《電磁波-傳輸.輻射.傳播》課件第6章

第6章無(wú)線電波傳播6.1引言

6.2無(wú)線電波在自由空間的傳播

6.3介質(zhì)對(duì)平面波的影響

6.4地波傳播

6.5天波傳播

6.6視距傳播

6.7散射傳播

6.8波導(dǎo)傳播

6.1引

言

1.地波傳播

地波傳播是指發(fā)射天線位于地面上，電磁波沿地表面?zhèn)鞑ァＲ虼诉@種傳播方式也叫地表面波傳播，如圖6-1所示。

圖

6-1地波傳播

從低頻到超高頻波段(近距離)的電波都可采用這種方式傳播。

2.天波傳播無(wú)線電波自發(fā)射天線向天空輻射，在電離層內(nèi)經(jīng)過(guò)連續(xù)折射，返回地面到達(dá)接收點(diǎn)，如圖6-2所示，這種傳播方式稱為天波傳播。

它主要適用于短波(高頻)波段。

2.天波傳播無(wú)線電波自發(fā)射天線向天空輻射，在電離層內(nèi)經(jīng)過(guò)連續(xù)折射，返回地面到達(dá)接收點(diǎn)，如圖6-2所示，這種傳播方式稱為天波傳播。

它主要適用于短波(高頻)波段。

圖

6-2天波傳播

3.視距傳播

視距傳播指電波在發(fā)射天線和接收天線相互“看”得見的視線距離內(nèi)傳播。對(duì)地面通信而言，這時(shí)天線架設(shè)的高度比波長(zhǎng)大得多，如圖6-3(a)所示。衛(wèi)星通信、超高頻雷達(dá)都采用這種傳播方式，如圖6-3(b)和圖6-3(c)所示。在這種傳播方式中，因電磁波是在空間直接傳播的，所以又稱為空間波傳播或直接波傳播。這種傳播方式主要用于米波(甚高頻)至微波(超高頻)波段。

圖

6-3視距傳播

4.散射傳播無(wú)線電波經(jīng)過(guò)對(duì)流層或電離層中的不均勻分布介質(zhì)而散射至接收點(diǎn)，如圖6-4所示，這種傳播方式稱為散射傳播。它適用的波段和視距傳播的基本相同，但距離遠(yuǎn)得多(例如電離層散射可達(dá)2000km)，所以，對(duì)地面通信來(lái)說(shuō)它是超視距傳播。

圖

6-4散射傳播

5.波導(dǎo)傳播

在分層介質(zhì)中，層與層之間可能存在著類似于金屬波導(dǎo)管內(nèi)的傳播方式，稱為波導(dǎo)傳播，如圖6-5所示。這種波導(dǎo)是自然條件下存在的波導(dǎo)，或其他不是用來(lái)專門傳播電波的波導(dǎo)(例如地下的坑道)。目前已得到實(shí)際應(yīng)用的波導(dǎo)傳播為電離層與地面之間的長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波傳播，以及地下坑道中的超短波傳播。

圖

6-5波導(dǎo)傳播

6.2無(wú)線電波在自由空間的傳播

所謂自由空間，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)應(yīng)指真空，但實(shí)際上不能達(dá)到這種條件，所以通常是指一個(gè)沒有任何能反射或吸收電磁波的物體的無(wú)窮大空間。設(shè)想一個(gè)天線放置于自由空間中，若天線的輻射功率為P，方向系數(shù)為D，則由第4章式(4-33)可以算出在接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為

(6-1)或

在許多地方，特別是在超短波微波的傳播中，常常不用場(chǎng)強(qiáng)來(lái)描述傳播情況，而用功率的傳播損耗來(lái)表示。設(shè)Ar是接收天線的有效面積，Sr是接收點(diǎn)處每單位面積通過(guò)的輻射功率。于是天線的接收功率為另一方面，由式(4-32)和式(6-1)并計(jì)及Z0=120π可得

