弗雷內爾區

弗雷內爾區為英文單詞Fresnel zone的音譯，也稱菲涅耳區。命名為物理學家奧古斯丁·菲涅耳，是一系列同心的扁長橢球的之間和周圍的發射天線和接收天線系統的空間區域。該概念用於理解和計算在發射器和接收器之間傳播的波（例如聲音或無線電波）的強度。

基本介紹

• 中文名：弗雷內爾區
• 外文名：Fresnel zone
• 別稱：菲涅耳區
• 命名者：奧古斯丁·菲涅耳，
• 本質：一種可用於計算波強度的空間區域
• 套用：計算發射器和接收器間波的強度

簡介

奧古斯瓊·菲涅耳是法國物理學家，19世紀初他在光場和光傳輸的波動理論方面有重要發現。由於微波傳輸特性類似於光波，故其理論至今仍被採用。

圖1 菲涅爾區示意圖

菲涅耳確定，從距發射點d的接收點看，傳輸能量等效包含在一個形如橢球體的自由空間內，這個橢球體的大小取決於工作波長和收發間距；而橢球體外反射到接收端的能量，則會加強或減弱從體內到達接收端的能量。他進一步的實驗發現，若從橢球體外能量的傳輸距離比收發兩點間的直線距離長(d)半波長(λ/2)的奇數倍，接收信號就加強；若兩路程差為波長的整數倍，則其作用就抵消。這就是菲涅耳區的概念，如圖1所示。

原理

在無線信道中，繞射的物理性質取決於障礙物的幾何形狀，繞射點電磁波的振幅、相位和極化狀態。惠更斯-菲涅耳(Huygens—Fresnel)原理清楚地說明了衍射這種現象。如果信道中收發天線之間存在的障礙物占據了某些Fresnel區的位置，接收能量就會衰減，從而導致繞射衰減。

圖2 惠更斯-菲涅爾原理圖

圖2表示發射天線T輻射能量是以擴展波前面的形式從源向外傳播的。惠更斯認為波在傳播過程中，行進中的波前面E的每一點都是一個進行二次輻射的球面波波源(稱為惠更斯源)，而下一個波面就是前一個波面上無數個二次輻射波波面的包絡面。菲涅耳認為波在傳播過程中，空間任一點的輻射場是包圍波源的任意封閉曲面上各點的二次波源發出的波在該點互相干涉疊加的結果。

意義

每個菲涅耳區域由相移（或其缺失）定義，該相移最終發生在發射的流氓正弦波偏離該區域內的物體並繼續向前到達接收器時。考慮到這些區域是非常重要的，因為跟隨這些路徑之一的正弦波可能會到達接收器與主要視線正弦波不同步，相位偏移為1º到359º。如果物體在特定的菲涅耳區域區域內，原始信號的一部分沒有朝向接收天線移動並且否則將繼續向前進入空間，可以被該物體部分地偏轉回到接收天線。偏轉的信號可能導致相長干涉或接收器處的相消干涉，取決於路徑長度和偏轉波到達接收器時產生的相移程度。

當無線電發射器或接收器正在移動時，這是柵欄柵欄效應的原因，並且高和低信號強度區域高於和低於接收器的截止閾值。接收器處信號強度的極端變化可能導致通信鏈路中斷，甚至根本不會阻止信號被接收。

菲涅爾區可見於光學，無線電通信，電動力學，地震學，聲學，引力輻射以及涉及波輻射和多徑傳播的其他情況。菲涅爾區計算用於預測設計高指令系統（如微波拋物面天線）時所需的障礙物間隙系統。雖然直觀地說，發射器和接收器之間的視線似乎是強天線系統所需要的全部，但由於無線電波的複雜性，第一菲涅耳區內的障礙物可能導致嚴重的弱點，即使這些障礙物也是如此。沒有阻擋視線信號路徑。因此，對給定天線系統計算第一或主要菲涅耳區域的大小是有價值的。這樣做將使天線安裝人員能夠確定障礙物（例如樹）是否會對信號強度產生重大影響。根據經驗，主要的菲涅耳區理想情況下沒有障礙物，但至少清除60%。