天線原理信息7476講義25電波傳播

§7-4天波傳播

一、電離層

在幾十到幾百公里高空，大氣成分主要是氧、氮的分子和原子，在太陽輻射能的作用下，分子或原子中的一個或若干個電子游離出來成為自由電子而發(fā)生電離，使高空形成一個厚度為幾百公里的電離層，電離的程度用電子密度來描述。1、電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2、電離層的變化電離層的異常變化：電離層騷擾,電離層暴電離層騷擾:當(dāng)太陽耀斑爆發(fā)時,輻射出極強(qiáng)的紫外線和X射線,以光速到達(dá)地球(約8分18秒),當(dāng)穿透高層大氣層到達(dá)D層時,可能造成短波通信中斷,由于耀斑爆發(fā)時間很短,因此電離層騷擾持續(xù)時間通常為幾分鐘到幾小時,只發(fā)生在太陽到地球的日照區(qū).電離層暴:太陽耀斑爆發(fā)時,還噴射出大量帶電粒子流,若進(jìn)入電離層,則使電離層的正常結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變動,稱為電離層暴.電離層的正常變化：1、日變化日出——正午——黃昏2、季節(jié)變化春分秋分兩次達(dá)到最大。3、隨太陽黑子11年周期變化。二、電離層對電波的反射（一）、反射條件將電離層分成許多薄片層，每一薄片層的電子密度是均勻的，但彼此不相等，根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)可求得自由電子密度Ne的各向同性均勻媒質(zhì)的相對介電常數(shù)為：1、最高可用頻率(MUF)：天波傳播不能在超短波和微波段傳播f1<f2<f3<f4<f5三個重要概念

電波垂直入射天空，能被電離層反射的最高可用頻率稱為臨界頻率為2、臨界頻率3、天波靜區(qū)：天波靜區(qū)入射角度越小，到達(dá)越高的地方被反射回來（二）、多徑效應(yīng)發(fā)收

電離層不是一種穩(wěn)定的媒質(zhì)，其電子密度不時發(fā)生起伏，引起各射線路徑的不時變化，亦即各射線的總長度不時有所變化，這樣，各射線間的波程差不時有所不同，從而使接收點(diǎn)的合成場大小發(fā)生變化。這種由多徑現(xiàn)象引起的接收點(diǎn)場值的起伏變化稱為多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)中信號的變小稱為信號的衰落，衰落嚴(yán)重時，將使信噪比低于接收機(jī)的門限電平。衰落分為兩種，一種是電離層慢速變化引起的，稱慢衰落，另一種則是快衰落。由天線射向電離層的是一束電波，即有多根射線以與稍有偏差的入射角射向電離層。它們將在不同的高度上被電離層反射回來，從而使天波傳播存在多路徑到達(dá)接收點(diǎn)的現(xiàn)象。三、電離層對電波的吸收電波入射到電離層后，電場使自由電子作強(qiáng)迫運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動電子與其它分子碰撞時，就將能量傳遞給中性分子，這樣無線電波的一部分能量就被電離層吸收而轉(zhuǎn)化為熱耗。

離子及中性分子或原子密度大的區(qū)域，發(fā)生碰撞的次數(shù)多，對電波的吸收就嚴(yán)重。D層、E層內(nèi)，離子及中性分子或原子的密度比F1層、F2層的大，碰撞次數(shù)就多，故D層、E層對電波吸收大，電離層對電波的吸收主要是D層和E層。1．最佳工作頻率電波工作頻率較低亦即振蕩周期較長時，電子受到加速的時間長，電子由電波獲得的能量多，電子運(yùn)動的路程也長，碰撞的機(jī)會比多，故電離層對電波吸收就嚴(yán)重些。若電波工作頻率較高，情況正相反。但是，當(dāng)工作頻率較高時，電波需到達(dá)電子密度很大的地方才能開始返回地面，即電波要深入到電離層更高的地方．這樣，大大增長了電波在電離層中的傳播距離，使得電離層對電波的總衰減量隨路程的大大增長而增大。因此，電波傳播的頻率不能取得太低，也不能取得太高，存在一個最佳頻率，2.天波信號晚上強(qiáng)電離層的D層對電波的吸收是很嚴(yán)重的，而電離層日變化的一個主要特點(diǎn)，就是晚上D層會消失，因此，太陽下山后，天波信號大大加強(qiáng)，這就是晚上能收到更多短波電臺的原因。無線電波沿地球表面?zhèn)鞑l件：天線低架于地面，且最大輻射方向沿地面優(yōu)點(diǎn)：信號穩(wěn)定，基本上不受氣象條件的影響,不受多徑效應(yīng)的影響。缺點(diǎn)：隨著傳播頻率的增高傳輸損耗迅速增大適合于長波和超長波的傳播§7-5地表面波傳播電場沿X軸，記為，磁場沿Y軸，記為，傳播方向沿Z軸，地平面為YZ平面。地面對地面波傳播的影響討論地面波傳播時，一般不考慮大氣層對波傳播的影響，主要考慮地球表面對波的影響分為兩個方面1）地面的不平坦性-針對波長而言2）地面的地質(zhì)情況-土壤的電氣性質(zhì)土壤的電參數(shù)土壤的介電系數(shù)磁導(dǎo)率土壤的導(dǎo)電率地表面波傳播過程中大地對電磁波的吸收可以這樣從物理概念上理解。電波沿地面?zhèn)鞑r，電場在地表面感應(yīng)有正電荷，此正電荷隨電場的行進(jìn)而沿地面移動，形成電流，大地并非理想導(dǎo)電媒質(zhì)，從而引起熱損耗，造成大地對電波的吸收。由上討論可知，地表面的能流，不僅有沿著地表面方向的分量，而且還有指向地下方向的分量，兩者的合成使地表面波的能流方向向下偏斜。如圖示：

大地對地面波的損耗地面波場強(qiáng)的計算地面衰減因子§7-6各個波段傳播方式的選擇

1．微波、超短波波段由于波長短、頻率高，天波傳播已不可能．地表面波傳播時，衰減很嚴(yán)重，只能應(yīng)用于很短的距離上(一般不超過幾公里)。所以絕大多數(shù)情況下是采用視距傳播。如果在地面上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。可以在收發(fā)兩地之間配置中繼站，構(gòu)成接力通信線路。

2．短波波段采用天波傳播方式，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)數(shù)千公里。當(dāng)然也可采用地面波傳播，但工作頻率還是比較高的，衰減較大，通信距離一般不超過幾十公里。

3．中波波段由于波長較長、頻率較低，可采用地表面彼傳播，傳播距離一般不超過三、五百公理；也可由天波傳播，其傳播距