第二部分电波传播基本概念

西安电子科技大学物理与光电工程学院电波传播研究所

电波传播概论

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电波传播历史与发展无线电波传播研究的主要内容是电磁波与传播媒质的相互作用及其在有关电子系统工程和环境探测中的应用。它是一门实验性科学。

典型的实验 :德国 Hertz 于 1885-1889 年间，

进行了一系列 UHF 波段的电波传播试验，产生了电磁波（称为Hertz 波）。 Hertz 测定了 Hertz的波长和传播速度，证明了反射、折射特性和光一样，证明了光是电磁波


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赫兹实验示意图

无线电真正实验产生了。


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1901 年 12 月 12 日，马可尼成功进行了跨大西洋通信实验，距离 2000 英里。俄国物理学家波波夫制成了无线电接收机，成功实现了无线电报。


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电波传播研究进程 : 1899 年 Sommerfield 研究了麦克斯韦方程组的解。他的学

生 Zenneck 发现了沿地表传播的电磁波，称为 Zenneck 波。 1902 年， Kennelly ， Heaviside 认为上空存在导电

层， Appleton 和 Barnett 在 1925 年， Briet 和 Tuve 在1926 年试验证实了电离层的存在。 1926-1945 年左右，开始了电离层和电离层传播的研究。

我国在 1936 年开始观测日食对电离层的影响， 1945 年开始对电离层进行垂直探测。

1934-1946 年，开始微波视距传播研究。 1945-1960 年，开始微波远距离传播研究，主要研究大气

波导传播、流星余迹散射传播、对流层散射传播、电离层散射传播、山峰绕射远距离传播等。


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1945 年 Clarke 提出卫星广播的科学幻想， 1957 年，世界上第一颗卫星（苏联）发射升空。

1965 年， COMSAT 系列通信卫星的第一颗 EARLY BIRD 通信卫星升空，开始了卫星通信时代。

电波传播学科发展模式和特点：

电波传播研究中，试验研究占主要地位，同时要和工程结合紧密。

电波传播研究应扩大研究领域，即交叉渗透。历史上电波传播主要为通信服务，现在电波传播研究应结

合更多学科，如雷达、遥感、导航、广播、微电子等。


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惠更斯—菲涅尔原理

惠更斯—提出了子波概念菲涅尔—提出子波是相干波惠更斯—菲涅尔原理是处理反射、折绕射等问题的工具。 T— 球面波波源R— 接收点S— 某时刻波前dS—Q 点处小面元 r—Q 、 T 距离r—Q 、 R 距离q—TQ 、 TR 夹角

T

Q

r

R

S

dS

二、基本原理与概念


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T

Q

r

R

S

dS波源 T 发出的球面波，在 Q 点的场强为

exp( )Q

A jkE

根据惠 - 菲原理，为 R点接收场强的二次辐射源。它在 R点建立的场强与 dS面元所在处的场强 EQ 和 dS在 QR方向上的投影面积成正比。因此，面元 dS在 R处产生的场强 dE为

QE

cosexp( ) exp( )

'r

djk jk

dE ASr

A


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exp( ) exp( )' cos

rdS

jk jkdE AA

r

R 点实际场强是 S 面上所有二次辐射源在 R 点产生辐射场强的叠加结果，因此 R 点总场强 E 为

exp( ) exp( )' cos

S

jk jkrE AA dS

r

——惠更斯—菲涅尔原理的数学表达式'

jA

exp

cosS

jk rjE A dS

r

——惠更斯—菲涅尔原理的严格数学表达式


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菲涅尔区、带、半径

收发点 TR连线上一点 O ，过 O 作垂直于 TR 的平面 S ， S与通过 TR 的垂直平面交 PQ ，在 PQ 上，取 O1 、 O2……On 点，使它们满足

T RO

P

Q

1O

2O

3O

1d 2d

12

3

1r2r

3r

1 1

2 2

/ 2

2( / 2)

