电波传播理论（徐立勤）05地面反射

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1、第5章地面反射地面及地面覆盖物构成了无线电波在自然环境屮传播的最主要边界条件。地面及地面覆盖物的彫响，概括起來，主要是对无线电波的反射、绕射和散射，以及对电波的衰减和吸收。对于超短波以上频率而言,主要关心无线电波在地面以上空间中的传播，通常并不关注地波传播问题，所以地面的影响主要表现在对无线电波的反射、绕射和散射等方面。当无线电波在光滑地面(如水面、开阔的平地等)上传播时，会出现镜反射现象，即地反射射线与直接射线在接收点相互干涉，合成场强可表现出强烈的衰落。当无线电波在粗糙地面上传播时，地面会产生散射(漫反射)波，它与直接射线

2、之间不会形成干涉现象，只是功率相加，合成信号不会出现大幅度的衰落，只是表现为信号的闪烁与起伏。至于地面光滑与粗糙的判别标准，也有规矩可循，它就是雷利判据，本章将有讨论。地面及其覆盖物对无线电波的阻扌当将引起无线电波的绕射现彖，绕射可造成电波的额外衰减。不过，绕射问题这章不讨论，将在下一章作详细研究。5.1镜反射和漫反射从严格的波动观点看来，地面反射是个边值问题。来自初始辐射源的电磁波在地面上激起传导电流和位移电流，致使地面成为二次辐射源，地面的每个元面都是二次波源。接收点的场强是初始辐射源在接收点建立的场强和与所有二次辐射源在

3、接收点建立的场强，两者合成的总效果。从反射传播的效果上说，地面可以分成两种类型。一种是所谓的光滑地面，另一类是粗糙地面。对于光滑地面而言，各个元反射而的取向是相同的，可以采用镜反射的儿何光学方法处理地而对无线电波传播的影响，即所谓的镜像法。镜像法是说，如图5.1(a)所示，T为初始辐射源，地面(平面)对接收点R场强的贡献完全等效于初始源T的镜像T，的贡献，只是注意，真实源T与煨拟波源「之间有一个相位差兀。镜反射波是相干波，它与直接射线之间的干涉叠加，可以使接收信号出现很深的衰落，可对无线电通信的质量和可靠性造成破坏性的影响。对

4、于粗糙地面而言，如图5.1(b)所示，组成粗糙地面的诸多元面，其取向和高度等都可以是随机的,也就是说，其二次辐射波的幅度和相位都是随机的。由于小元面的取向的随机性，被各个小元面反射的电波的极化也是不一样的。另外，由于小元面的取向的随机性，入射波的能量可以被反射到各个方向。因此粗糙表面的反射实质上是散射，光学上称为漫射，也称为漫反射。由大量随机取向的小元面的反射波在接收点合成的结果就是粗糙表面在接收点的漫反射(散射)波。该散射波与直接射线之间是非相干的。粗糙表面的散射也称为漫反射。漫反射不会形成很深的干涉衰落，对无线电通信的质量

5、与可靠性一般不会构成严重的威胁。漫反射表现为信号的闪烁与小幅度起伏。(a)光滑地面的反射(b)粗糙地而的散射图5.1地面的反射与散射在本章中我们着重研究地面的镜反射问题，且以后简称为地面反射。现在的问题是，如何区分光滑地面与粗糙地面？很显然，在现实中，绝对的光滑地面是不存在的，所谓光滑只是相对的。应该有一个标准來判断地面是光滑还是粗糙。如图5.1(b)所示，假设地面有的高度起伏，向该地面投射一平面波，射线1经地面A点反射，射线2在具有高度的B点反射。经反射之后，射线1和2之间必然有一个相位差，也即，在垂直于反射线的平面上，这两

6、条射线的相位是不一样的，这种相差是由路程差引起的。射线1与射线2Z间的程差相当于射线与射线2之间的程差，因为在垂直于反射线的平面上，射线1与射线「具有相同的相位。显然，该程差可以表示为：Ar=2(A/?sin妙)其中，如图5」所示，妙被称为掠射角，相应的相差则为4龙•△0=£△厂=——A/?sin^A(5.1)(5.2)式中，久为波长。当趋于0时，则和△厂也趋于0,此时，A点附近的小元面和B点附近的小元面反射的电波具有相同的相位，在接收点合成时表现出同相叠加增强信号的效果。但是，当△/?增加到足够大时，比如致使相差达到龙时，上

7、述两元面的反射波在接收点的叠加可以表现出反相合成减弱信号的效果。所以，0与龙之间的某一个相位差值应该是判断是镜反射述是漫反射的标准。我们很容易想到0与龙之间的中间值龙/2,因此引入以下判据：(5.3)A(/)<7r/2或Ar

8、该是：A/?max8sin^(5.6)它与波长和掠射角有关。同样的粗糙地面，在低频率和低掠射角时可以被看成是镜而，而在高频率和高掠射角时，则不能认为是镜面。上述标准具有一定的随意性，标准取得更严格一些时，可以是，A/?maxA16sin0(5.7)实际上，在反射区内，地面上不