(6-3)在此，Dt表示發(fā)射天線的方向系數(shù)，Pt是發(fā)射功率。再由式(4-41)可知式中的Dr為接收天線的方向系數(shù)。

利用以上各式可導(dǎo)出接收功率Pr的表示式為

(6-4)在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中常將比值規(guī)定為傳播損耗，用L表示，

則

(6-5)或?qū)懗煞重愔担?/p>

即為

(6-6)為了不計(jì)入天線的影響，

而在上式中令Dt=Dr=1可以得到

(6-7)它稱為自由空間傳播的基本損耗，或簡(jiǎn)稱為自由空間損耗。這個(gè)損耗純粹是在一定的波長(zhǎng)下，發(fā)射功率隨著傳播距離的增大，自然擴(kuò)散而引起的。它的數(shù)值可用式(6-7)計(jì)算，也可用圖6-6方便地查出。圖

6-6例如：一條6GHz(λ=0.05m)的傳播電路，在距離為100km時(shí)，自由空間傳播損耗從曲線圖上查出大約為149dB。當(dāng)考慮到電波傳播的實(shí)際路徑時(shí)，由傳播介質(zhì)和障礙所造成的種種影響，可以用一個(gè)衰減因子V的大小來(lái)表示。設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)振幅為E，通過(guò)自由空間傳播而到達(dá)的場(chǎng)強(qiáng)為E0，則衰減因子V規(guī)定為V=E/E0，這是一個(gè)無(wú)量綱的量。由此，接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)振幅可寫為式中，E0由式(6-3)計(jì)算。寫成分貝值則為

(6-9)從通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，電波傳播研究工作的重要內(nèi)容之一就是確定衰減因子的大小和變化規(guī)律。

6.3介質(zhì)對(duì)平面波的影響

1.均勻介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)均勻介質(zhì)是指全部介質(zhì)所占的區(qū)域內(nèi)介電常數(shù)ε=ε0εr，導(dǎo)磁率μ=μ0μr和電導(dǎo)率σ都不變化的介質(zhì)。在這種介質(zhì)中，如果存在著隨時(shí)間按正弦變化的穩(wěn)定電磁場(chǎng)，則在不計(jì)及磁化時(shí)可以把電導(dǎo)率的作用包括到介電常數(shù)中去，即采用復(fù)介電常數(shù)來(lái)描述它。它的表示式已在第3章導(dǎo)出，即式(3-30)，現(xiàn)把它重寫于下：

(6-10)若用它代替原來(lái)絕緣介質(zhì)中的介電常數(shù)ε，就自然地計(jì)入了電導(dǎo)率的影響。ε′稱為復(fù)介電常數(shù)。它的相對(duì)值ε′ 稱為相對(duì)復(fù)介電常數(shù)，即

(6-11)式中:εr是相對(duì)介電常數(shù);λ是波長(zhǎng)，單位為m；σ是電導(dǎo)率，單位是S/m。實(shí)際的介質(zhì)在大多數(shù)情況下都是非鐵磁介質(zhì)，因而常常認(rèn)為介質(zhì)的導(dǎo)磁率和真空一樣，即μ=μ0，這時(shí)，相對(duì)導(dǎo)磁率μr=1。表

6-1大地的電參數(shù)劃分

2.半導(dǎo)電介質(zhì)中的平面電磁波在第3章3.1節(jié)我們?cè)赋鲞^(guò)，在均勻絕緣介質(zhì)中傳播的平面電磁波其相位常數(shù)α與介質(zhì)的電參數(shù)、頻率和波的相速之間的關(guān)系為

且

考慮到μ=μ0,ε=ε0εr及真空中的光速 可知 ，就是說(shuō)(6-12)式中的 ，稱為介質(zhì)的折射率，它是真空中的光速c與介質(zhì)中的波速v之比。對(duì)于半導(dǎo)電介質(zhì)，應(yīng)把εr換為相對(duì)復(fù)介電常數(shù)εr′。這樣一來(lái)， 是一個(gè)復(fù)數(shù)，相應(yīng)地n也應(yīng)為一個(gè)復(fù)數(shù)。把n換為n-jp，則由式(6-11)可得(6-13)這樣，

