空气的介电常数(常见物质的相对介电常数)

空气的介电常数(常见物质的相对介电常数)-07-17 17:20六六技术人

前面几期推文,为大家分享了关于5G波段的那些事。

其实回归到频段本身,都是属于无线电波。无线电则是伴随人类工业发展而来的,是当今全球通讯的重要方式,目前还没有找到更好的方案。

因为无线电所涉及的范围是非常广的,本次就从频段这个小版块进行分析,从频率和波段的角度,具体分析无线电波。

5G信号属于哪种波段?无线电波的硬核科普

无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波。无线电波的波长越短、频率越高,相同时间内传输的信息就越多。无线电波在空间中的传播方式有以下情况:直射、反射、折射、穿透、绕射(衍射)和散射。

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无线电波介绍

电磁波的一种。频率大约 为 10KHz~30,000,000KHz,或波长30000m~10m的电磁波,由于它是由振荡电路的交变电流而产生的,可以通过天线发射和吸收故称之为无线电波。

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电磁波包含很多种类,按照频率从低到高的顺序排列为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及射线。无线电波分布在10KHz到3000GHz的频率范围之间。

在不同的波段内的无线电波具有不同的传播特性

频率越低,传播损耗越小,覆盖距离越远,绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张,系统容量有限,因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。

高频段频率资源丰富,系统容量大。但是频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近,绕射能力越弱。另外,频率越高,技术难度也越大,系统的成本也相应提高。

移动通信系统选择所用频段时要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比,在覆盖效果和容量之间折衷得比较好,因此被广泛应用于手机等终端的移动通信领域。当然,随着人们对移动通信的需求越来越多,需要的容量越来越大,移动通信系统必然要向高频段发展。

无线电波的速度只随传播介质的电和磁的性质而变化。无线电波在真空中传播的速度,等于光在真空中传播的速度,因为无线电波和光均属于电磁波。无线电波在其他介质中传播的速度为V=C/sqrt()。其中为传播介质的介电常数。空气的介电常数与真空很接近,略大于1,因此无线电波在空气中的传播速度略小于光速,通常我们近似认为就等于光速。

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无线电波的传播

无线电波的传播方式

对于自由空间,在自由空间中由于没有阻挡,电波传播只有直射,不存在其他现象。

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而对于日常生活中的实际传播环境,由于地面存在各种各样的物体,使得电波的传播有直射、反射、绕射(衍射)等,另外对于室内或列车内的用户,还有一部分信号来源于无线电波对建筑的穿透。这些都造成无线电波传播的多样性和复杂性,增大了对电波传播研究的难度。

直射

直射在视距内可以看做无线电波在自由空间中传播。直射波传播损耗公式同自由空间中的路径损耗公式:

PL=32.44+20lgf+20lgd。其中,PL为自由空间的路损,单位是dB。F为载波的频率,单位是MHz。d为发射源与接收点的距离,单位是km。

反射、折射与穿透

在电磁波传播过程中遇到障碍物,当这个障碍物的尺寸远大于电磁波的波长时,电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射。另外,障碍物的介质属性也会对反射产生影响。对于不良导体,反射不会带来衰减;对于绝缘体,他只反射入射能量的一部分,剩下的被折射入新的介质继续传播;而对于非理想介质,电磁波贯穿介质,即穿透时,介质会吸收电磁波的能量,产生贯穿衰落。穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关,而且与穿透物体的材料、尺寸有关。

一般室内的无线电波信号是穿透分量与绕射分量的叠加,而绕射分量占绝大部分。所以,总的来看,高频信号(例如1800MHz)的室内外电平差比低频信号(800MHz)的室内外电平差要大。并且,低频信号进入室内后,由于穿透能力差一些,在室内进行各种反射后场强弱分布更均匀;而高频信号进入室内后,部分穿透又穿透出去了,室内信号分布就不太均匀,也就使用户感觉信号波动大。

绕射(衍射)

在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖。

散射

在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸小于电磁波的波长,并且单位体积内这种障碍物的数目非常巨大时,会发生散射。散射发生在粗糙物体、小物体或其它不规则物体表面,如树叶、街道标识和灯柱等。

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不同距离下无线电波的传播

视距传播

无线电波视距传播的一般形式主要是直射波和地面反射波的叠加,结果可能使信号加强,也可能使信号减弱。

由于地球是球形的,受地球曲率半径的影响,视距传播存在一个极限距离Rmax,它受发射天线高度、接收天线高度和地球半径影响。

非视距传播

无线电波非视距传播的一般形式有:绕射波、对流层反射波和电离层反射波。

①绕射波

绕射波是建筑物内部或阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影响很大,且频率越高,绕射信号越弱。

②对流层反射波

对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质,由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层反射方式应用于波长小于10米(即频率大于30MHz)的无线通信中。对流层反射波具有极大的随机性。

③电离层反射波

当电波波长大于1米(即频率小于300MHz)时,电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃,因此这种传播用于长距离通信,同对流层一样,电离层也是具有连续波动的特性。

