天線與電波傳輸?shù)?0次課

1、第第1010章章 天波傳播天波傳播 天波傳播天波傳播(sky wave propagation)(sky wave propagation)指電波由發(fā)射指電波由發(fā)射天線向高空輻射，經(jīng)高空電離層天線向高空輻射，經(jīng)高空電離層(Ionosphere)(Ionosphere)反反射后到達(dá)地面接收點的傳播方式，又稱電離層傳射后到達(dá)地面接收點的傳播方式，又稱電離層傳播。播。 長、中、短波都可以利用天波傳播。長、中、短波都可以利用天波傳播。 其優(yōu)點是傳播損耗小。缺點是短波波段內(nèi)信號不其優(yōu)點是傳播損耗小。缺點是短波波段內(nèi)信號不穩(wěn)定，有較嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。電離層不穩(wěn)定，有穩(wěn)定，有較嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。電離層不穩(wěn)定，有

2、時造成信號中斷。時造成信號中斷。 科技在發(fā)展，天波傳播仍廣泛用于短波遠(yuǎn)距離通科技在發(fā)展，天波傳播仍廣泛用于短波遠(yuǎn)距離通信中。信中。10.1 10.1 電離層概況電離層概況高空大氣的電離源：太陽輻射的紫外線、高空大氣的電離源：太陽輻射的紫外線、X X射線、高能射線、高能帶電微粒流、為數(shù)眾多的微流星、其它星球輻射的電磁帶電微粒流、為數(shù)眾多的微流星、其它星球輻射的電磁波以及宇宙射線等。波以及宇宙射線等。太陽輻射的紫外線太陽輻射的紫外線是主要電離源。是主要電離源。圖10-1-1太陽風(fēng)太陽風(fēng)X射線與射線與紫外線紫外線紫外線紫外線電離層的電子密度與氣體密度及電離能量有關(guān)。電離層的電子密度與氣體密度及電離能

3、量有關(guān)。氣體密度：上疏下密氣體密度：上疏下密 電離能量：電離能量： 上強(qiáng)下弱上強(qiáng)下弱因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個不同的高度上。不同的高度上。1892年9月6日，英國物理學(xué)家阿普爾頓出生。阿普爾頓證實了E電離層的存在，1926年又發(fā)現(xiàn)F電離層，稱“阿普爾頓電離層”，獲得1947年諾貝爾物理學(xué)獎。 D D層氣體分子密度大，被層氣體分子密度大，被電波加速的自由電子和電波加速的自由電子和大氣分子之間的碰撞使大氣分子之間的碰撞使電波在這個區(qū)域損耗較電波在這個區(qū)域損耗較大。大。E E層能反射幾層能反射幾兆赫茲的電波。兆赫茲的電波。F F層空氣極其層空氣極

4、其稀薄，電子密稀薄，電子密度最大，碰撞度最大，碰撞概率低概率低。10.1.2 10.1.2 電離層變化規(guī)律電離層變化規(guī)律 電離層是一種隨機(jī)的，色散的，各向異性的半導(dǎo)電電離層是一種隨機(jī)的，色散的，各向異性的半導(dǎo)電媒質(zhì)。它的參數(shù)如電子密度、分布高度、電離層厚度等媒質(zhì)。它的參數(shù)如電子密度、分布高度、電離層厚度等都是隨機(jī)量。都是隨機(jī)量。1.1.電離層的規(guī)則變化電離層的規(guī)則變化 位置變化位置變化 赤道附近，赤道附近，太陽光照最強(qiáng)，太陽光照最強(qiáng)，電子密度最大。電子密度最大。高緯度地方，高緯度地方，電子密度較小電子密度較小2.電離層的不規(guī)則變化 突發(fā)E層（或Es)層 有時在E層中約120km高度會出現(xiàn)電子密