我們可得到兩個(gè)方程，即

(6-14)解此方程組，可求出

(6-15)

(6-16)在這種情況下，

式(6-12)中的α也成為復(fù)數(shù)，

可寫為

若平面波的電場(chǎng)矢量為x分量并沿z軸方向傳播，

在絕緣介質(zhì)中它的復(fù)數(shù)表示為

在半導(dǎo)電介質(zhì)中，根據(jù)上面所說(shuō)的變化Ex應(yīng)表示為(6-17)這里：β表示振幅在傳播過(guò)程中的衰減，稱為衰減常數(shù)；相應(yīng)地，p稱為介質(zhì)的吸收系數(shù)；α仍為相位常數(shù)；

n是折射率。它們各自的關(guān)系為(6-18)其中，p和n由式(6-16)計(jì)算。從v=c/n及式(6-16)還可算出(6-19)從這些結(jié)果可以看出：平面電磁波在半導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)導(dǎo)電而吸收能量使振幅逐漸衰減，衰減的快慢與εr、σ及λ有關(guān)。σ愈大衰減愈快，這是由于σ愈大，電場(chǎng)在導(dǎo)體中引起的電流愈大。波長(zhǎng)愈短(頻率高)衰減愈大。另外，電波在半導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播速度也與εr、σ、λ有關(guān)，εr、σ愈大，相速愈慢，頻率愈高，相速也愈慢。電波在介質(zhì)中傳播的相速大小與頻率有關(guān)的現(xiàn)象稱為色散，相應(yīng)的介質(zhì)稱為色散介質(zhì)。它表明在同一種半導(dǎo)電介質(zhì)中，電波頻率不同時(shí)傳播的速度不一樣。從式(6-16)可知，如果60λσ〈〈εr，則介質(zhì)接近于完全絕緣體。這時(shí)(6-20)而

(6-21)由式(6-19)得

(6-22)如果60λσ>>εr，則介質(zhì)接近于良導(dǎo)體。這時(shí)(6-23)而

(6-24)(6-25)可見，對(duì)無(wú)線電波傳播來(lái)說(shuō)，一種介質(zhì)是絕緣體還是良導(dǎo)體，不僅決定于介質(zhì)本身電導(dǎo)率的大小，而且還決定于電波的頻率。表6-2和表6-3是在干土和海水中傳播振幅降至1/106時(shí)，上述參數(shù)相對(duì)于幾種波長(zhǎng)的數(shù)值。表中，λ0是電波在自由空間的波長(zhǎng)，λ是在介質(zhì)中的波長(zhǎng)。求降至10-6的距離x時(shí)，可命e-βx=10-6，而得表

6-2干土

(εr=4,σ=0.001S/m)表

6-3海水

(εr=80,σ=4S/m)

3.在不同介質(zhì)交界面上的反射與折射

當(dāng)電波從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)時(shí)，在交界面上電波分為兩部分，一部分進(jìn)入第二介質(zhì)，產(chǎn)生折射，改變了傳播方向，另一部分電波被反射。折射波與反射波的傳播方向規(guī)律為：

(1)對(duì)于反射波，入射角等于反射角(圖6-8中的￠角)。

(2)對(duì)于折射波，入射角￠和折射角Ψ與兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)，它們遵守下面的折射定律：

(6-26)由此可見，假定入射角￠不變，則當(dāng)n2＞n1時(shí)，波折向界面法線方向，即Ψ＜￠(如圖6-7所示)。當(dāng)n2

＜n1時(shí)，波折向界面，即Ψ＞￠(如圖6-8所示)。兩種介質(zhì)的折射率n相差越大，折射得越厲害。在n1＞n2的情況下，逐漸增大入射角￠，折射角也隨之增大。到Ψ=π/2即sinΨ=sinπ/2=1時(shí)是一種臨界狀態(tài)，這時(shí)，沒有折射波而只有反射波。此時(shí)的入射角￠0由下式?jīng)Q定：(6-27)圖

