第七講近地區(qū)域中性介質(zhì)內(nèi)的電波傳播

第七講近地區(qū)域中性介質(zhì)內(nèi)的電波傳播第1頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類似于光在不均勻大氣中傳播中的彎曲現(xiàn)象，電波在對(duì)流層傳播中由于大氣的不均勻也會(huì)發(fā)生彎曲，電波射線的彎曲程度與折射率值無(wú)關(guān)而與其梯度相關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，大氣折射指數(shù)隨海拔高度增高指數(shù)遞減，此時(shí)折射率沿高度的分布是條單調(diào)遞降的光滑曲線。然而在反常的大氣環(huán)境下，大氣折射率沿高度的分布可以分成若干個(gè)區(qū)段，在某些區(qū)段折射率梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常值，使電波射線的彎曲程度加大。在一定氣象條件下，以較低仰角發(fā)射的電波射線甚至?xí)巯虻孛?，使得電波射線不斷返回下墊層，再次返向折射或反射向前傳播，形成類似于金屬波導(dǎo)的傳播效應(yīng)，被稱之為大氣波導(dǎo)傳播。第2頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)流層傳播研究過(guò)程中，為了解釋對(duì)流層波導(dǎo)傳播這樣的反常傳播，主要使用了三種從麥克斯韋方程組演化出來(lái)的基本理論。它們是波導(dǎo)模理論，拋物型方程理論以及幾何光學(xué)理論。幾何光學(xué)理論在對(duì)流層傳播中被演化為射線描跡技術(shù)。通過(guò)對(duì)電波射線的準(zhǔn)確描跡可以給出波導(dǎo)傳播的明晰物理圖景，利用較先進(jìn)的計(jì)算程序射線描跡也可以將大氣的不均勻分布考慮在內(nèi)來(lái)模擬波導(dǎo)傳播。第3頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.6對(duì)流層中電波的折射4.6.1對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響（1）氣象三要素——溫、壓、濕的變化。導(dǎo)致大氣密度、導(dǎo)電性能隨高度或位置變化，引起電波折射指數(shù)的變化。（2）天氣現(xiàn)象——云、雨、霧的影響。引起電波散射與吸收。第4頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）對(duì)流層中折射指數(shù)的局部起伏可引起電波能量的散射；（2）折射指數(shù)水平分層時(shí)的突變可導(dǎo)致電波的反射；（3）折射指數(shù)的大尺度的變化可引起電波的折射。特別是n的負(fù)梯度的出現(xiàn)會(huì)引起波導(dǎo)傳播。

上述影響的結(jié)果是使無(wú)線電波的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常的視距而傳播，并產(chǎn)生各無(wú)線電路之間的干擾。折射指數(shù)變化對(duì)電波的具體影響第5頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.6.2對(duì)流層中的射線彎曲根據(jù)幾何光學(xué)的知識(shí)，大氣折射指數(shù)隨高度變化的一般后果是無(wú)線電波不再是直線傳播，這是因?yàn)樯渚€可能遭到連續(xù)折射以致彎曲。對(duì)流層的折射指數(shù)由下式給出：式中，p和e分別是總大氣壓和水汽壓，T是溫度，A和B是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。大氣折射率N也可采用公式第6頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)大氣是水平分層的，且其特性只隨高度變化，每一薄層中的大氣參數(shù)不變（密度、溫度、水汽），并在每個(gè)薄層間的界面處用斯涅耳定律，如圖：第7頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月或一般表示為：如果用仰角表示，則（4-71）（4-72）由上圖（b），有（4-73）第8頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

