第9章地面波傳播ppt課件

1、第第9章章 地面波傳播地面波傳播 重點(diǎn)：地面波場強(qiáng)計算重點(diǎn)：地面波場強(qiáng)計算難點(diǎn)：波前傾斜現(xiàn)象難點(diǎn)：波前傾斜現(xiàn)象 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：91 地球表面電特性地球表面電特性 9. 2 地面波的傳播特性地面波的傳播特性 93 地面波場強(qiáng)的計算地面波場強(qiáng)的計算 9. 4 地面不均勻性對地面波的影響地面不均勻性對地面波的影響 圖圖9-1-1 地球結(jié)構(gòu)示意圖地球結(jié)構(gòu)示意圖 地心地幔地核海洋60 km3460 km2850 km地殼(平均33 km)9.1 地球表面電特性地球表面電特性地球由地核、地幔和地殼構(gòu)成，地球由地核、地幔和地殼構(gòu)成， 平均半徑為平均半徑為6370km6370km無線電波沿地面?zhèn)鞑ィQ為

2、地面波傳播。無線電波沿地面?zhèn)鞑?，稱為地面波傳播。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 地面的電參數(shù)地面的電參數(shù) （2地面電磁特性地面電磁特性、）地面對電波傳播的影響因素：地面對電波傳播的影響因素： （1地面不平坦性地面不平坦性 為了既反映媒質(zhì)的介電性為了既反映媒質(zhì)的介電性r，又反映媒質(zhì)的，又反映媒質(zhì)的導(dǎo)電性導(dǎo)電性，可采用相對復(fù)介電常數(shù)，可采用相對復(fù)介電常數(shù)060rrrjj(911) 其中：其中： mF9010361為自由空間波長。為自由空間波長。什么是電流？電流的方向是如何規(guī)定的？什么是電流？電流的方向是如何規(guī)定的？ 傳導(dǎo)電流：導(dǎo)電媒質(zhì)中的電流。傳導(dǎo)電流：導(dǎo)電媒質(zhì)中的電流。 運(yùn)流電流：真空或空

3、氣中帶電粒子運(yùn)動所形成運(yùn)流電流：真空或空氣中帶電粒子運(yùn)動所形成 的電流。的電流。位移電流：由變化的電場產(chǎn)生的電流。位移電流：由變化的電場產(chǎn)生的電流。 電場中某點(diǎn)的位移電流密度等于該點(diǎn)電位移矢電場中某點(diǎn)的位移電流密度等于該點(diǎn)電位移矢 量量 的時間變化率，即的時間變化率，即tDJDED（A/m2） 60/r 1 時，大地視為良導(dǎo)體；時，大地視為良導(dǎo)體；60/ r 1 時，大地視為電介質(zhì)；時，大地視為電介質(zhì)；Jf和和JD相差不大時，稱為半電介質(zhì)。相差不大時，稱為半電介質(zhì)。怎樣判斷某種地質(zhì)呈現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性呢？怎樣判斷某種地質(zhì)呈現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性呢？通常把傳導(dǎo)電流密度通常把傳導(dǎo)電流密度Jf與位移電流

4、密度與位移電流密度JD 之比之比 060fDrrJJ (912) 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)：作為衡量標(biāo)準(zhǔn)：各種地質(zhì)的各種地質(zhì)的60/r值值 1.1.海水在中、長波波段呈良導(dǎo)體性質(zhì)；海水在中、長波波段呈良導(dǎo)體性質(zhì)；3.3.巖石則在整個無線電波段都呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)。巖石則在整個無線電波段都呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)。2.2.濕土和干土在長波波段呈良導(dǎo)體性質(zhì)，在短波濕土和干土在長波波段呈良導(dǎo)體性質(zhì)，在短波 以上就呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)；以上就呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)；9.2 地面波的傳播特性地面波的傳播特性 當(dāng)天線設(shè)置在緊靠地面上時，天線輻射的電當(dāng)天線設(shè)置在緊靠地面上時，天線輻射的電波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地表面進(jìn)行傳波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不

5、平的地表面進(jìn)行傳播的。由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，對電波傳播產(chǎn)播的。由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，對電波傳播產(chǎn)生以下影響：生以下影響：（一使場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并引起電波吸收（一使場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并引起電波吸收 地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計算和實(shí)驗(yàn)均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。圖圖9-2-1 水平極化和垂直極化波的地面波衰減水平極化和垂直極化波的地面波衰減1200110100908070605040302010010 20 30 405060 70 8090 10010 MHz5 MHz2MHz10 MHz5 MHz2MHzAhAA / dB 水平極化波的衰減水平極化波的衰減因子因子Ah遠(yuǎn)大于垂直