·( / 2)n n

r d

r d

r d n

1 2d d d —LOS路径（视距路径）


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满足上面第 i个方程的所有 Oi 点在 TOiR平面上是个以 T 和 R为焦点的椭圆，将该椭圆以 TR 为轴旋转得到一个旋转椭球面，上式中每个方程都对应一个旋转椭球面。这些椭球面所包围的空间区域称为第 i 菲涅尔区。相邻菲涅尔区之间的相位差为 180 度（ l/2的波程差）。O1 、 O2 、……、 On 在旋转过程中形成相应的圆周， Oi-1 与 Oi之间的圆环称为第 i 菲涅尔带。第一菲涅尔带是一个以 OO1 为半径的圆面。令 Fi=OOi ， Fi 为第 i带的外半径，称为第 i 菲涅尔半径

1 1

2 2

/ 2

2( / 2)

·( / 2)n n

r d

r d

r d n

T RO

P

Q

1O

2O

3O

1d 2d

12

3

1r2r

3r


电波传播概论

T RO

P

Q

1O

2O

3O

1d 2d

12

3

1r2r

3r

设 1 2,i dF d ，则

2 2 21 1 1

2 2 22 2 2

/ (2 )

/ (2 )

i i i

i i i

d d

r

F F d

F Fd d d

将其代入·( / 2)i ir d i

得1 2

i

i d dF

d

第一菲涅尔半径 1 21

d dF

d

1iF iF

距离越长，波长越短，菲涅尔半径就越小，并且菲涅尔半径在收发中点处（ d1=d2 ）取最大值。

1 1 1 322 2 2 2

1 1( ) ( )

2 8a b a a b a b


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1 21

d dF

d

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。

第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道

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。


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A

P

1 £¼2

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。 1 2

1

d dF

d


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菲涅尔余隙设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中 x表示障碍物顶点 P至直线 TR之间的垂直距离，在传播理论中 x 称为菲涅尔余隙。其中（ a ）为负余隙，（ b ）为正余隙。


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障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系：

x1— 第一菲涅尔半径结论：当 x/x1>0.5 时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当 x=0 时， TR 直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约 6dB；当 x<0 时， TR 直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。


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无线电波的极化

电磁波的极化是指电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。电磁波的极化通常是用空间中一固定点上电场矢量的空间取向随时间变化的方式来定义的。如果电波传播时，电场矢量的尖端随时间变化在空间描出轨迹为一直线，则称为线极化波；如果传播时电场矢量的尖端在空间描出的轨迹为一个圆，则称为圆极化波。如果传播时电场矢量尖端在空间描出轨迹为一椭圆，则为椭圆极化波。


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设单色平面波沿 z 方向传播，其电场的 x 和 y 分量 Ex 、 Ey之间有一固定相位差 d ，即

cos( )

cos( )

0

x

y

z

E a

E b

t kz

t kz

E

消去时间 t ，得

222

2 2

2cos siny x yx

E E EE

a b ab

——椭圆极化


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222

2 2

2cos siny x yx

E E EE

a b ab

如果

(2 1) 2,32

,, 1ma mb

则22

2 21yx

EE

a a ——圆极化

(2 1)2

m Ex 相位比 Ey 相位落后 p/2 ，为右旋圆极化

如果 12

(2 )m Ex 相位比 Ey 相位超前 p/2 ，为左旋圆极化

如果

圆极化旋转方向的判断？？？


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0,1,2,3m m

则y x

bE E

a

——线极化

如果

假如以地面为参考面，以地面法线和无线电波传播方向所在平面为另一个参考面 S 。电矢量垂直于 S 面的无线电波称为水平极化波电矢量在 S 面内的无线电波称为垂直极化波


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线极化圆极化椭圆极化


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三、自由空间电波传播自由空间传播损耗

自由空间传播损耗是指：当发射天线和接收天线的方向系数都为 1 时，发射天线的辐射功率 Pr 与接收天线的最佳接收功率 PL 的比值，记为 L0 ，即

0r

L

LP

P

或

0 10lg r

L

PL dB

P


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D=1 的无方向性发射天线产生的功率密度为

24r

av

PS

r

D=1 的无方向性接收天线的有效接收面积为2

4eA

所以该接收天线的接收功率为2

4L av e rA Pr

P S

2

4 eAD


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2

4L av e rA Pr

P S

于是自由空间传播损耗为

0

410lg 20lgr

L

dBP

PL

r

或

0 32.45 20lg ( ) 20lg ( )

