无线局域网基础知识：地面反射对微波传播的影响

在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在这几方面：

树林，山丘，建筑物等建筑物能够阻挡一部分电磁波的射线，从而增加了损耗；平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵消而产生损耗；有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射波对直射波产生的影响，反射是电平产生衰落的主要因素。

地面反射的影响（一）

无线电波在传输过程中，我们都认为自由空间是均匀的介质。然而实际上，电磁波传输的实际介质是大气层，而大气是在不断变化的，这种变化对微波的传输会产生影响的，特别是距地面约10km以下的被称为对流层的低层大气层对微波的传输影响最大。因为对流层集中了大气层质量的3/4，当地面受太阳照射温度上升时，地面放出的热量使低层大气受热膨胀，因而造成了大气的密度不均匀，于是产生了对流运动。在对流层中，大气成分，压强，温度，湿度会随着高度的变化而变化，会使得微波产生吸收，反射，折射和散射等影响。

大气吸收衰减

我们知道，任何物体都是由带电的粒子组成，这些粒子都有其固定的电磁谐振频率。当通过这些物质的电磁频率接近这些谐振频率时，这些物质对微波就会产生共振吸收。大气中的分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶分子，它们能从微波中吸收能量，使微波产生衰减。

一般说来，水蒸气的最大吸收峰在λ=1.3cm处，氧分子的最大吸收峰则在λ=0.5cm处。对于频率较低的电磁波，站与站之间的距离是50km以上时，大气吸收产生的衰减相对于自由空间产生的衰减是微不足道的，可以忽略不计。

雨雾衰减

由于雨雾中的小水滴会使电磁波产生散射，从而造成电磁波的能量损失，产生散射衰减。一般来讲，10GHz以下频段雨雾的散射衰耗并不太严重，通常50km两站之间只有几分贝。但若在10GHz以上，散射衰耗将变得严重，使得站与站之间的距离受到散射的限制，通常只有几公里。

地面反射的影响（二）

根据惠更斯-费涅耳原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉，叠加的结果。显然，封闭曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同，这就使得接收点的信号场强的大小发生变化，为了分析这种变化我们引入费涅耳区的概念。

由图可见r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差Δr=nλ/2。显然当Δr是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在R点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；而Δr为半波长的偶数倍长时，反射波在R点的作用是相互抵消的，此时R点的场强最弱。我们就把这些n相同的点组成的面称为费涅耳区。费涅尔区的概念对于信号的接收，检测，判断有重要的意义。

费涅耳区

对流层对电波的影响

我们知道，电磁波在自由空间中的传播速度是v＝c＝30万公里/秒。在真实的大气中，电波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度之比被称为折射率。折射率受大气压力，温度，湿度的不同而会变化。由于大气的折射作用，实际的电波不再是按直线传播，而是按曲线传播，根据折射效果的不同可以分成正折射，负折射和无折射。正折射有可以分成标准折射，临界折射和超折射。

无折射就是大气的折射率不随大气的垂直高度变化而变化。负折射顾名思义就是由于折射率随高度增加而增加，使得电波的传播方向与地球的弯曲的方向相反。正折射的意思当然是恰恰相反。

折射的分类

电波衰落之源

微波在空间传输中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接收机接收的电平随着时间的变化而不断起伏变化，我们把这种现象称为衰落。

衰落的大小与气候条件，站距的长短有关。衰落的时间长短不一，程度不一。有的衰落持续时间很短，只有几秒钟，称之为快衰落；有的衰落持续时间很长，几分钟甚至几小时则称之为慢衰落。衰落的出现将使得信号发生畸变。接收电平低于自由空间传播电平的称之为下衰落。而接收电平高于自由空间的传播的电平时，则称为上衰落。显然慢衰落和下衰落对微波通信有很大的影响。

从衰落的物理因素来看，可以分成以下几种类型：

吸收衰落。就是大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量，这就导致微波在传播的过程中的能量损耗而产生衰耗。

