微波传输衰落与抗衰落技术讨论

山西广播电视无线管理中心 ：罗宇飞

微波传输会受到天气、昼夜、季节以及传输路径上的地形等因素的影响，造成微波衰落，影响微波信号质量，但衰落形成的原理有所不同，需要从具体原因着手，有针对地采用抗衰落技术解决微波传输的衰落问题。

1.微波的衰落现象

微波通信中，工作频率一般采用6～8GHz，高频电磁波的绕射能力弱，容易被障碍物阻挡，因此微波频段的传输为视距传输，但微波遇到电离层时可以穿过。

微波信号在空气中传播时会受到空气中温度、湿度、气压的影响，所以微波信号接收时强度会随着昼夜、季节、天气变化而变化，这种现象称为微波传输的衰落。这种衰落有的一闪而过，只有几毫秒或者几秒，称为快衰落；有时可以持续几个小时，称为慢衰落。当信号的接收强度低于微波在自由空间传播后接收的强度时，称为下衰落；反之，接收信号强度高于自由空间传播后接收的强度，称为上衰落。

经过不同地形、天气、季节时对微波传输衰落测试，可得出如下规律：

（1）在微波传输路径经过水面和地势平坦的地区比经过山区的衰落严重。

（2）五到十月比十一到一月发生衰落的次数显著增加，且深度大。

（3）晴朗的日间比夜间传输更稳定。

（4）在天气晴朗时，零点至三点、五点至九点、十九点至二十一点出现深衰落的频率较高。

（5）雨、雾、大风对接收电平的影响较微弱，仅略小于自由空间传播的接收电平，但在雨、雾天气后会产生时间短暂的深衰落。

以上情况是10GHz以下的微波传输的衰落规律，在大于10GHz的频段还需要考虑雨、雪、雾以及大气对电磁波的吸收和散射。因为衰落现象的存在，在微波电路的设计时，应留有足够的电平储备以应对不同情况下的衰落。

2.衰落的类型及产生的原因

从物理角度看，衰落可以分为两类：一类是闪烁型衰落，由于微波在传输过程中受到空气轻微扰动发生散射，散射波在接收处与主波发生干涉引起，但散射波的振幅很小，对主波的影响微乎其微，因此对微波电路的影响不大；另一类是K型衰落和波导型衰落，是微波在空气中折射引起的，这种衰落对微波电路传输指标的影响很大，严重时可造成电路中断。

2.1 K型衰落

微波在大气中传播时，受温度、海拔高度等因素影响，空气密度分布不均匀，因而会产生折射导致微波传播路径发生弯曲，折射波的路径要长于直射波，在微波接收端，折射波与直射波因行程差产生相位差，两者相互干涉引起接收强度变化而产生衰落。

K型衰落分为干涉型衰落和绕射型衰落。

微波通道无任何阻挡时，两站距离、天线的高度、传输路径的等效反射系数相同的情况下，直射波和反射波的传播行程差受K值影响，两路电路相互干涉，对接收端的信号强度产生影响，称为干涉型K型衰落。在实践中发现，干涉型K型衰落会造成快衰落，也会造成慢衰落。

微波传输余隙较小时，K值小于1，微波的传输路径会变为凹形曲线，称之为负折射，在出现负折射时，微波传输路径上的最高阻挡物与微波路径的距离变小。当K值继续变小，负折射更加严重，微波路径被阻挡物阻挡时，余隙变为负值，接收电平变得很小，造成微波传输中断，称为绕射型K型衰落。由此可见，绕射型K型衰落产生的直接原因是大气负折射，要避免绕射型K型衰落，在微波站建站规划设计时，需要有足够的余隙，以及可能出现的最小K值，避免电波传输被阻挡。

2.2 波导型衰落

在一定的天气和温度条件下，如晴朗的夜间，靠近地面的空气温度因地面冷却下降迅速，但上层空气仍保持较高的温度，这个温差层就成为了大气波导层，一般距离地面1公里内。大气波导层出现的时间、位置、厚度、形状是随机的，对微波传输的影响有所不同。