6、極化遠(yuǎn)大于垂直極化波的衰減因子波的衰減因子Av。 水平極化波傳播時水平極化波傳播時在地面上引起較大的感在地面上引起較大的感應(yīng)電流，致使電波產(chǎn)生應(yīng)電流，致使電波產(chǎn)生很大的衰減。很大的衰減。原因：原因：（二使電波沿繞射路徑傳播（二使電波沿繞射路徑傳播 只有當(dāng)波長超過障礙物高度或與其相當(dāng)時，才具有繞只有當(dāng)波長超過障礙物高度或與其相當(dāng)時，才具有繞 射作用，因此在實(shí)際情況中，只有長波、中波以及短波低射作用，因此在實(shí)際情況中，只有長波、中波以及短波低端頻率較低的部分能夠繞射到地表面較遠(yuǎn)的地方。對端頻率較低的部分能夠繞射到地表面較遠(yuǎn)的地方。對于短波高端以及超短波波段，由于障礙物高度大于波長，于短波高端以及超

7、短波波段，由于障礙物高度大于波長，因而繞射能力很弱。因而繞射能力很弱。AP129.2.1 波前傾斜現(xiàn)象波前傾斜現(xiàn)象xE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(b)E1設(shè)垂直極化波沿地表面?zhèn)鞑?，輻射場為設(shè)垂直極化波沿地表面?zhèn)鞑?，輻射場為E1xE1x和和H1yH1y。波傳播時，在波傳播時，在z z方向產(chǎn)生新水平分量方向產(chǎn)生新水平分量E2zE2z。 由于邊界電場切向分量連續(xù)，即存在由于邊界電場切向分量連續(xù)，即存在E1zE1z，因而，因而合成場合成場E1E1就向傳播方向傾斜。就向傳播方向傾斜。 波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場向傳波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場向傳播

8、方向傾斜的一種現(xiàn)象，也稱波陣面傾斜。播方向傾斜的一種現(xiàn)象，也稱波陣面傾斜。 波前傾斜對通信的影響：波前傾斜對通信的影響：（1沿地面方向的電場分量沿地面方向的電場分量E2Z，起到了約束地面，起到了約束地面波始終沿地球表面?zhèn)鬏數(shù)男Ч?；波始終沿地球表面?zhèn)鬏數(shù)男Ч?；?由于波陣面傾斜，產(chǎn)生由于波陣面傾斜，產(chǎn)生E1Z、E2Z使得在地面上使得在地面上和地面下都能接收到地面波。和地面下都能接收到地面波。（3由于波陣面傾斜，造成對電磁波能量的損耗。由于波陣面傾斜，造成對電磁波能量的損耗。減小地面波傳播損耗的方法：減小地面波傳播損耗的方法：（1盡可能把收發(fā)天線架設(shè)在盡可能把收發(fā)天線架設(shè)在數(shù)值較大的媒質(zhì)上，數(shù)值較

9、大的媒質(zhì)上，同時選擇傳播區(qū)域?yàn)殚_闊地帶。同時選擇傳播區(qū)域?yàn)殚_闊地帶。（2通過在收發(fā)天線下面埋地網(wǎng)的方法，提高天線通過在收發(fā)天線下面埋地網(wǎng)的方法，提高天線場地的場地的值。值。9.2.2 地面波傳播的場分量地面波傳播的場分量 低架直立天線輻射的垂直極化波將在傳播方低架直立天線輻射的垂直極化波將在傳播方向上存在電場分量，各分量如圖所示，向上存在電場分量，各分量如圖所示，yOz面為面為地平面，波沿地平面，波沿z軸方向傳播，下標(biāo)軸方向傳播，下標(biāo)“1表示在空表示在空氣內(nèi)，下標(biāo)氣內(nèi)，下標(biāo)“2表示在大地內(nèi)，利用邊界條件，表示在大地內(nèi)，利用邊界條件，有有xOyE1zH1yE2zH2yE2xE1xz1212121

10、20zzyyxxxxEEHHEEBB(921) 上述各分量亦可寫成上述各分量亦可寫成 12124221222112(60)(60)12060arctanjxzzrjxxrxyyrEEEeEEeEHH(928) (929) (9210) (9211) 式中式中 9.2.3 地面波傳播特性地面波傳播特性 （1 1地面波傳播采用垂直極化波。地面波傳播采用垂直極化波。 電波沿一般地質(zhì)傳播時，水平極化波比垂直極電波沿一般地質(zhì)傳播時，水平極化波比垂直極化波的傳播損耗要高數(shù)十分貝。所以地面波傳播采化波的傳播損耗要高數(shù)十分貝。所以地面波傳播采用垂直極化波。天線則多采用直立天線的形式。用垂直極化波。天線則多采用