121.98 20lg ( ) ( )20lg

L f MHz

cm

r km

r km


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0 32.45 20lg ( ) 20lg ( )

121.98 20lg ( ) ( )20lg

L f MHz

cm

r km

r km 自由空间基本传输损耗 L0仅与频率 f 和距离 r 有关。当 f

和 r 扩大一倍时， L0 均增加 6dB ，由此我们可知GSM1800 基站传播损耗在自由空间就比 GSM900 基站大 6

个 dB 。


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自由空间接收场强设点源发射天线辐射功率为 Pt ，则距离发射天线 d 处的接收天线处的能流密度 S 为

24tSP

d

考虑到发射天线的增益 Gt使接收点的能流密度增大的效果后，实际上接收点的能流密度为

2·

4t

tS GP

d


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四、传输媒质对电波传播的影响电波传播的实际环境总是涉及各种各样的媒质，在一般情况下，电波传播的过程就是电磁波与媒质相互作用的物理过程。

电波要受到传输环境的吸收、散射、绕射、反射等影响，使接收点的场强下降即产生衰减，由于媒质随机分布与随机运动等特征导致衰落现象，由于媒质对电波作用的“色散效应”导致信号传输失真，媒质随机分布的统计结果出现“统计分层”，会导致电波传播方向改变，同时传播环境还会导致不需要的电磁信号进入接收系统即产生噪声。衰减；衰落；传输失真；传输方向改变；噪声


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传输损耗（衰减）

衰减因子 A ：接收点的实际场强 E 与自由空间场强 E0之比。

0

AE

E (dB) lg

0

EA 10

E

或

实际接收点的场强 E 为：

0

6|| | |

0 t tPGA

dE AE

衰减因子 A 是与工作频率、传播距离、媒质参数、地貌地物状况、传输方式等因素有关的量，因此衰减因子对电波传播的研究是一个很重要的参数。


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2220

2

| |

240 4/t tE PG

dS mA W

实际能流密度 S

接收功率 Pr2

2

4r t t rP PGG Ad

W

信道的传输损耗 L ：发射天线的输入功率 Pt 与接收天线的输出功率 Pr （匹配情况时）之比

2

2

4 1·t

r t r

P dL

P A GG

如用分贝表示，则有4

20lg ( ) ( ) ( )t r

dL A dB G dB G dB dB


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如果不考虑设备的影响，只考虑信道（传输媒质）中功率的传输情况，则称为“路径传输损耗”或称为“基本传输损耗”

420lg ( ) ( ) ( )t r

dL A dB G dB G dB dB

420lg ( ) ( ) ( )bf

dL A dB L dB A dB dB

由于衰减因子 A随不同的传播方式、不同的传播情况而不同，因此，计算衰减因子 A 时应结合不同传播方式进行。


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衰落现象信号电平随时间的起伏变化现象

注意：损耗（衰落）与衰减不同但有联系，衰减可以造成衰落现象，但是衰落不一定都是衰减造成的。


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根据衰落成因不同可以分为：吸收型衰落和干涉型衰落

吸收型衰落 : 由于媒质的电参数变化，使信号衰减发生了变化，周期一般较长，为慢衰落。干涉型衰落 : 由于信号传输的多经效应造成信号干涉加强或者减弱，在移动通信中更为强烈，一般变化强烈，称为快衰落。

吸收型衰落干涉型衰落


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表征衰落特性的常用数字特征： * 场强中值 ——衰落的平均值 * 衰落深度 ——衰落的严重程度 * 衰落速度 ——衰落的快慢 * 衰落持续时间 ——衰落的持久

场强中值 : 具有 50％概率的场强值。

定义 2 ：场强曲线中，若在一个相当长的时间内观测，场强值高于 E0 和低于 E0 的时间各占一半，则规定场强中值为 E0


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衰落深度是描述衰落严重程度的物理量。若以分贝表示，则衰落深度＝ 20lg(Ei/E0)

