3.直射波

从发射天线发出的电波直接到达在视距内的接收天线的传播方式称直射波。这种传播方式又称视距传播，为VHF和UHF频段的主要传播方式，如图2-1中的（1）所示。

4.地面反射波

从发射天线发出的无线电波经过地面反射，到达接收天线的传播方式称为地面反射波传播。在视距传播中，直射波和地面反射波之间的干涉构成对信号传播的主要影响，成为地面移动通信影响信号传播的重要因素，如图2-1中的（2）所示。

2.1.2 自由空间的电波传播

所谓自由空间是指天线周围无限大真空时的电波传播，它是理想的传播条件。在理想空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波传播速率等于真空中光速c（3×108m/s）。

虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，但当电波经过一段路径传播之后，能量会有衰减，这种损耗是由于辐射能量的扩散引起的。

自由空间的传播损耗定义为

式中，d为收、发天线之间的距离（km）；λ为无线电波的波长（m）；f为无线电波的频率（MHz）。

可见，自由空间中电波传播损耗（也称为衰减）仅与电波工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大1倍时，[Lfs]将分别增加6dB。

2.1.3 大气中的电波传播

在实际的移动无线信道中，电波在低空大气中传播，由于低空大气不是均匀介质，其温度、湿度、密度、气压等都随着空间和时间发生变化，产生折射和吸收等现象，这在VHF和UHF频段尤为突出，直接影响视距传播的极限距离。

1.大气折射的基本概念

当电磁波从一种介质射入另一种介质时，传播方向会发生变化，这就是折射现象，如图2-2所示。图中φ1为入射波与反射面法线间的夹角，称为入射角；φ2为折射波与法线间的夹角，称为折射角。根据折射定律，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于两种介质材料折射率的反比，即有

可以看出，电磁波从折射率小的介质射入折射率大的介质，则折射波靠近法线。又由折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比，即

式中，c为光速；n为大气折射率；v为无线电波在大气中的传播速度。因介质材料的折射率n总是大于1，所以电波在任何介质中的传播速度v都是小于光速c的。

当一束电磁波通过折射率随地面高度变化的大气层时，因不同的高度上电磁波的传播速度不同，从而使射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直变化。由于大气折射率引起的电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。在视距传播距离内，由于折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。

2.视距传播的极限距离

由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线，视线所能到达的最远距离称为视距传播的极限距离，如图2-3所示。图中所示天线的高度分别为h1和h2，两个天线的顶点连线AB与地面相切于C点。由于大气折射对电磁波的影响，在工程中常用“地球等效半径”来表征地球半径。由于地球等效半径R远大于天线的高度，可求得，，则视距传播极限距离。

在标准大气折射情况下，地球等效半径R=8500km，可得无线电波的视距传播极限距离为

式中，h1和h2的单位是m，d的单位是km。

【例2-1】 在标准大气折射下，发射天线高度为200m，接收天线的高度为2m，则视距传播极限距离为多少？

解：由式（2-4）可得视距传播极限距离为

3.障碍物的影响与绕射损耗

在移动通信的覆盖范围内，地形环境十分复杂，因此很难对各种地形引起的电波损耗做出准确的定量计算，常采用工程估算的方法做一些定性的分析。实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传播损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输引起的损耗，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。

设障碍物P与发射端A和接收端B的相对位置如图2-4和图2-5所示。图中x表示障碍物顶点P至收发天线顶点AB连线之间的距离。在传播理论中，x称为菲涅尔余隙。规定有阻挡时余隙为负（如图2-4所示），无阻挡时余隙为正（如图2-5所示）。

根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系，且有第一菲涅尔半径为

当x＞0.5x1（正余隙）时，障碍物对直射波传播基本没影响。为此，在选择天线的高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1。当x＜0（负余隙），即两天线顶点AB直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加。当x=0，即AB直射线从障碍物顶点擦过时，附加绕射损耗约为6dB。

4.反射波

当电波在传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会发生镜面反射现象。由于地面与大气是两种不同的介质，所以入射波在地面上会产生反射，如图2-6所示。

当电波遇到比波长大得多的物体时也发生反射，所以反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等。通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波进行处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。在图2-6中，由发射端A发出的电波分别经过直射线AB和地面反射路径ACB到达接收端B，由于两者路径不同从而会产生附加相移。图中入射波和直射波的路径差为

由路径差Δd引起的附加相移为

式中，为传播相移常数。但由于地面反射时大都要发生一次反相，实际的两路电波相位差∆ϕ为

直射波与地面反射波的合成波将随路径差Δd的变化而变化，有时会同相相加而增强，有时会反相叠加而减弱甚至抵消，这就造成了合成波的衰落现象。因此在选择站址时，应力求减弱地面反射，或调整天线的位置或高度，使地面反射区离开光滑界面，当然这种要求在移动通信的基站建设中是很难实现的。

5.散射波

当无线电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，这种现象称为散射。散射波产生于粗糙表面、小物体（小于波长的物体）或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、灯柱、街道的标志等都会发生散射。