6-7n1＜n2時(shí)的折射角

圖

6-8n1＞n2時(shí)的折射角

6.4地波傳播

垂直極化表面波貼地傳播的情況如圖6-9所示。只要地面不是理想導(dǎo)電的，輻射場(chǎng)就有一部分在地面以下。地面下的電磁場(chǎng)在傳播中相速顯著變慢，其結(jié)果是地面上的波陣面(同相位面)受地下傳播的牽連而變?yōu)閮A斜。在傾斜波陣面上的能流密度矢量S，由于垂直于傾斜波陣面而指向地面。這說(shuō)明電磁能分成了兩部分：一部分的能流為E1xH，沿地面向前傳播，即圖6-9中的Sz；另一部分的能流為E1zH，垂直指向地面向下傳播，即圖中的Sn。E1x和E1z是傾斜波陣面上的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量垂直于地面和平行于地面的分量。從對(duì)地面波的計(jì)算結(jié)果可知，這兩個(gè)電場(chǎng)分量的振幅有下列關(guān)系：

當(dāng)?shù)厥前雽?dǎo)電的介質(zhì)時(shí)，這兩個(gè)分量的相位也不同。只有當(dāng)εr>>60λσ時(shí)，兩者才接近同相。

(6-28)圖

6-9從式(6-28)可得到以下有關(guān)地波傳播的重要結(jié)論：

(1)在地面上靠近地面的接收點(diǎn)，既可以用垂直天線(接收E1x分量)，也可以用水平天線(接收E1z分量)來(lái)接收地波。當(dāng)?shù)氐膶?dǎo)電率減小，波長(zhǎng)愈小時(shí)，水平分量(E1z)相對(duì)增強(qiáng)，地的吸收也增大，波面傾斜愈嚴(yán)重；當(dāng)?shù)氐膶?dǎo)電率增大，波長(zhǎng)增大時(shí)，水平分量相對(duì)減弱，地的吸收減小。當(dāng)?shù)厥抢硐雽?dǎo)電介質(zhì)時(shí)，σ變?yōu)闊o(wú)限大，水平分量為零，電場(chǎng)只有垂直分量，波面也不再傾斜，地也不吸收能量。

(2)在地面下靠近地面的接收點(diǎn)，必須用水平天線(例如埋地天線的一種)。這時(shí)，進(jìn)入地面的能流矢量大小為E1zH。從能量守恒的概念可知，垂直向下傳播的能流剛進(jìn)入地面下時(shí)仍然為E1zH。在地面下靠近地面處必然只有水平分量E2z，而且E2z=E1z。但是，由于地是半導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)E2z繼續(xù)深入地下傳播時(shí)，必然依上一節(jié)所講過(guò)的規(guī)律衰減。通常使進(jìn)入地面?zhèn)鞑サ牟ㄔ谡穹p到其表面數(shù)值的1/e時(shí)的深度為透入深度，用δ表示。即要求βδ=1，而δ=1/β。通過(guò)這個(gè)關(guān)系式并利用上節(jié)的結(jié)果即可算出δ。不同波長(zhǎng)的電波透入不同地面的深度δ如表6－4所示。表

6-4不同波長(zhǎng)的電波透入不同地面的深度

可見，如要在地下或水下接收地波，則波長(zhǎng)越短越是不利。以上所討論的是接收點(diǎn)的地波電場(chǎng)基本結(jié)構(gòu)。如果考慮到傳播距離，則地波場(chǎng)強(qiáng)隨距離而急劇衰減的現(xiàn)象是很明顯的。設(shè)發(fā)射功率為1kW，長(zhǎng)度小于λ/4的垂直電偶極子放在光滑的地面上，接收點(diǎn)也在地面上時(shí)，不同波長(zhǎng)的垂直極化電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化如圖6－10和圖6-11所示。圖6-10是海水面上的場(chǎng)強(qiáng)。圖6-11是干土面上的場(chǎng)強(qiáng)。圖上的虛線是假定地面為理想導(dǎo)體(σ=∝)時(shí)計(jì)算的結(jié)果。比較兩圖的結(jié)果可知，地的導(dǎo)電性能越差(σ越小)對(duì)地波傳播越是不利。通過(guò)這一類的曲線有助于估計(jì)實(shí)際的通信距離(這里收集的不完全)。例如，設(shè)工作頻率為15MHz，發(fā)射功率為250W的電波在海面上傳播，要求200km處的場(chǎng)強(qiáng)。先查圖6-10(a)，在200km，15MHz(波長(zhǎng)為20m)的曲線上查得場(chǎng)強(qiáng)為60μV/m。這是1kW的結(jié)果。對(duì)于250W，利用場(chǎng)強(qiáng)與功率的平方根成正比的關(guān)系可以算出所求場(chǎng)強(qiáng)為地波傳播主要用于中長(zhǎng)波通信，但在軍用和民用的移動(dòng)電臺(tái)中也常用于更高頻率(如超短波)的短距離通信。這時(shí)可用圖6-10(b)和圖6-11(b)的曲線來(lái)進(jìn)行估算。