在收站和发站的微波天线同时处于大气波导层内时，K小于0，微波传输处于超折射状态，发站天线发出的微波在波导层内传输，电波的振幅和相位随时改变，收站天线接收到的折射波与直射波相位相同时振幅叠加，电场强度大幅增强；两者相位不同时，电场强度可能会大幅下降，这种衰落称为干涉型波导型衰落，衰落的持续时间比K型衰落短。

收站和发站两侧的微波天线有一侧在大气波导层内，另一侧在大气波导层外时，微波的传播会偏离传输路径，接收到的信号强度会大幅减小，称之为衰减型波导型衰落。

据实验表明，大气波导层的厚度一般为20米到30米，因此收站和发站天线高度差较小时，容易产生干涉型波导型衰落，反之，收站和发站高度差较大时，容易产生衰减型波导型衰落。

此外，波导型衰落还与大气波导层的厚度相关，微波波长越短，导致波导型衰落的大气波导层厚度越小。例如，微波频段为4GHz，大气波导层厚度20米左右时，会产生波导型衰落。

2.3 混合型衰落

当微波传输路径跨越湖泊、海面等地形时，既可能产生K型衰落，也可能产生波导型衰落，形成两种衰落的条件都满足时，地面产生的反射波、大气波导层的折射波，以及直射波相互叠加干涉，影响信号的接收场强，称为混合型衰落。

K型衰落的持续时间长，变化慢；波导型衰落的持续时间短，变化快。两种衰落同时发生时，会使得衰落变得更深，甚至发生瞬时中断，所以混合型衰落比单一类型的衰落对微波传输的危害更大。

3.抗衰落技术概述

人们在实践中研究出对抗衰落的技术措施，分为微波电路建设前的规划和建成后对严重衰落所采取的应对措施。

3.1 微波电路建设前的规划

微波产生严重衰落的主要原因是K型衰落，在微波电路路径的选择上应当避免跨越湖泊、海面等有强烈反射的区域。有时出于政治、成本等方面因素考量，不可避免地选择上述区域时，可采取如下措施改善：一是尽可能根据实地条件，利用地形或自然阻挡物阻挡反射波；二是在设计天线高度时保证足够的余隙；三是若反射波无法被阻挡，应当使两站的天线高度差增大，让反射点靠近较低天线。如果经上述措施后仍无法改善衰落，可以进行分集接收或者安装抗衰落天线。

当微波电路所跨越的区域等效反射系数大于0.3，又无法利用地形或自然阻挡物有效阻挡反射波，则可以采用分集技术抵抗衰落。在微波电路跨越湖泊、海面的状况下，等效反射系数约等于1，由于衰落严重，可选择使用抗衰落天线。

