第9章地面波傳播

1、第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 第第9章章 地面波傳播地面波傳播 9.1 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 9.3 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傳播的影響地面不均勻性對地面波傳播的影響 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 9.1 地球表面電特性地球表面電特性 地球形似一略扁的球體，平均半徑為6370km。根據(jù)地震波的傳播證明，地球從里到外可分為地核、地幔和地殼三層，如圖911所示。表層7080km厚的堅硬部分，稱為地殼，地殼各處的厚度不同，海洋下面較薄，最薄處約5km，陸地處的地殼較厚，總體的平均厚度約33km。

2、第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 地殼的表面是電導(dǎo)率較大的沖積層。由于地球內(nèi)部作用（如地殼運動、火山爆發(fā)等），以及外部的風(fēng)化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，再加上人為所創(chuàng)建的城鎮(zhèn)田野等，這些不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地形地物，在一定程度上影響著無線電波的傳播。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖911 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)第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 由于地面波是沿著空氣與大地交界面?zhèn)鞑サ?，因此傳播情況主要取決于地面條件。概括地說，地面對電波傳播的影響主要表現(xiàn)為兩個方面： 一是地面的不平坦性，

3、當(dāng)?shù)孛嫫鸱黄降某潭认鄬τ陔姴úㄩL來說很小時，地面可近似看成是光滑地面。對于長波和中波傳播，除高山外均可視地面為平坦的。 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 二是地質(zhì)的情況，我們主要研究它的電磁特性。描述大地電磁特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)（或相對介電常數(shù)r）、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。根據(jù)實際測量，絕大多數(shù)地質(zhì)（磁性體除外）的磁導(dǎo)率都近似等于真空中的磁導(dǎo)率0，表911給出了幾種不同地質(zhì)的電參數(shù)。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 表911 地面的電參數(shù) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 為了既反映媒質(zhì)的介電性r，又反映媒質(zhì)的導(dǎo)電性，可采用相對復(fù)介電常數(shù)060rrrjj(911) 其中,01/361

4、0-9 F/m;是自由空間波長。 怎樣判斷某種地質(zhì)是呈現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性呢？通常把傳導(dǎo)電流密度Jf與位移電流密度 060fDrrJJ (912) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)傳導(dǎo)電流比位移電流大得多,即60/r1時，大地具有良導(dǎo)體性質(zhì);反之，當(dāng)位移電流比傳導(dǎo)電流大得多,即60/ r 1時，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時，稱為半電介質(zhì)。表912給出了各種地質(zhì)中60/ r隨頻率的變化情況。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 表912 各種地質(zhì)的60/r值 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 由表可見，對海水來說，在中、長波波段它是良導(dǎo)體，只有到微波波段才呈現(xiàn)介質(zhì)

5、性質(zhì)；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)；而巖石則幾乎在整個無線電波段都呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 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，天線輻射的電波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地表面進(jìn)行傳播的。由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，一方面使電波的場結(jié)構(gòu)不同于自由空間傳播的情況而發(fā)生變化并引起電波吸收， 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 另一方面使電波不像在均勻媒質(zhì)中那樣以一定的速度沿著直線路徑傳播，而是由于地球表面呈現(xiàn)球形使電波傳播的路徑按繞射的方式進(jìn)行。由于只有當(dāng)波長超過障礙物高度或與其相當(dāng)時，才具有繞射作用，因此在實際

6、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。對于短波高端以及超短波波段，由于障礙物高度大于波長，因而繞射能力很弱。 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 921 1200110100908070605040302010010 20 30 405060 70 8090 10010 MHz5 MHz2MHz10 MHz5 MHz2MHzAhAA / dB第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計算和實驗均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。圖921給出了一組計算曲線，圖中橫坐標(biāo)為傳播距離r，由圖可見，水平極化波的衰減因子Ah遠(yuǎn)大

7、于垂直極化波的衰減因子Av。這是因為，當(dāng)電場為水平極化時，電場平行地面，傳播中在地面上引起較大的感應(yīng)電流，致使電波產(chǎn)生很大的衰減。 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 對于垂直極化波（通常由直立天線輻射），其電波能量同樣要被吸收，但由于電場方向與地面垂直，它在地面上產(chǎn)生的感應(yīng)電流遠(yuǎn)比水平極化波的要小，故地面吸收小。因此在地面波傳播中通常多采用垂直極化波。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 9.2.1 波前傾斜現(xiàn)象 地面波傳播的重要特點之一是存在波前傾斜現(xiàn)象。波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場向傳播方向傾斜的一種現(xiàn)象，如圖922所示。波前傾斜現(xiàn)象可作如下解釋。第第9 9章章 地面波傳播地面