地波傳播的主要優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定，基本上不受氣候條件的影響。此外，實(shí)際和理論的分析都表明，地波傳播時(shí)和整個(gè)傳播路程的土壤電性質(zhì)有關(guān)，特別和發(fā)射點(diǎn)及接收點(diǎn)的土壤電性質(zhì)有關(guān)。例如，收發(fā)兩點(diǎn)位于海上，中間隔著陸地，和同樣距離，收發(fā)兩點(diǎn)位于陸上，而中間隔著海水相比，前者的傳播損耗要小一些，接收的場(chǎng)強(qiáng)要高。這種情況，有人稱為地波的“起飛”與“著陸”效應(yīng)。因此，在實(shí)際工作中選擇收發(fā)地點(diǎn)的條件，

對(duì)地波傳播是有意義的。

圖

6-10海水面上的場(chǎng)強(qiáng)(海面εr=80,σ=4S/m)圖

6-11干土面上的場(chǎng)強(qiáng)(干地εr=4,σ=10-8S/m)6.5天波傳播

1.電離層

通常所說(shuō)的天波傳播是指電波通過(guò)電離層的反射傳播。電離層是在地面上空60～350km的高空大氣電離區(qū)域。電離層分為D、E、F三層。之所以分成三層，是由于大氣上空分為三層。100km以下為氮和氧；100～200km，除氮外還有氧原子；再高則為氮分子和氮原子，如圖6－12所示。

圖

6-12電離層分層情況

大氣上空的氧分子、氧原子、氮原子等的一個(gè)或幾個(gè)電子被太陽(yáng)的紫外線和微粒輻射打出來(lái)，這些分子或原子成為帶正電的離子，這個(gè)過(guò)程就叫電離。能使原子或分子電離的除太陽(yáng)外還有宇宙中其他星球的輻射，它們是夜間氣體電離的主要來(lái)源。在這些輻射作用下，電離的氣體原子或分子形成電離層。電離層分為三層。最低的為D層，僅白天才存在。再高為E層。最高為F層，在夏季白天又分為F1與F2兩層，晚上只存在F2層。根據(jù)人造衛(wèi)星探測(cè)的結(jié)果，電離層的分層是階梯形的，電子密度隨高度的變化情況如圖6－13所示。各層的電子密度和高度如表6-5所示。

圖

6-13電離層的電子密度隨高度的變化情況

表

6-5電離層各層的電子密度和高度電離層除上述的規(guī)則層以外，還經(jīng)常在E層的高度上出現(xiàn)電子濃度比正常E層大得多的小區(qū)域的電離層，通?？纱嬖趲仔r(shí)，這個(gè)層稱為偶發(fā)E層(常以符號(hào)ES表示)。它常能反射比一般電離層所能反射的高得多的頻率(達(dá)40～50MHz)。偶發(fā)E層產(chǎn)生的原因尚不很清楚。電離層中各正負(fù)離子、電子之間以及這些帶電粒子和中性分子之間，還不斷發(fā)生碰撞，使帶電粒子重新結(jié)合成中性分子，這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合。實(shí)際上，電離層的出現(xiàn)，就是電離作用超過(guò)復(fù)合作用的結(jié)果。反過(guò)來(lái)，如果電離作用比復(fù)合作用弱，電離層就會(huì)消失。此外，碰撞還可以使帶電粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，而損耗一部分能量。當(dāng)把電離層作為電波的傳播介質(zhì)而確定其電參數(shù)時(shí)，如果把這些作用都考慮進(jìn)去，那么所得的結(jié)果將很復(fù)雜。考慮到各種帶電粒子中電子的質(zhì)量最小，在電磁場(chǎng)的作用下，它的活動(dòng)性最強(qiáng)，所以對(duì)于電離層的電參數(shù)，在初級(jí)近似的情況下，可認(rèn)為只由電子的作用構(gòu)成，而且不計(jì)入碰撞。由此，我們可以得到表示其相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系式，