除传输路径的选择外，考虑到受大气负折射的影响可能形成绕射型衰落，根据不同的气候条件，设计天线高度时应考虑足够的余隙。

此外，据统计表明，深衰落发生的概率与站距呈正相关，因而在衰落严重的地区，应当缩短站距，以减少深衰落发生的概率。

3.2 已建成微波电路

在已建成的微波电路中，不得不跨越可能引起严重衰落的地区，或因地形条件改变、新建建筑物阻挡等原因影响微波电路传输质量。可采取分集技术和抗衰落天线抵抗衰落。

3.2.1 分集技术

分集技术，指的是利用两条或者多条传输路径传输同一内容，以减轻衰落对微波电路的影响。从实现方式原理上，又分为空间分集和频率分集。

在垂直空间上安装两副或两副以上天线，同时接收或发送同一信号，选择强度质量较好的一路或者将两路信号合成的方式，称为空间分集。

利用几个不同微波频率，同时发送同一内容信号，选择质量较好的一路或者将两路信号合成的方式，称为频率分集。

空间分集和频率分集可混合使用，例如发站使用两个频率发送，收站垂直空间安装两副天线接收不同频率的信号，再选择或者合成，称为混合分集。

多个微波通道同时发生深衰落的概率小于单一微波通道时，才能取得抵抗衰落的效果，多个微波通道受衰落影响的相关性越小，取得的效果越好。

3.2.2 抗衰落天线

对于等效反射系数约等于1的情况，可以使用抗衰落天线来抑制反射波，从而减少K型衰落的影响。抗衰落天线包括选择合适口面尺寸天线和防反射天线。

选择合适口面尺寸天线。增大天线的口面尺寸时，其方向图主瓣会收窄，主瓣和第一旁瓣之间的最小增益点方向角也随之改变。为了抑制反射波，可以使用合适口面尺寸的天线，使天线的主瓣和第一旁瓣的最小增益点方向与反射波方向重合，这样就能显著地减弱反射波的作用。

在使用合适口面尺寸天线时，应当增大两站微波天线高度差，使反射点靠近较低天线的一端，否则会导致所需天线口面尺寸过大而无法实现。

防反射天线阵。当所需天线的口面尺寸过大无法实现时，可以采用在垂直空间上安装多副天线组成天线阵，多副天线接收到的信号按照相应的相位关系发送到微波收发信机。天线阵形成的方向图主瓣更窄，方向性更好，能够很好地屏蔽反射波，减轻K型衰落的影响。

抗衰落天线在应对K型衰落时，可以起到很好的效果，但在遇到波导型衰落时却作用有限，因此抗衰落天线的使用有一定的局限性。

4.空间分集

微波中继传输中，在抗衰落措施中最常用的办法是设置备用频率波道，主用波道受到衰落影响时自动启用备用波道，然而相邻频率的波道有很大的相关性，往往倒换至备用波道改善效果并不明显。空间分集技术可以防止因深衰落引起的误码率增大和信号闪断。

空间分集技术分为空间分集发送和空间分集接收。

空间分集发送是在微波频段上进行的，一种是垂直空间的两面微波天线合成发送；另一种是选择垂直空间的两面天线中信号质量较好的进行发送。空间分集发送是通过改变微波信号的相位或者传输路径实现抵抗衰落。

空间分集接收可以在微波设备的调制解调、中频转换以及微波发射时进行。空间分集的接收方式有两种：一是同相合成分集接收，将接收到的两路微波信号相对相位移至同相后相加，合成为较强的信号；二是基带开关分集接收，两副天线分别接收信号后，发送至不同的收发信机，经过中频转换并解调成基带信号，由基带开关选择误码率较低的信号输出。

5.频率分集

5.1 频率分集的工作原理

频率分集是指采用相隔一定频率的两个或者两个以上的微波频率，发送或接收相同的信息，再进行选择或合成。

采用空间分集技术，要求两路分集信号相关性较小，才能取得满意的改善效果。频率分集同样要求两个频率的信号在抵抗衰落上相关性较小，不会同时发生深衰落。

5.2 频率分集的分类

频率分集可以分为两类：同频段分集和跨频段分集。

5.2.1 同频段分集

同频段分集是指频率分集使用的两个微波信号频率在同一频段中。一般情况下，两频率间隔在信号频率的2%时，两频率之间的相关系数约0.8，衰落就可以获得改善。当频率间隔为5%时，两个频率信号几乎无相关性，但会浪费频谱资源，不会得到无线电管理部门的许可。

5.2.2 跨频段分集

采用跨频段分集是频率分集使用的两个微波信号频率不在同一频段。例如，一个频率在11GHz频段，另一个在6GHz频段。这样给两个信号空出了足够的频率间隔，也节约了频谱资源。

6.频率分集与空间分集的优缺点

6.1 频谱利用率

因为频率分集的两个信号需要一定的频率间隔，因而占用更多的频谱，而空间分集仅需要一个频率。

6.2 设计考虑

受无线电规划的制约，频率分集在频率的选择上较为严格，自由度较小，而空间分集可以灵活设计两副天线垂直距离，但需要考虑经济性和自然条件的限制。

6.3 分集效果

对频率分集而言，衰落的改善度随着频率的增加而降低，与频率间隔呈线性正相关；空间分集衰落的改善度与频率成正相关，与两副天线高度差增加的平方成正比。

例如，当衰落深度为-30dB，工作频段为6GHz，两信号的频率间隔为4%时，衰落的改善度为10，想得到同样的效果，使用空间分集仅需要建设时使主天线和分集天线的高度差调整至8.2米。主天线与分集天线的高度差增大1倍，改善度为40，相比之下，频率间隔增大1倍时，改善度仅为20。

