《天線與電波傳播》第11章

11.1地球表面電特性

11.2地面波的傳播特性

11.3地面波場強(qiáng)的計(jì)算

11.4地面不均勻性對地面波傳播的影響習(xí)題十一

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11-1-1所示。表層70～80km厚的堅(jiān)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。地殼的表面是電導(dǎo)率較大的沖積層。11.1地球表面電特性圖11-1-1地球結(jié)構(gòu)示意圖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。對于長波和中波傳播，除高山外均可視地面為平坦的。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)ε(或相對介電常數(shù)εr)、電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ。根據(jù)實(shí)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μ0，表11-1-1給出了幾種不同地質(zhì)的電參數(shù)。表11-1-1地面的電參數(shù)為了既反映媒質(zhì)的介電性εr，又反映媒質(zhì)的導(dǎo)電性σ，可采用相對復(fù)介電常數(shù)

(11-1-1)其中,ε0＝1/36π×10-9F/m;λ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

(11-1-2)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)傳導(dǎo)電流比位移電流大得多,即60λσ/εr<<1時(shí)，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60λσ/εr<<1時(shí)，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時(shí)，稱為半電介質(zhì)。表11-1-2給出了各種地質(zhì)中60λσ/εr隨頻率的變化情況。表11-1-2各種地質(zhì)的60λσ/εr值地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。圖11-2-1給出了一組計(jì)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)大于垂直極化波的衰減因子Av。

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。11.2地面波的傳播特性圖11-2-1中度土壤(εr=15,σ=10-3S·m-1)

水平極化和垂直極化波的地面波衰減11.2.1波前傾斜現(xiàn)象

地面波傳播的重要特點(diǎn)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11-2-2所示。圖11-2-2波前傾斜現(xiàn)象(a)電場方向；(b)坡印廷矢量方向11.2.2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11-2-3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

(11-2-1)圖11-2-3地面波的場結(jié)構(gòu)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：

(11-2-2)

則在界面大地一側(cè)的電、磁場水平分量之間滿足

(11-2-3)利用邊界條件,上式可寫成

(11-2-4)

因?yàn)樵诳諝庵杏邢铝嘘P(guān)系:

(11-2-5)

上兩式相除，可得

(11-2-6)根據(jù)邊界條件式(11-2-1)，得

(11-2-7)

上述各分量亦可寫成

(11-2-8)

(11-2-9)

(11-2-10)

式中

(11-2-11)11.2.3地面波傳播特性

(1)地面波傳播采用垂直極化波。

(2)波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實(shí)用意義。

(3)地面上電場為橢圓極化波，如圖11-2-4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(11-2-11)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線極化波。圖11-2-4地面上傳播橢圓極化波圖11-2-4中波前傾斜角為

(11-2-12)

(4)地面波在傳播過程中有衰減。

(5)傳播較穩(wěn)定。

(6)有繞射損耗。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80/千米時(shí)，還必須考慮球面地造成的繞射損耗。一般計(jì)算E1x有效值的表達(dá)式為

(11-3-1)11.3地面波場強(qiáng)的計(jì)算從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)，本節(jié)介紹國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的一組曲線：ITU-RP.368-9頻率在10kHz和30MHz間的地波傳播曲線，現(xiàn)摘錄其中部分內(nèi)容，如圖11-3-1～圖11-3-3所示，稱為布雷默(Bremmer)計(jì)算曲線，用以計(jì)算E1x。其使用條件是：

(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λ/4的直立天線(其方向系數(shù)D≈3)，輻射功率Pr＝1kW；

(3)計(jì)算的是E1x的有效值。

圖11-3-1地面波傳播曲線1(海水：σ=4S/m,εr=80)圖11-3-2地面波傳播曲線2(陸地：σ=10-2S/m,εr=4)圖11-3-3地面波傳播曲線3(陸地：σ=10-4S/m,εr=4)將Pr=1kW,D=3代入式(11-3-1)，得

(11-3-2)圖11-3-1～圖11-3-3中衰減因子A值已計(jì)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)Pr≠1kW，D≠3時(shí)，則換算關(guān)系為

(11-3-3)如圖11-4-1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(jì)算。首先按下式計(jì)算B點(diǎn)的場強(qiáng):

(11-4-1)11.4地面不均勻性對地面波傳播的影響圖11-4-1不同性質(zhì)地面上的傳播路徑示意圖式中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(diǎn)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(gè)新的數(shù)值P

r′，其大小由下式確定:

(11-4-2)所以

(11-4-3)式中A2(r1)是地質(zhì)為ε2、σ2，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(diǎn)的場強(qiáng)就被認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而可求得圖11-4-1中C點(diǎn)的場強(qiáng)為

(11-4-4)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(r1＋r2)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)。為了補(bǔ)救這一缺點(diǎn)，密林頓(Millington)提出取兩者的幾何平均作為近似解，即接收點(diǎn)場強(qiáng)為

(11-4-5)對電波在不同性質(zhì)地面上的傳播進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果對于合理選擇收發(fā)兩點(diǎn)的地質(zhì)情況具有重要意義。例如，在圖11-4-2所示的條件下，地面波從A點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)混合路徑到達(dá)B點(diǎn)，可算出衰減因子如圖11-4-3所示。由圖可見，雖然總的路徑是相等的，但“海洋-干土-海洋”的路徑損耗小于“干土-海洋-干土”的路徑損耗。因此可以把地面波的傳播過程和飛機(jī)的飛行相比擬，好像電波是從發(fā)射天線地區(qū)起飛，在離開地表面一定高度上向接收天線方向飛行，然后在到達(dá)接收天線的區(qū)域降落。只有在起飛和降落時(shí)，地面對飛機(jī)才起作用。這種現(xiàn)象稱為地面波的“起飛-著陸”效應(yīng)，圖11-4-4為地面波傳播時(shí)的想象圖像。所以在實(shí)際工作中適當(dāng)選擇發(fā)射、接收天線附近的地質(zhì)是很重要的。圖11-4-2三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D圖11-4-3三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑サ乃p因子圖11-4-4地面波傳播的“起飛-著陸”效應(yīng)

1.為什么地面波傳播會(huì)出現(xiàn)波前傾斜現(xiàn)象？波前傾斜的程度與哪些因素有關(guān)？為什么？

2.當(dāng)發(fā)射天線為輻射垂直極化波的鞭狀天線，在地面上和地面下接收地面波時(shí)，各應(yīng)用何種天線比較合適?為什么?

3.某發(fā)射臺(tái)的工作頻率為1MHz，使用短直立天線。電波沿著海面(σ=4S/m，εr=80)傳播時(shí)，在海面上100km處產(chǎn)生的垂直分量場強(qiáng)為8mV/m。試求：

(1)該發(fā)射臺(tái)的輻射功率;

(2)在r=100km處海面下1m深處，電場的水平分量的大小。習(xí)題十一

4.某廣播電臺(tái)工作頻率為1MHz，輻射功率為100kW，使用短直立天線。試由地面波傳播