即

(6-29)式中，N為電子密度，單位為每立方米的電子數(shù)，f為頻率，單位為Hz。從這個(gè)結(jié)果可以看出，在電離層中相對(duì)介電常數(shù)總是小于1。從折射率n和εr的關(guān)系可知：(6-30)由于電波傳播的相速v=c/n，因此從上式可知，在電離層中電子密度越大，折射率越小，相速也越大；并且，頻率不同，相速v也不同。因此，電離層是折射率小于1的色散介質(zhì)。式(6-29)的導(dǎo)出過(guò)程如下。設(shè)在導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，導(dǎo)體的電導(dǎo)率為σ，則在其中受電場(chǎng)作用產(chǎn)生的通過(guò)單位面積的電流J(體電流密度)和電場(chǎng)E的關(guān)系為

J=σE設(shè)電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的速度為v，電子的電量為e，每單位體積的電子數(shù)為N，則通過(guò)單位面積由電子運(yùn)動(dòng)而形成的電流J應(yīng)表示為J=Nev設(shè)電子在電場(chǎng)作用下所受的力為F，電子的質(zhì)量為m，則根據(jù)力學(xué)上的牛頓第二定律和電場(chǎng)力的計(jì)算關(guān)系F=eE可知：其中，右方的dv/dt表示受力引起的加速度。由于電場(chǎng)是呈正弦振動(dòng)的，

故在穩(wěn)態(tài)情況下可用jω代替d/dt，

于是得到

從此式中解出v代入電流密度的表示式，

可知：

由此可見，在這種情形下能夠求得一個(gè)等效電導(dǎo)率：

把它代入式(6-11)即得等效介電常數(shù)為

在電離層的條件下，氣體分子是稀薄的，因而其固有的介電常數(shù)ε與真空的ε0沒有區(qū)別，于是上式成為與之相應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)為

最后把e=1.602×10-19C,m=9.108×10-31kg,ε0=8.855×10-11H/m及ω=2πf代入，再將εr′改為εr，即得式(6-29)。

2.電波在電離層中的折射和反射

當(dāng)電波射向電離層時(shí)，因空氣的折射率大(n0≈1)，所以進(jìn)入電離層后，由式(6－26)可知，其折射角將大于入射角，如圖6-14所示。由于電離層中的電子密度是隨高度而增大的，為了便于分析電波的折射情況，可將電離層分為許多薄層，如圖6-15所示，各層電子密度逐漸增大，而折射率逐漸減小，電波進(jìn)入電離層后將連續(xù)地以比入射角大的折射角向前傳播。進(jìn)到電離層的某一高度時(shí)，電波的射線就轉(zhuǎn)平了，即￠n=90°。這時(shí)，電波軌跡達(dá)到最高點(diǎn)，并產(chǎn)生全反射。若再繼續(xù)下去，電波逐步返回到地面。所以電波在電離層內(nèi)部實(shí)際上是一個(gè)逐步折射的過(guò)程，但我們可等效地看成電波是從某一點(diǎn)反射回地面的。圖6-14電波的折射圖

