电磁波的传播

电磁波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间相互垂直，同时两者又都垂直于传播方向。

我们知道，光在不同介质中的传播速度是不同的，类似的，电磁波在不同介质中的传播速度也是不同的，可通过下式计算得到：

$v=\frac{c}{\varepsilon ^\frac{1}{2}}$

其中， $c=30 0000km/s $ ， $\varepsilon $ 是介质的相对介电常数。

同时，由

$\lambda =\frac{v}{f}$

可知，同一频率的电磁波在不同介质中传播时，速度不同，波长也不一样。

移动通信无线电波的传播

波长不同的电磁波，传播特点不完全相同，GSM和CDMA移动通信使用的频段属于UHF的超短波段，其高端则属于微波。

视距传播

超短波和微波的频率高，波长短，其地面波衰减很快，不能作远距离传播，主要由空间波来传播。

直视距离与发射天线、接收天线的高度有关，并受地球曲率半径的影响，具有简单的几何关系：

$L_{max} = 3.57 \times (H ^{ \frac{1}{2} } _T + H ^{ \frac{1}{2} } _R) km$

多径传播

电磁波遇到障碍物会反射，因此，到达接受天线的不仅有直射波，还有反射波。由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，电磁波的极化方向会发生变化，导致有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。

绕射传播

电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。超短波的绕射能力较弱，在高大障碍物后面会形成所谓的“阴影区”。

信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。频率越高，障碍物越高、越近，影响就越大。

电磁波的衰减

自由空间衰减Free space loss

即使在真空中，电磁波在传播过程中也会衰减，通常满足：

$FSPL=\left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)^2$

大气吸收Gaseous absorption

各种波长的电磁波在大气中传播时，受大气中气体分子（水蒸汽、二氧化碳、臭氧等）、水汽凝结物（冰晶、雪、雾等）及悬浮微粒（尘埃、烟、盐粒、微生物等）的吸收和散射作用，形成了电磁波辐射能量被衰减的吸收带。大气衰减的程度与电磁波波长有密切关系。能透过大气的电磁波辐射的连续波长区间称为大气窗口。故为减少电磁波传播的衰减，可根据大气窗口的情况选择适当波长的电磁波。

大气层的电磁窗口

在毫米波频段，由于大气层中的氧分子和水蒸汽谐振，导致存在四个吸收峰，中心频率在22GHz，60GHz，120GHz和183GHz，这些大气高衰减区频段成为保密通信的首选工作频率。同时存在的四个衰减相对较小的大气“窗口”，中心频率在35GHz，94GHz，140GHz和220GHz，其可用带宽分别为16GHz，23GHz，26GHz和70GHz，这些带宽特性可以用来拓宽已经十分拥挤的通信频谱。

毫米波的大气衰减特性

雨致衰减Rain attenuation

雨滴会加剧电磁波的散射，引起能量衰减，有以下经验公式：

$$\alpha (R) =a R^b dB/km$$
>     \(a(f)=4.09\times 10^{-2}f^{0.699}\)
>     \(b(f)=2.63f^{-0.272}\)

云致衰减Cloud attenuation

云致衰减作用和云层的结构相关，通常可用如下公式估算：

$$\alpha = 0.4343 \left(\frac{3 \pi \upsilon }{32 \lambda \rho} \right) Im \left(\frac{1-\varepsilon }{2+\varepsilon } \right) dB/km$$
>     \(\upsilon \) 云层中的液态水含量，\(g/m^3 \)；
>     \(\lambda \) 波长，\(m \)；
>     \(\rho \) 水的密度，\(g/cm^3 \)；
>     \(\varepsilon \) 水的相对介电常数；
>     \(Im \) 与云层相关的因子。

聚焦和散焦Focusing and defocusing

聚焦和散焦都是电磁波在大气层中的折射引起的，这种衰减效应通常与电磁波的频率关系不大。

增益下降Decrease in antenna gain due to wave-front incoherence

电磁波在大气层中的折射会引起增益下降，这种效应随着电磁波频率的提高和仰角的下降而愈加显著。

大气闪烁Scintillation

大气湍流使得电磁波的折射出现小幅波动，导致了大气闪烁现象。大气闪烁随着电磁波频率的提高和传播距离的延长而加剧，随着带宽下降而缓解。在长距离传播过程中，大气闪烁对电磁波衰减的影响不容忽视。

多径效应Multipath effects

多径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，电磁波的极化方向会发生变化，导致有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。

噪声温度Noise temperature

噪声温度(包括宇宙射线的作用)主要影响信噪比。

去极化Depolarization

受水汽影响，地球表面的线极化波和圆极化波都有去极化的现象，使信号衰减(差分衰减)，同时使极化面旋转(差分相移)，影响通信质量。某些天线罩对垂直极化分量和平行极化分量的传输系数不同，也会导致类似的去极化效应。

在通信领域，电磁波主要受大气衰减、雨致衰减、云致衰减以及大气闪烁的影响，详细的数据资料可参考ITU制订的《无线电波在大气气体中的衰减》。