11、直立天線的形式。（2 2波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實(shí)用意義。波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實(shí)用意義?？刹捎孟鄳?yīng)形式的天線，有效地接收各場強(qiáng)分量?？刹捎孟鄳?yīng)形式的天線，有效地接收各場強(qiáng)分量。 接收接收E1x，采用直立天線；接收，采用直立天線；接收E1z，采用水平天線。，采用水平天線。 （3 3地面上電場為橢圓極化波。地面上電場為橢圓極化波。 緊貼地面大氣一側(cè)的電場橫向分量緊貼地面大氣一側(cè)的電場橫向分量E1x遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于縱向分量縱向分量E1z，且相位不等，合成場為一狹長橢圓，且相位不等，合成場為一狹長橢圓極化波。極化波。波前傾斜角為波前傾斜角為42260arctanr 短波、超短波段短波、超短波段E1z雖較大

12、，但相位差趨于零，雖較大，但相位差趨于零，可近似認(rèn)為電場是與橢圓長軸方向一致的線極化波?？山普J(rèn)為電場是與橢圓長軸方向一致的線極化波。（4 4地面波在傳播過程中有衰減。地面波在傳播過程中有衰減。 地面電導(dǎo)率越大，頻率越低，地面對電波的吸地面電導(dǎo)率越大，頻率越低，地面對電波的吸收越小。因此地面波傳播方式特別適用于長波、超收越小。因此地面波傳播方式特別適用于長波、超長波波段。長波波段。（5 5傳播較穩(wěn)定。傳播較穩(wěn)定。 大地的電特性、地貌地物等不會隨時改變，大地的電特性、地貌地物等不會隨時改變，并且地面波基本上不受氣候條件的影響，故地面并且地面波基本上不受氣候條件的影響，故地面波傳播信號穩(wěn)定。波傳播

13、信號穩(wěn)定。（6 6有繞射損耗。有繞射損耗。 障礙物越高，波長越短，則繞射損耗越大。長障礙物越高，波長越短，則繞射損耗越大。長波繞射能力最強(qiáng)，中波次之，短波較弱，而超短波波繞射能力最強(qiáng)，中波次之，短波較弱，而超短波繞射能力最弱。繞射能力最弱。9.3 地面波場強(qiáng)的計算地面波場強(qiáng)的計算 地面波傳播過程中存在地面吸收損耗，當(dāng)傳播地面波傳播過程中存在地面吸收損耗，當(dāng)傳播距離較遠(yuǎn)，超出距離較遠(yuǎn)，超出 千米時，還必須考慮千米時，還必須考慮球面地造成的繞射損耗。一般計算球面地造成的繞射損耗。一般計算 E1x 有效值的有效值的表達(dá)式為表達(dá)式為3/80MHzf1173()/()rxP kW DEAmV mr km

14、(931) 其中，其中，A為地面的衰減因子；為地面的衰減因子；Pr為輻射功率；為輻射功率；D為方向系數(shù)；為方向系數(shù)；r為傳播距離。為傳播距離。 地面衰減因子地面衰減因子A的嚴(yán)格計算是非常復(fù)雜的。的嚴(yán)格計算是非常復(fù)雜的。 采用國際無線電咨詢委員會采用國際無線電咨詢委員會CCIRCCIR推薦的一組推薦的一組曲線，稱為布雷默計算曲線，用以計算曲線，稱為布雷默計算曲線，用以計算E1xE1x。地波場強(qiáng)計算方法：地波場強(qiáng)計算方法：使用條件：使用條件： （1 1假設(shè)地面是光滑的，地質(zhì)是均勻的；假設(shè)地面是光滑的，地質(zhì)是均勻的； （3計算的是計算的是E1x的有效值。的有效值。 （2發(fā)射天線使用短于發(fā)射天線使用短

15、于/4的直立天線其方向的直立天線其方向系數(shù)系數(shù)D3），輻射功率），輻射功率Pr1kW；1173()/()rxP kW DEAmV mr km計算計算 E1x 有效值的表達(dá)式為有效值的表達(dá)式為將將Pr=1kW，D=3代入，得代入，得15173 1 3(/)()3 10/()xEA mV mr kmAV mr km圖圖 931 （海水）（海水）106123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0204060801001201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200