6-15多層介質(zhì)的電波折射

對(duì)于上述情況，應(yīng)用折射定律(式(6-26))可得

其中，n0為層下中性空氣的折射率，近似等于1。設(shè)第n層的電子密度Nn正好使電波能夠轉(zhuǎn)平，產(chǎn)生全反射，即￠n=π/2,sin￠n=sin（π/2）=1。于是從上式可得電波在電離層中產(chǎn)生全反射的條件為(6-31)

上式說(shuō)明了電波能從電離層反射回來(lái)的電波頻率、入射角和反射點(diǎn)的電子密度之間的關(guān)系。

從上面的討論可知，電離層反射電波的特性和電波頻率有關(guān)。并不是所有頻率都能被電離層反射回來(lái)。頻率越高的無(wú)線電波，從式(6-30)可知，相應(yīng)的電離層折射率越接近于1，所以電波折射小些，它需要電子密度大一些的電離層才能使射線折射轉(zhuǎn)平，返回地面。因此，如果無(wú)線電波頻率過(guò)高，以至于最大電子密度的電離層也不能使它的射線轉(zhuǎn)平，那它就穿過(guò)電離層而不再返回到地面了。因此，能返回地面的電波有一個(gè)最高可用頻率(MUF)。凡是低于最高可用頻率的電波，都可從電離層反射回地面。這種情況如圖6-16所示。圖

6-16電離層的反射與折射

將Nm代替Nn(Nm為層中最大電子密度)，并將￠0=0代入式(6-31)可求得臨界頻率為(6-32)這樣一來(lái)，式(6-31)可改寫為

(6-33)此式所確定的頻率即以入射角￠0投向電離層時(shí)所能反射的最高可用頻率?；?qū)懗?/p>

(6-34)稱它為電離層的正割定律。

設(shè)通信距離為1000km，利用E層反射，其高度為100km，最大電子密度Nm=2×1011，求最高可用頻率fMUF。先由已知Nm利用式(6-32)可算出臨界頻率為然后由圖6-17可求出

再由式(6-34)可知：

從圖6-17上還可求出發(fā)射天線的仰角Δ≈11°。這個(gè)數(shù)據(jù)可用作架設(shè)短波天線(例如菱形天線)時(shí)參考。

圖

6-17利用E層反射進(jìn)行通信的示意圖

3.電離層對(duì)無(wú)線電波的吸收當(dāng)電波通過(guò)電離層時(shí)，電離層中的電子被電場(chǎng)加速而作往返運(yùn)動(dòng)。當(dāng)它與中性分子或離子碰撞時(shí)，就將從電波得到的能量傳遞給中性分子或離子。這樣，無(wú)線電波的一部分能量因轉(zhuǎn)化為碰撞所產(chǎn)生的熱量而損耗掉了。這就是電離層對(duì)電波的吸收。電子密度越大，參與碰撞的電子數(shù)就越多，所以吸收越大。另外，氣體分子密度大，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生碰撞的次數(shù)比密度小的情況下要多，所以吸收也大。由于電離層的E層和D層在較低的高度，氣體密度較大，故碰撞次數(shù)要比F層多得多。根據(jù)測(cè)量結(jié)果估計(jì)，F(xiàn)層碰撞次數(shù)的數(shù)量級(jí)為103次/秒，E層為106次/秒，

D層為107次/秒。

所以，雖然D層和E層的電子密度低，但由于碰撞次數(shù)多，故正常情況下主要的吸收層是D層和E層。D層由于臨界頻率太低，對(duì)短波不起任何反射作用，實(shí)際上只起到一個(gè)吸收層的作用；E層在白天可以反射短波。因此，夜間D層消失后，吸收顯著降低。所以夜間短波，中波電臺(tái)信號(hào)增強(qiáng)。但由于夜間干擾大為增強(qiáng)，加上夜間使用頻率低于日間，即同一天線的效率夜間比日間低，故總的來(lái)說(shuō)，夜間并不能改善接收狀況，還是白天接收的效果好。