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无线电波在陆地移动通信环境下的特点

传播环境的复杂性

由于移动终端的天线高度比较低,传播路径总是受到地形及人为环境的影响,使得接收信号大量的散射、反射或叠加。

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传播环境的复杂性体现在地形、人为建筑物、人为噪声干扰的多样性。比如,周围有树林的地形,树叶会造成无线电波大量的散射。而对于城市环境,由街道两旁的高大建筑导致的波导效应,使得街道上沿着传播方向的信号增强,垂直于传播方向的信号减弱,两者相差可达10dB左右。另外,机动车的点火噪声、电力线噪声、工业噪声等人为噪声,都会对接收信号造成干扰。

移动终端的随机移动性

移动终端总是在移动,即使移动终端不动,周围环境也一直在变化,如人、车的移动,风吹动树叶等,使得基站与移动终端之间的传播路径不断发生变化。并且移动终端相对基站的移动方向和移动速度的变化,都会导致信号电平的变化,只能用随机过程的概率分布来描述。

传播的开放性

无线电波传播空间的开放性导致空间干扰现象严重。比较常见的有同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。随着频率复用系数的提高,同频干扰将成为主要干扰。

传播特性

无线电波自发射地点到接收地点主要有天波、地波、空间直线波3种传播方式,各波特性如下:

地波:沿着地球表面传播的电波,称为地波。在传播过程中因电波受到地面的吸收,其传播距离不远。频率越高,地面吸收越大,因此短波、超短波沿地面传播时,距离较近,一般不超过100公里,而中波传播距离相对较远。优点是受气候影响较小,信号稳定,通信可靠性高。

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天波:靠大气层中的电离层反射传播的电波,称为天波,又称电离层反射波。发射的电波是经距地面70—80公里以上的电离层反射后至接收地点,其传播距离较远,一般在1000公里以上。缺点是受电离层气候影响较大,传播信号很不稳定。短波频段是天波传播的最佳频段,渔业船舶配备的短波单边带电台,就是利用天波传播方式进行远距离通信的设备。

空间直线波:在空间由发射地点向接收地点直线传播的电波,称空间直线电波,又称直线波或视距波。传播距离为视距范围,仅为数十公里。渔业船舶配备的对讲机和雷达均是利用空间波传播方式进行通信的设备。

横波:无线电波是横波。即电场和磁场的方向都与波的传播方向垂直.无线电波在空间传播时,必然要受到大气层的影响,尤其以电离层的影响最为显著,使无线电波发生折射和衰减.其中,波长越大,折射与衰减越大。

根据无线电波波长不同的传播特性,不同的通信业务使用不同的波段.比如长波用于导航、固定业务;中短波用于移动业务;微波用于无线电天文、空间通信。

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无线电波的特性

无线电波的衰落特性

无线电波在传播过程中的衰落,是它非常重要的特性,可以从大、中、小三种尺度来描述。

大尺度用来描述中值信号(区域均值)。它具有幂定律传播特性,即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比关系。

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中尺度用来描述慢衰落。它是重叠在大尺度传播特性的中值电平上的平均功率变化。当用分贝表示时,这种变化趋于正态分布。

小尺度用来描述快衰落。它通常服从瑞利概率密度函数,又称为瑞利衰落。

多普勒频移

根据多普勒效应,由于无线电波发射端和接收端之间的相对运动,接收端接收到的信号频率将与发射端发出的信号频率之间存在一个差值,该差值就是多普勒频移。

多普勒频移符合下面的公式:

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时间色散和均衡

时间色散起源于反射,其反射信号来自于距离接收天线约几千米外的物体。例如,由基站连续发送“1”、“0”的序列,如果远处反射信号到达移动终端的时间刚好滞后直射信号一个比特,那么接收终端将从直射信号中检出“0”,同时还从反射信号中检出“1”,于是导致码间干扰,这称为时间色散。采用自适应均衡技术可以减少时间色散的影响。

无线电波传播

无线电波通过介质或在介质分界面的连续折射或反射,由发射点传播到接收点的过程。无线电通信是利用无线电波的传播特性而实现的。因此,研究无线电波的传播特性和模式,是提高无线电通信质量的重大课题。

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波段划分

在通信中根据无线电波的波长(或频率)把无线电波划分为各种不同的波段(或频段)。

各波段传播的特点

不同波长(或频率)的无线电波,传播特性往往不同,应用于通信的范围也不相同。

长波传播 距离300km以内主要是靠地波,远距离(2000km)传播主要靠天波。用长波通信时,在接收点的场强稳定,但由于表面波衰减慢,对其它收信台干扰大。长波受天电干扰的影响亦很严重。此外由于发射天线非常庞大,所以利用长波作为通信和广播的不多,仅在越洋通信、导航、气象预报等方面采用。

中波传播 白天天波衰减大,被电离层吸收,主要靠地波传播,夜晚天波参加传播,传播距离较地波远,它主要用于船舶与导航通信,波长为2000—200m的中波主要用于广播。