16、kHz(1500m)150kHz(2000m)傳 播 距 離 / kmdB( V / m)圖圖 932 （濕地）（濕地）20 0204060801001201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)105521042103210221012100210125555555V / m106傳播距離 / kmdB( V / m)123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104圖圖 933 （干地）（干地）20 02040608010

17、01201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)105521042103210221012100210125555555V / m106傳播距離 / kmdB( V / m)123 46 81023 46 810223 46 810323 46 8104 圖圖931圖圖933中衰減因子中衰減因子A值已計入值已計入大地的吸收損耗及球面地的繞射損耗。從圖中可以大地的吸收損耗及球面地的繞射損耗。從圖中可以看出，對于中波和長波，傳播距離超過看出，對于中波和長波，傳播距

18、離超過100km后，后，場強(qiáng)值急劇衰減，這主要是繞射損耗增大所致。場強(qiáng)值急劇衰減，這主要是繞射損耗增大所致。當(dāng)當(dāng)Pr1kW，D3時，則換算關(guān)系為時，則換算關(guān)系為311DkWPEErxx查表(933) 例：某發(fā)射臺使用電小直立天線例：某發(fā)射臺使用電小直立天線D3） ，輻，輻射功率為射功率為Pr=250W，工作頻率，工作頻率f=1MHz，計算，計算r=200km處的場強(qiáng)處的場強(qiáng)E1x 。設(shè)電波沿濕地。設(shè)電波沿濕地=10-2 S/m，r=4傳播。傳播。 解：解：查圖9-3-2，得Pr= 1 kW時，r=200km處的場強(qiáng)為35dBV/m），轉(zhuǎn)換成V/m為 56 （V/m）20 02040608010

19、01201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)105521042103210221012100210125555555V / m106傳播距離 / kmdB( V / m)123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104mVDkWPEErxx/283325. 056311查表對于對于Pr=250W，則場強(qiáng)為，則場強(qiáng)為20/)/()/(10lg20mVdBEmVmVmVdBEEE轉(zhuǎn)換公式為：轉(zhuǎn)換公式為： 9.4 地面不均勻性

20、對地面波傳播的影響地面不均勻性對地面波傳播的影響 前面討論了地面波在一種均勻地面上的傳播前面討論了地面波在一種均勻地面上的傳播情形。實(shí)際上，常常碰到地面波在幾種不同性質(zhì)情形。實(shí)際上，常常碰到地面波在幾種不同性質(zhì)的地面上傳播的問題。的地面上傳播的問題。 船與岸上基站通信時，電波傳播途徑就經(jīng)歷船與岸上基站通信時，電波傳播途徑就經(jīng)歷陸地陸地- -海洋的突變。因而，必須考慮這種情況下海洋的突變。因而，必須考慮這種情況下電波傳播的特點(diǎn)及場強(qiáng)計算的方法。電波傳播的特點(diǎn)及場強(qiáng)計算的方法。(941) 不同性質(zhì)地面上的傳播路徑示意圖不同性質(zhì)地面上的傳播路徑示意圖 式中式中A1(r1)是第是第1種地面上距離為種地

21、面上距離為r1的衰減因子。的衰減因子。 mmVrAkmrDkWPErB/173111ABC1 , 12 , 2r1r2 假設(shè)電波在第假設(shè)電波在第 2 段路徑遭受到的吸收與第段路徑遭受到的吸收與第 1 段段的吸收無關(guān)，可以分段計算。首先按下式計算的吸收無關(guān)，可以分段計算。首先按下式計算 B 點(diǎn)點(diǎn)的場強(qiáng)：的場強(qiáng)： 如果把第如果把第 1段地面用與第段地面用與第 2 段性質(zhì)相同的地面代段性質(zhì)相同的地面代替，則要在替，則要在B點(diǎn)保持場強(qiáng)不變，天線輻射功率應(yīng)由原點(diǎn)保持場強(qiáng)不變，天線輻射功率應(yīng)由原來的來的Pr調(diào)整到一個新的數(shù)值調(diào)整到一個新的數(shù)值Pr112111173173( )( )rrBPDPDEA rA

22、 rrr21121( )( )rrA rPPA r(942) (943) 所以所以 A2(r1)是地質(zhì)為是地質(zhì)為2、2，距離為，距離為r1的衰減因子的衰減因子 如今，輻射功率如今，輻射功率Pr在完全是第在完全是第2種地質(zhì)情況種地質(zhì)情況下傳播至下傳播至C點(diǎn)的場強(qiáng)就被認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而點(diǎn)的場強(qiáng)就被認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而可求得可求得C點(diǎn)的場強(qiáng)為點(diǎn)的場強(qiáng)為212121121212212121121173()()()()173()( )()/()()( )()( )( )rCrPkW DEA rrrrkWP kW D A r A rrmV mrrkWA rE rrE rE r(944) ABC1 ,