負(fù)號(hào)可以這樣說(shuō)明：因?yàn)槲覀冞x取的射線元是向上凸的，隨著Δs的增加仰角減小，而習(xí)慣上又稱為正曲率。對(duì)（4-72）式求微商（4-75）第9頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在對(duì)流層中，對(duì)于低仰角射線，因此，射線的曲率半徑為：（4-76）可見(jiàn)折射率沿高度的梯度愈大，射線的曲率半徑愈小，曲率愈大。第10頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月研究電波在大氣中的折射時(shí)，方便的是用幾何方法得到等效地球或等效射線模型。這種方法認(rèn)為電波在大氣層中仍是直線傳播，所不同的是不在實(shí)際地球上空，而是在等效地球上空。為使得二者等效，必須使得等效地球上空直線軌跡上的任一點(diǎn)到等效地球的距離與真實(shí)地面上空的彎曲射線上該點(diǎn)到真實(shí)地面的距離相等。第11頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖，（a）實(shí)際地球和實(shí)際射線；（b）直線軌跡與等效地球半徑；（c）平面地球模型和等效射線半徑。第12頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于直線軌跡，由圖4-24（a）、（b），有對(duì)于平面地球模型，由圖4-24（a）、（c）這里，前者的后者的第13頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此，（4-77）即：兩種等效方法所得的結(jié)果一致。（4-78）（4-79）第14頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)大氣的折射指數(shù)梯度為計(jì)算求得等效地球半徑因子為第15頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.6.3對(duì)流層中的射線描跡射線描跡是對(duì)電波射線軌跡的描述。射線軌跡的求解：主要涉及到Snell折射公式第16頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖3一1所示，T為發(fā)射源位置，氏為電波射線的初始出射仰角，在己知地面折射指數(shù)n0，地球半徑r0和的情況下，可用地面上的距離x和高度h的函數(shù)關(guān)系代表射線的軌跡方程，一組x和h的數(shù)據(jù)，唯一的確定射線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置。現(xiàn)在來(lái)推導(dǎo)對(duì)應(yīng)的軌跡方程。第17頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第20頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.7對(duì)流層散射傳播4.7.1對(duì)流層散射機(jī)理上世紀(jì)四十年代，人們從大氣波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了微波的超視距傳播現(xiàn)象。為了解釋微波的超視距傳播，人們提出了許多理論來(lái)研究對(duì)流層散射傳播，即：湍流理論，非相干反射理論和相干反射理論。第21頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如圖，（a）表示對(duì)流層湍動(dòng)結(jié)構(gòu)的不相干散射；（b）表示穩(wěn)定層的相干反射；（c）表示銳變層的非相干反射。第22頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前已指出，對(duì)流層中由于高的或低的溫度和（或）濕度的局部起伏，會(huì)引起折射指數(shù)的小尺度變化。如果n的不均勻性足夠強(qiáng)，他們將散射無(wú)線電波能量。對(duì)流層中，當(dāng)一種空氣流運(yùn)動(dòng)到另一氣流上，或潮濕和熱氣團(tuán)的垂直運(yùn)動(dòng)等，導(dǎo)致一種氣團(tuán)完全進(jìn)入有不同濕度和溫度的區(qū)域。這種氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，不同n值較大尺度的空氣團(tuán)因?yàn)轱L(fēng)切變進(jìn)一步被破碎。第23頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由這種非均勻體所散射的電波，可以到達(dá)從散射體上所能看到的所有接收點(diǎn)。例如，當(dāng)散射體位于地面上空10km高度時(shí)，其地面覆蓋半徑可達(dá)700km。如考慮對(duì)流層的折射，其傳播距離更遠(yuǎn)。對(duì)流層散射特性依賴于非均勻體的幾何尺寸和電波的頻率（波長(zhǎng)），通常要求第25頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月還有一種理論認(rèn)為散射電波是由大氣層中折射指數(shù)大的垂直梯度所引起的部分反射，也就是前面提出的所謂穩(wěn)定的相干反射和銳變層的不相干反射。第26頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.7.2對(duì)流層散射傳播損耗的理論計(jì)算

第27頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月散射體所在處的能流密度接收點(diǎn)散射能流密度這里，是有效散射截面。第28頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)天線的有效面積為，則接收天線輸入端的功率為由此得出對(duì)流層散射的傳輸損耗（4-98）第29頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特別地，當(dāng)散射體位于線路中點(diǎn)且其高度遠(yuǎn)小于通信距離D時(shí)，可認(rèn)為于是，有（4-99）第30頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與自由空間傳播損耗相比，有兩點(diǎn)差別：1）散射傳播損耗正比于距離的4次方，而不是平方。即散射傳播時(shí)，隨距離的增加，損耗要比自由空間大得多。2）散射傳播損耗反比于，即有效散射面積愈小，損耗愈大。而自由空間傳播中沒(méi)有這個(gè)參數(shù)。第31頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.7.3對(duì)流層散射通信的工程應(yīng)用1）通信距離：300~500公里頻段：100MHz~10GHz范圍：話音、數(shù)據(jù)、電視可靠性：>99.9%2）空間探測(cè)第32頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）散射通信的特點(diǎn)：a）不怕原子彈爆炸b）不受太陽(yáng)黑子、磁暴、極光、雷電等騷擾影響c）傳輸容量大d）不怕高山、湖泊、沙漠等自然障礙e）通信保密性較好，中間站不多，較靈活機(jī)動(dòng)f）需大功率發(fā)射機(jī)，大天線和高靈敏度接收機(jī)第33頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）散射傳播損耗的工程計(jì)算第34頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.8氣象對(duì)傳播的影響4.8.1引言