5、度突增的現(xiàn)象。造成本來可以穿過E層的電波被它反射，使得定點通信中斷。一般Es層僅存在幾小時。D D層突然吸收現(xiàn)象（時層突然吸收現(xiàn)象（時間較短間較短, ,平均幾分鐘）平均幾分鐘）太陽風(fēng)，速度約幾百上千太陽風(fēng)，速度約幾百上千km/skm/s，到達(dá)地球需要，到達(dá)地球需要3030小小時左右。帶電粒子流的空時左右。帶電粒子流的空間分布范圍較窄。間分布范圍較窄。電子密度下降的影響是本電子密度下降的影響是本來來F F2 2層反射的電磁波，被層反射的電磁波，被穿透，造成信號中斷。穿透，造成信號中斷。 20012001年年4 4月多次出現(xiàn)太陽耀斑，出現(xiàn)極其嚴(yán)月多次出現(xiàn)太陽耀斑，出現(xiàn)極其嚴(yán)重的電離層騷擾和電離層暴

6、，造成我國滿重的電離層騷擾和電離層暴，造成我國滿洲里、重慶等電波工作站發(fā)射出去的探測洲里、重慶等電波工作站發(fā)射出去的探測信號全頻段消失。信號全頻段消失。10.1.3 10.1.3 電離層的等效參數(shù)電離層的等效參數(shù)電子運動電子運動速度速度 電離層的相對介電常數(shù)電離層的相對介電常數(shù)e er r11，且是頻率的函數(shù)，且是頻率的函數(shù)，說明它是色散媒質(zhì)。說明它是色散媒質(zhì)。 對不同的頻率呈現(xiàn)不同的電導(dǎo)率。若對不同的頻率呈現(xiàn)不同的電導(dǎo)率。若n=w,n=w,則電離則電離層的電導(dǎo)率最大，若層的電導(dǎo)率最大，若nw,nwnw，電導(dǎo)率也很小。，電導(dǎo)率也很小。 n n主要取決于大氣分子熱運動速度及氣體密度，主要取決于大

7、氣分子熱運動速度及氣體密度，因而它是隨高度而變化的。因而它是隨高度而變化的。 D D層對短波（層對短波（3MHz30MHz)3MHz30MHz)呈現(xiàn)的電導(dǎo)率最大，呈現(xiàn)的電導(dǎo)率最大，E E層層次之。次之。 受地磁場影響，電離層具有各向異性的媒質(zhì)特性，受地磁場影響，電離層具有各向異性的媒質(zhì)特性，即不同的電波傳播方向和不同的極化形式，會引即不同的電波傳播方向和不同的極化形式，會引起不同的電子運動情況，表現(xiàn)出不同的電磁效應(yīng)。起不同的電子運動情況，表現(xiàn)出不同的電磁效應(yīng)。等效介電常數(shù)具有張量的性質(zhì)。等效介電常數(shù)具有張量的性質(zhì)。 地磁波對不同極化的電磁波影響不同，（傳播速地磁波對不同極化的電磁波影響不同，（

8、傳播速度，折射率、傳播軌跡），產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。度，折射率、傳播軌跡），產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。10.2 無線電波在電離層中的傳播 簡化以便于分析：簡化以便于分析： (1) (1) 不考慮地磁場的影響，電離層各向同不考慮地磁場的影響，電離層各向同性。性。 (2)(2)電子密度電子密度N N只是高度的函數(shù)只是高度的函數(shù) (3)(3)在各層電子密度最大值附近，在各層電子密度最大值附近，N(h)N(h)分布分布近似為拋物線狀。近似為拋物線狀。如滿足如滿足w w2 2nn2 2， 將電子質(zhì)量、電子電量、將電子質(zhì)量、電子電量、e e0 0的值的值代入上式，得代入上式，得N N變大，則變大，則n n變小，即隨著高度

9、增加，折射率變小。變小，即隨著高度增加，折射率變小。軌跡：軌跡： 折射角大于入射角。當(dāng)折射角大于入射角。當(dāng)q qn n=90=90o o時，電波經(jīng)時，電波經(jīng)折射后傳播方向成了水平的，等相位面與地面垂直，折射后傳播方向成了水平的，等相位面與地面垂直，這時電波軌跡達(dá)到最高點。由于等相位面的高處相這時電波軌跡達(dá)到最高點。由于等相位面的高處相速大，低處相速小，造成電波向下彎曲的傳播軌跡。速大，低處相速小，造成電波向下彎曲的傳播軌跡。繼續(xù)使用折射定律，電波沿著折射角逐漸減小的軌繼續(xù)使用折射定律，電波沿著折射角逐漸減小的軌跡折回。跡折回。反射條件反射條件 （1 1）電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。入）

