無(wú)線圖傳可以傳輸多少距離

上回講到了無(wú)線通信中影響傳輸距離的幾個(gè)因素，包括設(shè)備本身因素、輻射因素以及外部因素，在外部因素中，無(wú)線電波在傳輸過(guò)程中有直射、反射、繞射、散射等多種傳輸方式。無(wú)線圖傳一般工作在“視距傳播”方式，無(wú)線電波的直射和反射兩種傳播路徑?jīng)Q定了在視距通信中有多少的無(wú)線電波能到達(dá)接收端。

在工程中，有一個(gè)估計(jì)的方法，利用一個(gè)理論上存在的“菲涅爾區(qū)”作為判斷依據(jù)。今天我們來(lái)揭開(kāi)“菲涅爾區(qū)”的神秘面紗。

菲涅爾區(qū)的計(jì)算依據(jù)其實(shí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何題。

首先，我們重溫一下波的特性。波（不僅僅是無(wú)線電波）在遇到障礙物發(fā)生發(fā)射時(shí)，波自身振動(dòng)的方向會(huì)發(fā)生改變，從下圖可以看出。

我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為波的“相位”發(fā)生了180度的變化。反射波的傳播路徑，到達(dá)接收點(diǎn)后，與原來(lái)直接入射的直射波信號(hào)發(fā)生了“疊加”。這種疊加分為兩種情況：

減弱：反射波所經(jīng)過(guò)的路程比直射波所多出來(lái)的距離，剛好是一個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍的情況下，直射波和反射波之間的相位保持著180度的差距，一個(gè)在波峰的時(shí)刻一個(gè)剛好是波谷。這樣，信號(hào)就被這種疊加而衰減掉了。

增強(qiáng)：反射波所經(jīng)過(guò)的路程比直射波所多出來(lái)的距離，剛好是半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍的情況下，反射波所產(chǎn)生的180度相位差，被路程差所產(chǎn)生的剛好另外180度的相位延遲，給糾正成了和原直射信號(hào)一樣的相位。波峰與波峰疊加，波谷和波谷疊加，接收點(diǎn)所獲取到的信號(hào)得到增強(qiáng)。

通俗的講，就是無(wú)線電波直射波和反射波有時(shí)是互相削弱，有時(shí)是互相增強(qiáng)的。（題外話(huà)：為什么現(xiàn)在越來(lái)越多的無(wú)線圖傳都是采用雙集接收，使用時(shí)兩個(gè)接收天線不要離得太近，也是考慮了直射和反射的疊加問(wèn)題）

理想的情況是，我們要找到無(wú)線傳輸路徑，使直射信號(hào)和反射信號(hào)不會(huì)互相削弱，那樣我們傳輸?shù)木嚯x就能更接近理論的最遠(yuǎn)值。惠更斯和菲涅爾兩位科學(xué)家給了我們結(jié)論：發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間所有路程差剛好是半個(gè)波長(zhǎng)整數(shù)倍的反射傳播路徑，是視距傳輸?shù)谋匾獥l件。其中，路程差最短的一條，剛好半個(gè)波長(zhǎng)的1倍的那一組路徑是對(duì)視距傳輸信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)保障的最重要的一組。

還是畫(huà)個(gè)圖來(lái)跟大家一起理解一下。

要完成兩個(gè)山頭的無(wú)線傳輸，反射信號(hào)傳輸路徑B與直射信號(hào)傳輸路徑A之間的差值不能大于半波長(zhǎng)的1倍?？赡苡腥藭?huì)問(wèn)，樹(shù)再長(zhǎng)高一點(diǎn)，只要沒(méi)有擋住直射路徑A，還是能夠?qū)崿F(xiàn)“看得見(jiàn)”的傳輸?。∑鋵?shí)不然，因?yàn)槁窂紹被擋住，不代表反射信號(hào)沒(méi)有，反射信號(hào)在樹(shù)尖上多次反射，使路徑B增加，如果剛好B-A為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，實(shí)際上是削弱了直射路徑傳輸?shù)男盘?hào)。

于是，最經(jīng)典的菲涅爾橢圓是怎么畫(huà)出來(lái)的就很容易了。兩個(gè)山頭的直射信號(hào)路徑A確定，設(shè)計(jì)的無(wú)線信號(hào)頻率確定后，半波長(zhǎng)確定，B-A等于1倍半波長(zhǎng)時(shí)，B的數(shù)值也確定了，那么所有反射路徑B組成的形狀是怎么樣的呢？

是不是很有意思呢？看了很多文章，推公式的有，裝高深的也有，希望這個(gè)例子能讓大家理解菲涅爾橢球體是怎么來(lái)的。

為了紀(jì)念菲涅爾的貢獻(xiàn)，科學(xué)家把路程差最短只有半個(gè)波長(zhǎng)1倍的的那一組反射路徑所形成的這個(gè)“橢球區(qū)”也成為“第一菲涅爾區(qū)”。

在無(wú)線傳輸中，菲涅爾區(qū)代表了最少存在一條直射路徑和一條“增強(qiáng)型”反射路徑的傳播區(qū)域。如果這個(gè)區(qū)域內(nèi)有障礙物，使得有可能存在直射路徑或反射路徑不能達(dá)成的情況，通信效果將大大地打個(gè)折扣，按照常規(guī)的無(wú)線電信號(hào)在自由空間的傳播損耗來(lái)估計(jì)傳輸距離是嚴(yán)重不符合的。

這種障礙物包括高山、高大的建筑物之外，還有一類(lèi)就是地面。如果發(fā)射和接收雙方的天線高度不夠高，通過(guò)理論計(jì)算出來(lái)的菲涅爾區(qū)的半徑要大于天線的高度，那么顯而易見(jiàn)，地面形成了一個(gè)巨大的障礙物。

下圖第一種情況是第一菲涅爾區(qū)沒(méi)有被大地遮擋的情況，能實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的有效傳輸。

因此，合理的天線高度可以保證理論上計(jì)算出的菲涅爾區(qū)不會(huì)觸到地面，從而讓無(wú)線通信能夠有效地進(jìn)行。上面介紹的是平坦地面的情況，如果是起伏的丘陵地形，或者是海面的情況，需要加高天線的高度，使得菲涅爾區(qū)高于丘陵的最高高度（或者海浪的最大浪高）。