超高頻（SHF）和極高頻（EHF）。

雨霧等攔截?zé)o線電波能量而產(chǎn)生小的位移電流，引起二次輻射（散射）和吸收（因加熱作用）。第35頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月具體表現(xiàn)如下：a）波長(zhǎng)大于雨滴尺寸（如超高頻段），吸收衰減是主要的。b）波長(zhǎng)小于雨滴尺寸（如極高頻段），散射衰減是主要的。第36頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明：a）氧和水汽引起的吸收呈現(xiàn)出一系列分子諧振吸收峰；b）在10~50GHz，暴雨、大雨和濃霧的衰減占主導(dǎo)地位；c）高于50GHz的頻段，云霧吸收迅速增大。第37頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.8.2降雨和云的特征雨的形成:（1）山地雨（高山的迎風(fēng)面一側(cè)）（2）對(duì)流雨（夏季7~8月份的午后）（3）氣旋雨雨的分類：a）強(qiáng)對(duì)流性暴雨型降雨b）層狀云形成的連續(xù)性降雨第38頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雨滴特征：雷陣雨和暴雨：雨滴大而稀，由于空氣阻力的作用，雨滴的形狀是短軸接近垂直方向的扁球體。連續(xù)降雨或小雨則雨滴小而密，形狀呈球形降落。第39頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雨滴數(shù)譜分布單位體積(m3)內(nèi)直徑為D(mm)與雨滴直徑的每單位增量（mm）中的雨滴數(shù)N(D)之間的關(guān)系：它稱為雨滴譜分布。N0是單位體積內(nèi)最小雨滴直徑處單位直徑增量的雨滴數(shù)。因此，單位體積內(nèi)中的總雨滴數(shù)為第40頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月降雨速率R這里，v(D)是直徑為D的雨滴落速（米/秒）。第42頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.8.3降雨對(duì)電波的衰減降雨衰減公式是衰減系數(shù)。

是電波頻率、溫度和雨滴譜分布有關(guān)的參數(shù)。R為降雨速率。第43頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由圖4-44（a）可見(jiàn)：1）當(dāng)頻率低于100GHz時(shí)，衰減隨頻率的增加而快速增大；2）在200GHz附近，衰減達(dá)到最大；3）超過(guò)200GHz后，衰減略有下降，直到光波頻段幾乎為常數(shù)。

圖4-44（a）中的曲線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由雨滴譜分布、雨的落速和20oC時(shí)水的復(fù)折射指數(shù)n的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。對(duì)球狀小雨滴，這些曲線精確成立；而對(duì)于大的扁球雨滴，有10~20%的誤差。第45頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這里是半徑為D的球形雨滴的消光截面。是D到D+dD范圍單位體積中的雨滴數(shù)，因此，功率密度的衰減又可由下式描述功率密度衰減衰減系數(shù)第46頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月顯然：在上述公式中，消光截面可用球形雨滴的矢量波動(dòng)方程的二次散射解來(lái)計(jì)算。雨滴譜分布可以測(cè)量，且近似為普阿松分布。

圖4-44（b）是由不同降雨速率計(jì)算得到的每公里衰減，計(jì)算結(jié)果表明：除很小的降雨速率外，這些曲線都近似于直線。第47頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月云、霧的衰減a）云、霧是由小水滴構(gòu)成的；b）直徑比0.1mm略?。籧）對(duì)于高于100GHz的電磁波，雨滴譜分布近似為瑞利分布。第48頁(yè)，課件共50頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冰的衰減：