雨雾引起的散射衰落。这是由于雨雾中的大小水滴能够散射电磁波的能量，因而造成电磁波的能量损失而产生衰落。

K型衰落。这是由于多径传输产生的干涉型衰落，它是由直射波和反射波在到达接收端时，由于行程差，使它们的相位不一样，在叠加时产生的电波衰落。由于这种衰落与行程差Δr有关，而Δr是随大气的折射参数K值的变化而变化的，故称为K型衰落。这种衰落在水面，湖泊，平滑的地面时显得特别严重。除了地面的反射以外，大气中有时出现的突变层也能对电磁波产生反射和散射，也可以造成电波的多径传输，在接收点产生干涉型衰落。

波导型衰落。由于气象的影响，大气层中会形成不均匀的结构，当电磁波通过这些不均匀层时将产生超折射现象，称为大气波导传播。若微波射线通过大气波导，而收，发两点在波导层外，如下图所示。则接收点的电场强度除了有直线波和地面反射波以外，还有“波导层”以外的反射波，形成严重的干扰型衰落，造成通信的中断。

闪烁衰落。对流层中的大气常发生的体积大小不等，无规则的漩涡运动，这些称为大气湍流。大气湍流形成的不均匀的块式层状物使介电系数ε与周围的不同。当微波射线射到不均匀的块式层状物上来时，将使电波向周围辐射，形成对流层散射。此时接收点也可以接收到多径传来的这种散射波，它们的振幅和相位是随机的，这就使接收点的场强的振幅发生变化，形成快衰落。由于这种衰落是由于多径产生的，因此称之为闪烁衰落。这种衰落持续时间短，电平变化小，一般不会造成通信的中断。

大气波导传播

抗衰落技术

分集接收就是采用两种或两种以上的不同的方法接收同一信号，以减少衰减带来的影响，是一种有效的抗衰落的措施。其基本思想是将接收到的信号分成多路的独立不相关信号，然后将这些不同能量的信号按不同的规则合并起来。分集依目的分可以为宏观分集（macroscopic）和微观（microscopic）分集。宏观分集是以克服长期衰落为目的的。按信号的传输方式可以分为显分集和隐分集两种。显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集。隐分集：分集作用含在传输信号中的方式，在接受端利用信号处理技术实现分集，它包括交织编码技术，跳频技术等。隐分集一般用在数字移动通信中。显分集包括以下几种：

利用地形无源反射器抵抗衰落。在微波路由设计中，我们可以利用地形地物来阻挡反射波，使反射波不能直接到达接收机，从而达到减少衰落的目的。同时，也可以用无源反射器来改变微波的射线方向，绕开障碍物，达到克服绕射衰落。

极化分集。通过发射端的天线发射两个极化垂直的信号，接收端分集接收，这样可以在一定程度上减少多径的影响。不过，极化会产生3db的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同的极化天线。

角度分集。当工作频率高于10GHz时，从发射机到接收机的散射信号产生从不同方向来的互不相关的信号。这样在同一位置有指向不同方向的两个或更多的有向天线能向合成器提供信号，达到克服衰落的目的。

时间分集。即在不同的时间内发相同的信号，接收信号是互不相关的。

此外还有：

（1）空间分集

空间分集。在接收端架几副高度不同的天线，利用电磁波到达各接收天线的不同行程来减少衰减。这种方法通常应用在大通路的微波干线上。实践表明，分集接收对相位干扰型衰落是非常有效的，但对绕射衰落，雨雾吸收衰落的抵抗作用不明显，这时只有依靠适当改变天线增大发信功率来实现。

（2）频率分集

频率分集。用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用电磁波在不同频率下的不同行程来减少或消除影响。这种方法效率较好，且只需一副天线，但在频率十分紧张的无线频段，频率的使用效率就显得不太高了。

（3）自适应均衡技术

另外还有一种就是信道均衡技术。所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的干扰。即通过均衡器消除时间和信道的选择性。它用于解决符号间干扰的问题，适用于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号的宽度。可分为时域均衡和频域均衡两种。频域均衡指的是总的传输函数满足无失真传输的条件，即校正幅度特性和群时延特性。时域均衡是使总冲击响应满足无码间干扰的条件，数字通信