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标题: 菲涅耳区讨论  [查看完整版帖子] [打印本页]

时间:  2013-3-6 09:37
作者: yl_1030     标题: 菲涅耳区讨论

1.菲涅耳区
当需要计算传播主区的几何尺寸时,要应用惠更斯-菲涅尔原理。惠更斯-菲涅尔原理认为,波在传播过程中,波面上的每一点都是一个进行二次辐射球面波(子波)的波源,而下一个波面,就是前一个波面所辐射的子波波面的包络面。由惠更斯-菲涅尔原理可以知道,视距传播收发天线之间传播的信号,并非只占用收发天线之间的直线区域,而是占用一个较大的区域,这个区域可以用菲涅耳区来表示。
下面讨论菲涅耳区的几何区域。若T点为发射天线,R点为接收天线,以T点和R点为焦点的旋转椭球面所包含的空间区域,称为菲涅耳区。若在TR两点之间插入一个无限大的平面S,并让平面S垂直于TR连线,平面S将与菲涅尔椭球相交成一个圆,圆的半径称为菲涅尔半径。若菲涅尔半径不同,菲涅尔区的大小也不同,菲涅尔区有无数多个,分为最小菲涅尔、第一菲涅尔区、第二菲涅尔区等。菲涅尔区如图4.8所示。
    
                                                                        
  
    
(点击查看大图)图4.8   菲涅耳区
  
在图4.8(b)中,t为平面S上的一点到发射天线T点的距离,r为平面S上的一点到接收天线R点的距离,发射天线T与接收天线R之间相距d。可以看出,t + r-d就是收发天线之间两条不同路径电磁波的行程差。当行程差为 /2的奇数倍时,两条不同路径电磁波的作用相同,接收点的电场得到加强;当行程差为   /2的偶数倍时,两条不同路径电磁波的作用相反,接收点的电场相互抵消。可以划分如下菲涅耳区的范围。
    
        
  
式(4.27a)定义了第一菲涅耳区,式(4.27b)定义了第二菲涅耳区,式(4.27c)定义了第n菲涅耳区。
第一菲涅耳区不同路径电磁波到达接收天线的作用相同,当电磁波通过整个第一菲涅耳区时,接收点的信号是最强的,因此经常讨论第一菲涅耳区的范围。除第一菲涅耳区外,最小菲涅耳区也是一个重要概念,最小菲涅耳区在第一菲涅耳区内,当电磁波通过整个最小菲涅耳区时,不同路径信号到达接收点时也是同相相加,信号也得到加强。
(1)最小菲涅耳区。
为了获得自由空间的传播条件,只要保证在一定的菲涅耳区域内满足"自由空间的条件"就可以了,这个区域称为最小菲涅耳区。也就是说,只要最小菲涅耳区内无障碍物,满足"自由空间的条件",收发天线之间的电波传播与全空间无障碍物相同。最小菲涅耳区的大小可以用菲涅尔半径表示,最小菲涅耳区半径为:
    
        
  
其中, 表示收发天线之间的距离,     分别表示发射天线和接收天线与平面S的距离,此时最小菲涅耳半径是平面S与菲涅尔椭球相交成圆的半径。可以看出,当收发天线之间的距离一定时,波长越短,传播主区的菲涅尔半径越小,菲涅尔椭球的区域越细长,最后退化为一条直线,这就是认为光的传播路径是直线的原因。
(2)第一菲涅耳区。
第一菲涅耳区比最小菲涅耳区大,当第一菲涅耳区内满足"自由空间的条件",并且收发天线只利用第一菲涅耳区传播电磁波时,则接收天线在R点得到的辐射场为自由空间的2倍。当收发天线只利用第一菲涅耳区传播电磁波时,接收天线能得到所有传播环境中最大的辐射场。第一菲涅耳区的大小可以用菲涅尔半径表示,第一菲涅耳区半径为:
    
        
  