10、電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。入射角一定，射角一定，f f越低，要求的越低，要求的N N越小，所以越易反射。越小，所以越易反射。f f大到一定程度，超過電子密度的最大值，電波將大到一定程度，超過電子密度的最大值，電波將穿透電離層。穿透電離層。 長波在長波在D D層反射。中波在層反射。中波在E E層反射，但是白層反射，但是白天天D D層吸收較大。短波層吸收較大。短波F F層反射；超短波則層反射；超短波則穿出電離層。穿出電離層。電離層反射電波的能力與入射角有關(guān)。電離層反射電波的能力與入射角有關(guān)。max80.8cfNmaxmax02080.8seccoscNffqqPage 2140secvf

11、fq同一同一N N處的斜入射頻率處的斜入射頻率f f電離層的正割定律：電離層的正割定律：入射角越大，通信距離越大，允許頻率越高入射角越大，通信距離越大，允許頻率越高3 3、日夜、日夜10.2.2 10.2.2 電離層的吸收電離層的吸收基本規(guī)律：基本規(guī)律：1.1.電離層的碰撞頻率越大，或電子密度越大，電離層對電電離層的碰撞頻率越大，或電子密度越大，電離層對電波的吸收就越大。一般而言，夜晚電離層對電波的吸收小波的吸收就越大。一般而言，夜晚電離層對電波的吸收小于白天的吸收。于白天的吸收。2. 2. 電波頻率越低，吸收越大。（自由電子受單方向電場力電波頻率越低，吸收越大。（自由電子受單方向電場力的作用

12、時間越大，移動的路程更長，碰撞的機(jī)會越大，消的作用時間越大，移動的路程更長，碰撞的機(jī)會越大，消耗的能量就越大，電離層對電波的吸收就越大。所以短波耗的能量就越大，電離層對電波的吸收就越大。所以短波天波工作時，盡量、選擇較高的工作頻率。天波工作時，盡量、選擇較高的工作頻率。10.3 10.3 短波天波傳播短波天波傳播 短波利用天波傳播時，電離層的吸收隨著短波利用天波傳播時，電離層的吸收隨著頻率的升高而減小，所以能以較小的功率頻率的升高而減小，所以能以較小的功率借助電離層反射完成遠(yuǎn)距離傳播?？梢詡鹘柚婋x層反射完成遠(yuǎn)距離傳播。可以傳播幾百到一二萬千米的距離，甚至環(huán)球傳播幾百到一二萬千米的距離，甚至環(huán)

13、球傳播。播。10.3.1傳播模式傳播模式同一模式不同路徑同一模式不同路徑： 滑行傳播滑行傳播(Sliding Propagation)(Sliding Propagation) 電波頻率介于臨界頻率和最高頻率之間時，電波頻率介于臨界頻率和最高頻率之間時，可出現(xiàn)電波在電離層滑行傳播，傳到很遠(yuǎn)可出現(xiàn)電波在電離層滑行傳播，傳到很遠(yuǎn)的距離。的距離。 多徑傳輸：對于一定的距離，電波傳播可多徑傳輸：對于一定的距離，電波傳播可能存在幾種傳輸模式和幾條射線路徑。能存在幾種傳輸模式和幾條射線路徑。 再加上電離層的隨機(jī)變異性，接收時就存再加上電離層的隨機(jī)變異性，接收時就存在嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，引起傳輸失真。在嚴(yán)重的衰