式中 Ei— 接收电平值； E0— 场强中值。

E1 的衰落深度大于 E2


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衰落速度是描述场强变化的快慢，即衰落频繁程度的物理量。定义：单位时间内场强包络与场强中值相交次数的一半。

E0

0 t可见 ,衰落速率明显不同


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衰落持续时间 : 场强低于某一给定电平值的持续时间。通常是接收机门限。

接收机门限

如果接收到的信号电平低于接收机门限电平，就可能造成话音中断或产生信令误码。


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传输失真由于电波传播环境媒质的色散效应及多径效应，使得电波在传输过程中会引起信号失真 (振幅失真和相位失真 ) 。

(2) 多径传输效应 : 因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的途径到达收信点，收信天线接收的信号是几个不同途径传来的电波场强之和。由于途径长度有差别，它们到达收信点的时间延迟不同，若多径时延过大，则会引起较明显的信号失真。码间干扰现象可以由多经效应引起。

(1)色散效应 :由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信息的无线电信号总占据一定频带，当电波通过媒质传播到达收信点时，由于各频率成分传播速度不同而不能保持原信号中的相位关系（振幅关系一般也不能保持原来关系），引起波形失真。


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传输方向改变

当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时 , 射线是沿直线传播的。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的 : 不同媒质的分界处将使电波折射、反射 ; 媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射 ;球形地面和障碍物将使电波产生绕射 ; 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化 , 使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏 , 使接收信号产生严重的衰落。因此 , 在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时 , 电波传播方向的变化也是重要内容之一。


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干扰与噪声

任何一个接收系统的最小可用信号电平是由系统的噪声电平决定的。尤其在发信功率受限制的情况下，由于无线电波传输损耗较大，信号很微弱，此时噪声对无线电信号接收有非常重要的影响。噪声可分为三类(1)热噪声 :由导体中带电粒子在一定温度下的随机运动引起。(2)串噪声 :由调制信号通过失真元件引起(3) 干扰噪声 :由本系统或其它系统在空间传播的信号或干扰引起的，这主要指环境噪声的干扰。

从研究电波传播的角度考虑，主要关心的是环境噪声干扰。


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当载有信息的无线电波在信道中传播时，由于信道内存在着许多电磁波源，它辐射的电磁波占据极宽的频带并以不同的方式在空间传播。这些电磁波对这一通信系统而言，就称为环境噪声干扰或外部干扰。环境噪声的来源是多方面的，可分为人为噪声干扰和自然噪声干扰，前者包括通信电子干扰和各种电气设备产生的干扰，后者则包括天电干扰，对流层干扰等。

噪声的产生直接影响信噪比，而信噪比是模拟通信链路性能的重要指标；对于数字通信，噪声产生直接导致信道容量下降，误码率增加。


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五、无线电系统的信道及传播效应无线电波传播是所有无线电收、发系统（包括自然辐射源的被动接收系统）中均存在的信息传输过程，是电子系统的重要组成部分。空间媒质信道对无线电波的传播有一定的影响或限制，如通信系统中的信号衰减、干扰和雷达系统中的折射误差等，也有非常有利的一面，或称为支撑或凭借作用，如天波传播、低频地面绕射、超视距通信等。在进行无线电系统体制及其主要性能指标论证和确定系统技术参数的工作中，必须研究电波传播信道对无线电系统运行两方面的作用，从而充分利用有利条件而回避或克服不利因素，使系统技术参数与信道传播特性达到最佳匹配。


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极低频：信道模式主要是地－电离层波导传播、入海传播、磁流体波传播、磁流体波入地传播、震源电磁扰动等。传播效应主要是地－电波导、地磁场引导。媒质对传播效应的影响主要考虑海水、地层吸收和电离层变化的影响。典型应用是对潜通信、磁层研究、地质结构探测和地震前兆研究。


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超低频：信道模式主要是地－电波导传播、电离层人为加热检波辐射、地（海）下传播、哨声波传播、震源电磁扰动等。传播效应主要是地－电波导、地磁导管引导。媒质对传播效应的影响主要考虑海水、地层吸收和电离层变化影响。典型应用是对潜及地下通信、电离层与磁层研究、地质结构探测和地震前兆研究。