为保证系统正常通信,收发天线要满足使它们之间的障碍物尽量不超过第一菲涅耳区的20%,否则电磁波多径传播就会产生不良的影响,导致通信质量下降。
2.地面反射
在发射和接收天线的视线距离内,电磁波除直接从发射天线传播到接收天线外,还可以经过地面反射到达接收天线,接收天线处的场强是直射波和反射波的叠加。
(1)地面菲涅耳区。
虽然地面各点均产生反射,但只有地面菲涅耳区对反射产生主要作用,地面菲涅耳区与第一菲涅耳区或最小菲涅耳区相对应,是反射波的传播主区。
假设地面为无限大理想导电平面,地面的影响可以用镜像法来分析。依旧假设T点为发射天线,R点为接收天线,T 点是T点在地面的镜像点,地面反射波可以视为由镜像波源T 点发出的。由自由空间电波传播菲涅耳区的概念可知,在镜像天线T 点到接收天线R点之间电波传播的主区,就是以T 点和R点为焦点的最小或第一菲涅尔椭球区,该椭球与地面相交的椭圆,就是地面菲涅耳区。地面菲涅耳区如图4.9所示。
    
        
  
    
(点击查看大图)图4.9   地面菲涅耳区
  
4.5.2  视距传播与菲涅耳区(2)
(2)地面等效反射系数及瑞利准则。
实际地面是起伏不平的,理想光滑地面是不存在的,镜像反射只是一种理想情况。地面对电波的影响主要体现在两个方面,一个是地质的电特性,另一个是地表的物理结构。
地面起伏对反射的影响,可以用地面等效反射系数来描述。地面入射电场、地面反射电场与反射系数R的关系为:
    
        
  
不论地面的性质如何,反射系数R的模值总是小于1。
地面起伏对反射波的影响程度与波长和地面起伏高度之比密切相关。地面不平度常用瑞利准则来描述,瑞利准则给出了光滑地面与粗糙地面的分界点。瑞利准则为:
    
        
  

其中,h 是地面起伏高度,   为电磁波的入射角。可以看出,电磁波波长越短,或电磁波入射地面的入射角越小,越难以看成光滑地面。
3.RFID电磁波的传播机制
当有障碍物(包括地面)时,电磁波存在直射、反射、绕射和散射等多种情况,这几种情况是在不同传播环境下产生的。
(1)直射、反射、绕射和散射。
直射:是指电磁波在自由空间传播,没有任何障碍物。
反射:是由障碍物产生的,当障碍物的几何尺寸远大于波长时,电磁波不能绕过该物体,在该物体表面发生反射。当反射发生时,一部分能量被反射回来,另一部分能量透射到障碍物内,反射系数与障碍物的电特性和物理结构有关。
绕射:也是由障碍物产生的,电波绕过传播路径上障碍物的现象称为绕射。当障碍物的尺寸与波长相近,且障碍物有光滑边缘时,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。电磁波的绕射能力与电波相对于障碍物的尺寸相关,波长越大于障碍物尺寸,绕射能力越强。
散射:也与障碍物相关,当障碍物的尺寸或障碍物的起伏小于波长,电波传播的过程中遇到数量较大的障碍物时,电磁波发生散射。散射经常发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体的表面。
(2)RFID电磁波的传播。
总的来说,微波RFID希望收发天线之间没有障碍物,提供电磁波直射的环境。微波RFID的频率主要包括433MHz、800/900MHz、2.45GHz或5.8GHz,其中433MHz和800/900MHz频段电波的绕射能力较强,障碍物对电波传播的影响较小;2.45GHz和5.8GHz电磁波的波长较短,收发天线直线之间最好没有障碍物。
当频率达到GHz时,不仅障碍物对电波传播有影响,云雨雾也对电波传播有影响,而且频率越高、波长越短时,云雨雾的影响越大。
4.衰减与衰落
读写器和电子标签所处的环境比较复杂,电波在空间传播时会发生衰减和衰落。衰减和衰落是不同的概念,衰减指发射天线的信号到达接收天线时信号的振幅减小,衰落指接收点的信号随时间随机的起伏。

时间:  2013-3-6 11:40
作者: Miro

纠正一下,433Mhz~900Mhz频率不属于微波频段呵。。。




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