14、落現(xiàn)象，引起傳輸失真。10.3.2 10.3.2 短波天線傳播工作頻率的選擇短波天線傳播工作頻率的選擇 頻率太高，雖然電離層的吸收小，但電波容頻率太高，雖然電離層的吸收小，但電波容易穿出電離層；易穿出電離層； 頻率太低，雖然能被電離層反射，但電波將頻率太低，雖然能被電離層反射，但電波將受到電離層的強(qiáng)烈吸收。受到電離層的強(qiáng)烈吸收。 （1 1）不能高于最高可用頻率）不能高于最高可用頻率(f(fMUFMUF) )f fMUFMUF與電離層的電子密度及電波入射角有關(guān)。與電離層的電子密度及電波入射角有關(guān)。N N越大，越大， f fMUFMUF越高越高電波頻率為最高可用頻率時，可能電波穿出電電波頻率為最高

15、可用頻率時，可能電波穿出電離層。離層。 2 2）不能低于最低可用頻率）不能低于最低可用頻率(f(fLUFLUF) ) 保證所需的信噪比的頻率為保證所需的信噪比的頻率為f fLUFLUF，由電離層由電離層的吸收、噪聲決定。的吸收、噪聲決定。 晚上晚上f fLUFLUF低，白天高低，白天高 最佳工作頻率最佳工作頻率f fowFowF 3 3）日頻、夜頻）日頻、夜頻 85%OWFMUFff10.3.3 10.3.3 短波天波傳播的幾個主要問題短波天波傳播的幾個主要問題1. 1. 衰落現(xiàn)象嚴(yán)重衰落現(xiàn)象嚴(yán)重3. 3. 靜區(qū)靜區(qū)4.4.環(huán)球回波現(xiàn)象環(huán)球回波現(xiàn)象5. 5. 電離層暴電離層暴10.3.4 傳輸

16、損耗的估算傳輸損耗的估算10.4 中波天波傳播的介紹中波天波傳播的介紹11. 11. 視距傳播視距傳播 超短波以上波段，電離層對其是透明的。超短波以上波段，電離層對其是透明的。直接、對視的傳播方式，稱為視距傳播。直接、對視的傳播方式，稱為視距傳播。(Propagation Over the Line of Sight)(Propagation Over the Line of Sight) 傳播媒質(zhì)、地面?zhèn)鞑ッ劫|(zhì)、地面11.1 11.1 地面對視距傳播的影響地面對視距傳播的影響忽略方向系數(shù)差異、忽略強(qiáng)度上的差異，忽略方向系數(shù)差異、忽略強(qiáng)度上的差異， B B處的總處的總場強(qiáng)為：場強(qiáng)為：反射系數(shù)與

17、電波的投射角、電波的極化和波長及地面的反射系數(shù)與電波的投射角、電波的極化和波長及地面的電參數(shù)有關(guān)。電參數(shù)有關(guān)。GHzGHz水平極化時，地面的反射較接近理想導(dǎo)水平極化時，地面的反射較接近理想導(dǎo)電地。特別是波長較長時。電地。特別是波長較長時。垂直極化時，低投射角，地面的反射較垂直極化時，低投射角，地面的反射較接近理想導(dǎo)電地。接近理想導(dǎo)電地。Brewster角GHz2 2 地面上的有效反射區(qū)地面上的有效反射區(qū)2 2 光滑地面的判別準(zhǔn)則光滑地面的判別準(zhǔn)則表表11-1-1 D Dh的實際計算數(shù)據(jù)的實際計算數(shù)據(jù)11.1.2 11.1.2 光滑球面地的情況光滑球面地的情況1 1、視線距離、視線距離球面的曲率對視線距離的影響球面的曲率對視線距離的影響視距距離的意義視距距離的意義 實際的視距傳播應(yīng)滿足亮區(qū)條件。否則繞實際的視距傳播應(yīng)滿足亮區(qū)條件。否則繞射損失會加大電波傳播的總損耗。射損失會加大電波傳播的總損耗。2.2.天線的等效高度天線的等效高度H1,H2H1,H2不等時，如何確定不等時，如何確定d1d1和和d2d2則比較復(fù)雜，通常需要查表則比較復(fù)雜，通常需要查表3.3.球面地的擴(kuò)散因子球面地的擴(kuò)散因子11.2 11.2 對流層大氣對視距傳播的對流層大氣對視