电波传播概论

甚低频：信道模式主要是地－电离层波导传播和地下传播。传播效应主要是地－电波导引导。媒质对传播效应的影响主要考虑海水与地层吸收、电离层吸收和多模干涉等。典型应用是全球通信、时间频率传送、超远程及水下导航、地质矿藏探测。


电波传播概论

低频：信道模式主要是电离层反射、地波绕射传播和地下传播。传播效应主要是电离层反射、地（海）面绕射、脉冲传播可分离天地波。媒质对传播效应的影响主要考虑电离层吸收及其变化、绕射与地层吸收损耗等。典型应用是远程通信、广播、远程地波导航、时频标准传送、地波稳定通信、地下通信与探测。


电波传播概论

中频：信道模式主要是电离层反射，地波传播，地下、侧波传播，电离层反射。传播效应主要是电离层反射和地面引导。媒质对传播效应的影响主要考虑电离层吸收、地面绕射与地层吸收。典型应用是中、近距广播，通信中、近距导航，定向地下通信和电离层探测。


电波传播概论

高频：信道模式主要是电离层反射，波导及滑行传播，电离层反射与返回散射，地波与返回散射，电离层反射、吸收。传播效应主要是电离层反射，波导引导，地（海）面引导。媒质对传播效应的影响主要考虑电离层吸收、最高可用频率变化、地面绕射损耗。典型应用是广播、通信、超视距天波雷达、超视距地波雷达、电离层探测。


电波传播概论

米波：信道模式主要是空间波传播，对流层、电离层及流星余迹散射，电离层不均匀性相干散射，卫星信标空间波，湍流散射。传播效应主要是电离层不均匀性及流星余迹散射，大气湍流散射，对流层折射。媒质对传播效应的影响主要考虑地球曲率，山地遮蔽，多径干涉，电离层极化旋转。典型应用是广播，通信（接力、移动），航空导航，电离层探测， MST 大气探测雷达。


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分米波：信道模式主要是空间波传播，目标反（散）射波，卫星信标非相干散射，湍流散射，地下目标散射。传播效应主要是自由电子散射，湍流散射。媒质对传播效应的影响主要考虑电离层不均匀性散射，对流层折射，地物反（散）射，多径干涉，山地遮蔽，地层吸收。典型应用是电视广播，卫星通信，导航系统，卫星跟踪、数传，警戒雷达，蜂窝无线电系统，电离层探测， MST 大气探测雷达，探地雷达。


电波传播概论

厘米波：信道模式主要是空间波传播，地面、地物散（辐）射，目标散射，大气沉降物散（辐）射。媒质对传播效应的影响主要考虑对流层不均匀及大气沉降物散射与吸收。典型应用是多路语音与电视，卫星通信、遥感，军用雷达，散射计，辐射计。


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毫米波：信道模式主要是空间波传播，大气分子与沉降物及烟雾、尘埃散射与辐射。媒质对传播效应的影响主要考虑大气分子与沉降物及烟雾、尘埃吸收和散射，大气折射起伏率，建筑物等遮蔽。典型应用是短路径大容量信道，军用雷达，卫星遥感，辐射计。


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红外：信道模式主要是气体辐射，空间波。媒质对传播效应的影响主要考虑大气分子吸收。典型应用是大气遥感。

激光：信道模式主要是穿透海水传播。媒质对传播效应的影响主要考虑海水吸收。典型应用是潜艇通信。


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练习1. 推导自由空间传输损耗公式，并说明其物理意义。

2. 有一广播卫星系统，其下行线中心工作频率为 f=700 MHz, 卫星发射功率为 200 W ，发射天线在接收天线方向的增益系数为 26 dB ，接收点至卫星的距离为 37740 km ，接收天线的增益系数为 30 dB ，试计算接收机的最大输入功率。

3. 什么是电波传播的主要通道？它对电波传播有什么影响？

4. 求在收、发天线架高分别为 50 m 和 100 m ，水平传播距离为 20 km ，频率为 80 MHz 的条件下，第一菲涅尔半径的最大值。计算结果意味着什么？

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http://web.xidian.edu.cn/rxli/teach.html

第二部分 电波传播基本概念

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