23、 12 , 2r1r2212121121212212121121173()()()()173()( )()/()()( )()( )( )rCrPkW DEA rrrrkWP kW D A r A rrmV mrrkWA rE rrE rE r(944) 式中，式中，E1(r1)是電波在第是電波在第1種媒質(zhì)傳播種媒質(zhì)傳播r1距離后距離后的場強(qiáng)；的場強(qiáng)；E2(r1)是以第是以第2種媒質(zhì)代替第種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強(qiáng)；距離后的場強(qiáng)；E2(r1r2)是以第是以第2種媒質(zhì)代替第種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播種媒質(zhì)傳播r1+r2距離后的場強(qiáng)。距離后的場強(qiáng)。 因?yàn)榈孛娌ㄋ?jīng)過的幾種性質(zhì)

24、的地面彼此間因?yàn)榈孛娌ㄋ?jīng)過的幾種性質(zhì)的地面彼此間互有影響，而不能彼此孤立起來予以考慮。所以，互有影響，而不能彼此孤立起來予以考慮。所以，發(fā)射天線在發(fā)射天線在A點(diǎn)時計算出點(diǎn)時計算出C點(diǎn)的場強(qiáng)點(diǎn)的場強(qiáng)EAC與發(fā)射天與發(fā)射天線在線在C點(diǎn)時計算出點(diǎn)時計算出A點(diǎn)的場強(qiáng)點(diǎn)的場強(qiáng)ECA不等。不等。 這是這一方法的假設(shè)前提不全面的必然結(jié)果。這是這一方法的假設(shè)前提不全面的必然結(jié)果。 問題：問題：用以上方法計算出來的結(jié)果不滿足互易原理！用以上方法計算出來的結(jié)果不滿足互易原理！CAACEE分析：分析： 為了補(bǔ)救這一缺點(diǎn)，密林頓為了補(bǔ)救這一缺點(diǎn)，密林頓MillingtonMillington提提出取兩者的幾何平均作

25、為近似解，即接收點(diǎn)場強(qiáng)為出取兩者的幾何平均作為近似解，即接收點(diǎn)場強(qiáng)為ACCAEEE(945) EAC ：發(fā)射天線在：發(fā)射天線在A點(diǎn)時計算出點(diǎn)時計算出C點(diǎn)的場強(qiáng)點(diǎn)的場強(qiáng)ECA：發(fā)射天線在：發(fā)射天線在C點(diǎn)時計算出點(diǎn)時計算出A點(diǎn)的場強(qiáng)點(diǎn)的場強(qiáng) 密林頓方法雖不嚴(yán)格，但方法簡便，計算結(jié)果密林頓方法雖不嚴(yán)格，但方法簡便，計算結(jié)果符合工程要求，所以應(yīng)用很廣。上述方法可以推廣符合工程要求，所以應(yīng)用很廣。上述方法可以推廣到多種不同電參數(shù)組成的混合路徑的傳播。到多種不同電參數(shù)組成的混合路徑的傳播。 對電波在不同性質(zhì)地面上的傳播計算，所得結(jié)果對電波在不同性質(zhì)地面上的傳播計算，所得結(jié)果對于合理選擇收發(fā)兩點(diǎn)的地質(zhì)情況具

26、有重要意義。對于合理選擇收發(fā)兩點(diǎn)的地質(zhì)情況具有重要意義。 鄰近發(fā)射天線和接收天線的地區(qū)，對地面波的鄰近發(fā)射天線和接收天線的地區(qū)，對地面波的吸收起決定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情況對整吸收起決定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情況對整個路徑衰減的影響不如兩端大。個路徑衰減的影響不如兩端大。地面波路徑的各段起的作用不相同。地面波路徑的各段起的作用不相同。圖圖9-4-3 衰減因子衰減因子A海水干土海水 BA干土海水干土B2addaa(a)(b)00.20.40.81.00.6A0.50.10.050.010.0050.001海洋干土海干土海洋干土2a /d圖圖9-4-2 三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D 雖然總的路徑是相等的，但雖然總的路徑是相等的，但“海洋海洋-干土干土-海洋海洋的路徑損耗小于的路徑損耗小于“干土干土-海洋海洋-干土的路徑損耗。干土的路徑損耗。地面波的傳播過程可以和飛機(jī)的飛行相比擬：地面波的傳播過程可以和飛機(jī)的飛行相