短波传播 有地波也有天波。但由于短波的频率较高.地面吸收强烈,地表面波衰减很快,短波的地波传播只有几十公里。天波在电离层中的损耗减少,常利用天波进行远距离通信和广播。但由于电离层不稳定,通信质量不佳,短波主要用于电话电报通信,广播及业余电台。

超短波传播 由于超短波频率很高,而地波的衰减很大,电波穿入电离层很深乃至穿出电离层,使电波不能反射回来,所以不能利用地表面波和天波的传播方式,主要用空间波传播。超短波主要用于调频广播、电视,雷达、导航传真、中继、移动通信等。电视频道之所以选在超短波(微波及分米波)波段上,主要原因是电视需要较宽的频带(我国规定为8Mllz)。如果载频选得比较低,例如选在短波波段,设中心频率fo=20MHz,则相对带宽f/fo=8/20=40%。这么宽的相对带宽会给发射机、天馈线系统、接收机以及信号传输带来许多困难,因此选超短波波段,提高载频以减小相对带宽。

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主要传播方式

地表波传播:无线电波沿地壳表面传播的传播模式,又称地波传播。地面吸收衰减导致波阵面前倾,使单位距离吸收衰减率随传播距离的增大而增大。地面吸收衰减随频率升高而增大。地波传播用于中频(中波)以下频段。

电离层传播:利用电离层和地面对电磁波的一次或多次反射进行传播的传播模式,又称天波传播。电离层按高度由下而上地分为D、E、F1和F2等几个主要层次。各个层次中部的电子密度最大值由下而上逐层增加,而电子和中性气体分子的单位时间碰撞次数则逐层减少。电离层的高度和电子密度均随季节、昼夜和太阳黑子活动而变化。

无线电波只能在折射率n值随高度递减的区域开始折返地面,电波途径最高点处的折射率n值等于电波入射角0的正弦函数。对应于某一折射角,存在一个最高频率,其传播途径的最高点可以达到F2层的最大电子密度区。此频率称为最高可用频率MUF。频率超过MUF的电波则穿透电离层不再返回地面。对应于最大入射角的最高可用频率的最大值约为30MHz。

由于电离层的吸收衰减,不同波段的无线电波各具有不同的特点,从而形成不同的传播模式。①短波段:电波可穿过D、E层到达F层,一般可满足条件,吸收衰减大致与频率的平方成反比,所以工作频率应尽量接近MUF。由于MUF随季节、昼夜和太阳黑子活动周期变化,工作频率必须相应地改变。此外,地壳表面导电层的上界面,对大入射角短波有良好的反射作用,可使下行天波转变为上行天波,这样就形成了多跳电离层传播模式。②中波段:昼间的D层有强烈的吸收作用,只有当夜间仅有E层存在时,才能形成电离层传播模式。③长波段和超长波段:电离层下缘满足条件V,昼间D层形成导电层反射面,夜间E层形成介质层反射面,并与地壳表面导电层构成大地-电离层波导的上下界面,其传播衰减主要来自电离层的吸收,衰减值随频率递增,超长波段的传播距离可达数千公里。

电离层散射传播:利用高度约85公里处电离层的不均匀性所产生的散射波进行通信的传播模式。工作频率为30~60MHz,传播距离为800~2000公里。

对流层散射传播:利用无线电波在大气湍流气团中产生的散射波进行超视距通信的传播模式。适用于超短波段,通信距离可达数百公里。

对流层视距传播:在低层大气中,利用直射波的传播模式,可分为广播通信和点对点通信两类。在大气折射率随高度增加而减小的正常分布情况下,直射波的传播途径向下弯曲,地球等效半径大于实际半径。当大气折射率在某高度区间出现随高度增加而增大的异常分布时,就会形成大气波导,使传播衰减远远小于正常的自由空间衰减值,短于厘米波段的直射波还会因为雨、雪、云、雾的吸收,雨滴的去极化和不均匀气团的散射,而受到影响。在收、发天线间不存在反射波屏蔽时,必须考虑地面反射波的影响。视距传播是超短波段和微波段的主要传播模式。用于广播通信和移动通信的传播距离一般可达60公里,用于微波接力通信的传播距离一般在50公里左右。

地空传播:无线电波穿透电离层的直射传播模式。电波穿过电离层会受到衰落、吸收、方向变化、传播时延、频率变化和极化面转动等的影响,这些影响随频率升高而迅速减弱。千兆赫以上的无线电波在穿过大气层时,受到氧分子和水分子吸收。在频率为60GHz处出现氧分子吸收峰值。水分子吸收则从频率为 15GHz才开始显著,并在频率为23GHz处出现一个吸收峰值。由于10MHz~20GHz的电波在自由空间传播所受的衰减影响较小,这个频率范围就形成一个无线电波的大气窗口,适于地空传播,是卫星通信、空间通信的唯一传播模式。

说回手机信号的5G波段,是属于短波的,有些频段属于超短波。有情趣的朋友,其实可以去淘宝或者京东买一个全频段的收音机,在空闲时间放在阳台,手动调试无线电波,一般情况下,中波和短波都会收到。

本期推文就到这了,我是六六技术人,我们一起说车谈科技。

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THE END
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