8、波傳播 設(shè)有一直立天線沿垂直地面的x軸放置，輻射垂直極化波，電波能量沿z軸方向即沿地表面?zhèn)鞑?，其輻射電磁場為E1x和H1y，如圖922（a）所示。當(dāng)某一瞬間E1x位于A點時，在地面上必然會感應(yīng)出電荷。當(dāng)波向前傳播時，便產(chǎn)生了沿z方向的感應(yīng)電流，由于大地是半導(dǎo)電媒質(zhì)，有一定的地電阻，故在z方向產(chǎn)生電壓降，也即在z方向產(chǎn)生新水平分量E2z。由于邊界電場切向分量連續(xù)，即存在E1z，這樣靠近地面的合成場E1就向傳播方向傾斜。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 從能量的角度看，由于地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，電波沿地面?zhèn)鞑r產(chǎn)生衰減，這就意味著有一部分電磁能量由空氣層進(jìn)入大地內(nèi)。坡印廷矢量 的方向不再平行于地面

9、而發(fā)生傾斜，如圖922（b）所示，出現(xiàn)了垂直于地面向地下傳播的功率流密度S1x，這一部分電磁能量被大地所吸收。由電磁場理論可知，坡印廷矢量是與等相位面即波前垂直的，故當(dāng)存在地面吸收時，在地面附近的波前將向傳播方向傾斜。顯然，地面吸收越大，S1x越大，傾斜將越嚴(yán)重。只有沿地面?zhèn)鞑サ腟1z分量才是有用的。1111Re()2SEH第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖922 波前傾斜現(xiàn)象(a)電場方向；(b)坡印廷矢量方向xE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(b)E1第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 9.2.2 地面波傳播的場分量 由上面的分析可知，由于地面是半

10、導(dǎo)電媒質(zhì)，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923所示，yOz面為地平面，波沿z軸方向傳播，下標(biāo)“1”表示在空氣內(nèi)，下標(biāo)“2”表示在大地內(nèi)，利用邊界條件，有121212120zzyyxxxxEEHHEEBB(921) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 923xOyE1zH1yE2zH2yE2xE1xz第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 為簡化分析，通常使用M.A.列翁托維奇近似邊界條件：若半導(dǎo)電媒質(zhì)相對復(fù)介電常數(shù)的絕對值滿足下列條件：601rrj(922) 則在界面大地一側(cè)的電、磁場水平分量之間滿足2020 xyrEH (923) 利用邊界條件,上式可

11、寫成 1010zyrEH (924) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 因為在空氣中有下列關(guān)系: 1010 xyEH(925) 上兩式相除，可得 11160 xxzrrEEEj(926) 根據(jù)邊界條件式(921)，得 11260 xxxrrEEEj(927) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 上述各分量亦可寫成 12124221222112(60)(60)12060arctanjxzzrjxxrxyyrEEEeEEeEHH(928) (929) (9210) (9211) 式中 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 9.2.3 地面波傳播特性 根據(jù)前面的討論，可以得出地面波傳播的一些重

12、要特性。 （1）地面波傳播采用垂直極化波。地面波的傳播損耗與波的極化形式有很大關(guān)系，計算表明，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。所以地面波傳播采用垂直極化波，天線則多采用直立天線的形式。 （2）波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實用意義?？梢圆捎孟鄳?yīng)形式的天線，有效地接收各場強(qiáng)分量。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 （3）地面上電場為橢圓極化波，如圖924所示，這是由于緊貼地面大氣一側(cè)的電場橫向分量E1x遠(yuǎn)大于縱向分量E1z，且相位不等，合成場為一狹長橢圓極化波。在短波、超短波段E1z雖較大，但相位差由式（9211）可見趨于零，所以可近似認(rèn)為電場是與橢圓長軸方向一致的

13、線極化波。圖924中波前傾斜角為422arctan(60)r(9212) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 924第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 （4）地面波在傳播過程中有衰減。地面波沿地表傳播時，由于大地是半導(dǎo)電媒質(zhì)，對電波能量的吸收產(chǎn)生了電場縱向分量E1z，相應(yīng)地沿-x方向傳播的功率流密度 代表著電波的傳輸損耗。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、超長波波段。1111Re()2xzySE H第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 （5）傳播較穩(wěn)定。這是由于大地的電特性、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