在实践中，因频率资源的日益紧张，频率分集很少被应用，而空间分集因其易于实现且有很好的分集改善效果，其技术设备不断完善，已经被广泛使用。

7.数字微波系统中的抗衰落技术

在数字微波系统中，常用分集接收方式有最大功率合成分集接收、最小功率偏差合成分集接收、基带开关分集接收、自适应均衡器。下面将讨论这几种分集接收方式的工作原理及优缺点。

7.1 最大功率合成分集接收

数字微波系统中的最大功率分集功率接收是前述所说的同相合成，可以在数字微波系统的微波阶段同相合成，也可以在下变频为中频后同相合成。

最大功率合成分集接收是将两副天线接收到的信号振幅叠加，可以一定程度减小带内振幅偏差，但效果有限，因为在合成的信号中，除主波外，还会带入有一定时延的反射波，这种反射波会引起带内振幅波动造成失真。

7.2 最小振幅偏差合成分集接收

最小振幅偏差合成分集接收的工作原理是将两副天线接收到的微波信号的反射波进行反相叠加，以减小反射波的振幅，最大限度地减小带内振幅偏差，使其幅频特性更平坦。

与最大功率合成分集接收相比，最小振幅偏差将两副天线接收到的信号中的反射波反相叠加后的合成信号中反射波分量已经非常小，能有效抑制带内振幅偏差。

最小偏差合成分集接收系统由无限移相器、控制器、带内振幅偏差检出器，以及合成器组成。首先用带内振幅偏差检出器中的窄带滤波器对微波信号滤波，在中心频率为115MHz、140MHz、165MHz，带宽均为5MHz的三个频点取信号功率进行检波，由检波电压判断带内振幅偏差是否减小，由控制器控制移相器对两副天线接收的其中一个信号按照相应的大小移相，得到带内振幅偏差减小的合成信号。带内振幅偏差检出器对这个合成信号再次检波，根据检波电压再次移相合成，如此重复检波-移相-合成，到带内振幅偏差最小为止，基本可以消除信号中的反射波。

在接收到的信号小于门限时，将自动切换为中频同相合成，因为两副微波天线接收到的信号同时深衰落时，虽然幅频特性会变得平坦，但噪声仍然会累积，误码率也会增加，导致信号中断。切换为中频信号后合成可以降低噪声功率，同时不影响同相合成的改善效果。

7.3 基带开关分集接收

当两副天线接收到的信号分别下变频为中频信号，经过解调，变换为基带信号后，选择误码率低的一路输出。

7.4 自适应均衡器

自适应均衡器是除空间分集外抵抗频率选择性衰落的重要手段，自适应均衡器可以在频率域和时间域中补偿失真波形。频率均衡可以根据利用滤波器的频率选择的特点补偿信道的幅频和群时延特性，使微波系统的频率特性可以消除码间干扰；时域均衡是从时间响应着手，使微波系统从冲激响应特性可以消除码间干扰。与时域均衡相比，频率均衡要求的信道波形与奈奎斯特定理得到的理想波形一致，实现的条件苛刻。时域均衡则直接对接收到的波形补偿以消除码间干扰，判决更可靠，是数字微波系统中消除码间干扰的主要方法。

不同地理、气候环境下采用抗衰落技术遵循一定的原则：两站站距较短时，采用自适应均衡器；标准站距上可同时采用空间分集和自适应均衡器；微波传输路径跨越水面、平原等地区时采用空间分集和自适应均衡器后，信号质量仍不能满足要求，可以同时采用横向自适应均衡器；而基带开关分集接收适用于中小容量微波系统。