菲涅耳区讨论

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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，   和   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。