14、面波傳播信號穩(wěn)定。 （6）有繞射損耗。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，而超短波繞射能力最弱。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 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)傳播距離較遠(yuǎn)，超出 千米時，還必須考慮球面地造成的繞射損耗。一般計算E1x有效值的表達(dá)式為 380/()f MHz1173()/()rxP kW DEAmV mr km(931) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 其中,A為地面的衰減因子;Pr為輻射功率;D為方向系數(shù);r為傳播距離。地面衰減因子A的嚴(yán)格計算是非常復(fù)雜的。 從工程應(yīng)用的觀點，本

15、節(jié)介紹國際無線電咨詢委員會（CCIR）推薦的一組曲線，現(xiàn)摘錄其中部分內(nèi)容，如圖931圖933所示，稱為布雷默（Bremmer）計算曲線，用以計算E1x。其使用條件是：第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 （1）假設(shè)地面是光滑的，地質(zhì)是均勻的； （2）發(fā)射天線使用短于/4的直立天線（其方向系數(shù)D3），輻射功率Pr1kW； （3）計算的是E1x的有效值。15173 1 3(/)()3 10/()xEA mV mr kmAV mr km第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 931 106123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0204060801

16、001201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)傳 播 距 離 / kmdB( V / m)第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 932 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 / k

17、mdB( V / m)123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖 933 20 0204060801001201.5 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第第9 9章章 地面波傳播地

18、面波傳播 圖931圖933中衰減因子A值已計入大地的吸收損耗及球面地的繞射損耗。從圖中可以看出，對于中波和長波，傳播距離超過100km后，場強(qiáng)值急劇衰減，這主要是繞射損耗增大所致。 當(dāng)Pr1kW，D3時，則換算關(guān)系為11()3xxP kW DEE(933) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 9.4 地面不均勻性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情形。實際上，常常碰到地面波在幾種不同性質(zhì)的地面上傳播的問題。例如船與岸上基站的通信，電波傳播途徑就經(jīng)歷陸地-海洋的突變。因此，必須考慮這種情況下電波傳播的特點及場強(qiáng)計算的方法。下面介紹其近似計算

19、方法。第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 如圖941所示，假設(shè)電波在第2段路徑遭受到的吸收與第1段的吸收無關(guān)，可以分段計算。首先按下式計算B點的場強(qiáng):111173()( )/()BP kW DEA rmV mr km(941) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 式中A1(r1)是第1種地面上距離為r1的衰減因子。如果把第1段地面用與第2段性質(zhì)相同的地面代替，則要在B點保持場強(qiáng)不變，天線輻射功率應(yīng)由原來的Pr調(diào)整到一個新的數(shù)值Pr，其大小由下式確定:112111173173( )( )rrBPDPDEA rA rrr(942) 所以 21121( )( )rrA rPPA r(943) 第

20、第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 圖941 不同性質(zhì)地面上的傳播路徑示意圖 ABC1 , 12 , 2r1r2第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 式中A2(r1)是地質(zhì)為2、2，距離為r1的衰減因子?，F(xiàn)在，輻射功率Pr 在完全是第2種地質(zhì)情況下傳播至C點的場強(qiáng)就被認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而可求得圖941中C點的場強(qiáng)為212121121212212121121173()()()()173()( )()/()()( )()( )( )CPkW DEA rrrrkWP kW D A r A rrmV mrrkWA rE rrE rE r(944) 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 式中,E1(r1)是電波在第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強(qiáng);E2(r1)是以第2種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強(qiáng);E2(r1r2)是以第2種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播r1+r2距離后的場強(qiáng)。因為地面波所經(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，所以用以上方法計算出來的結(jié)果不滿足互易原理，即發(fā)射天線在A點時計算出C點的場強(qiáng)EAC與發(fā)射天線在C點時計算出A點的場強(qiáng)ECA不等。這是這一方法的假設(shè)前提不全面的必然結(jié)果。 第第9 9章章 地面波傳播地面波傳播 為了補(bǔ)救這一缺點，密林頓（Millington）提出取兩者的幾何平均作為近似解，即接收點場強(qiáng)為ACCAEEE(94