吸收還和電波頻率有很大關(guān)系。頻率愈高，吸收愈??；頻率愈低，吸收愈大。對(duì)此可以這樣來(lái)解釋：當(dāng)頻率低時(shí)，振蕩的周期長(zhǎng)，所以每個(gè)電子受到加速的時(shí)間長(zhǎng)，因此，電子運(yùn)動(dòng)的路徑長(zhǎng)，碰撞的能量也大，碰撞的機(jī)會(huì)也多，所以能量損耗大，亦即電離層吸收多；對(duì)于高頻率，則正相反，由于周期相對(duì)較短，因此加速時(shí)間短，運(yùn)動(dòng)的路徑也短，所以碰撞的機(jī)會(huì)少，碰撞丟失的能量也小，結(jié)果損耗就小，也就是吸收小。

這就告訴我們，天波傳播時(shí)應(yīng)該使用盡可能高的頻率。這樣，既能為電離層所反射，吸收又最小，這是最有利的情況。但也不能使用最高可用頻率，因?yàn)樽罡呖捎妙l率是電離層的上限頻率，使用這個(gè)頻率時(shí)，只要電離層的情況稍有變化，便可能穿過(guò)電離層而不反射回來(lái)，導(dǎo)致通信中斷。因此，我們通常取最高可用頻率的85%，作為最佳工作頻率(OWF)，即

OWF=0.85×MUF如果將使用的頻率降低，則信號(hào)電平將因吸收的增大而降低。當(dāng)?shù)偷揭欢ǖ某潭纫灾虏荒鼙ＷC通信所必需的信號(hào)噪聲比時(shí)，通信就要中斷。這個(gè)能保證最低所需的信噪比的頻率稱為最低可用頻率(LUF)。最后要指出的是：由于噪聲分布通常是隨頻率的增高而減小的，因此，天波傳播的信號(hào)噪聲比和頻率的關(guān)系非常大。頻率提高時(shí)，信號(hào)電平增強(qiáng)，噪聲電平下降，所以信號(hào)噪聲比增大很快。反之，則信號(hào)噪聲比很快下降。因此在天波通信中，頻率的選擇是個(gè)重要的問題。

頻率的選擇通常是根據(jù)電波研究機(jī)關(guān)所作的電離層預(yù)報(bào)來(lái)決定的?，F(xiàn)在較好的辦法是采用頻率斜測(cè)的方法，即在發(fā)信點(diǎn)向通信方向發(fā)射一串不同頻率的脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)通過(guò)電離層到達(dá)接收點(diǎn)，經(jīng)地面散射后有一部分能量向后沿原路返回到發(fā)射點(diǎn)，在發(fā)射點(diǎn)接收這個(gè)返回的信號(hào)，并根據(jù)返回的信號(hào)強(qiáng)度確定哪一個(gè)頻率最好。用這種方法可以即時(shí)地決定應(yīng)該選用的頻率。

電離層傳輸信道的帶寬受多徑傳播的限制。不同路徑的程差引起的相位差相當(dāng)于不同時(shí)間(稱為時(shí)延)到達(dá)接收點(diǎn)而產(chǎn)生的相位差，即ωΔt，這里Δt為最長(zhǎng)路徑與最短路徑之間的時(shí)延。若對(duì)于頻率f1相位差為ω1Δt=π，則兩波相消；對(duì)于頻率f2相位差為ω2Δt=-π，也引起兩波相消。由此，(ω1-ω2)Δt=2π，即f1-f2=1/Δt。如令B=f1-f2表示帶寬，則B=1/Δt?？梢妿捄投鄰綍r(shí)延成反比。這一關(guān)系可用來(lái)估計(jì)多徑傳播對(duì)帶寬的限制。

4.電離層的變化

由于電離層的主要電離源是太陽(yáng)源的紫外線和微粒輻射，因此，這些情況的任何改變都要影響電離層。由于太陽(yáng)照射的情況在晝夜24小時(shí)中都不一樣，同時(shí)，不同季節(jié)和年份也不同，因此電離層的高度和密度是隨時(shí)間、季節(jié)、年份而變化的，不同地點(diǎn)上空的電離層狀況也是不同的。電離層的變化有兩種，即正常變化與不正常變化。正常變化有：

(1)日變化：晝夜24小時(shí)之間的變化。白天和晚上電離層的電子密度最大值和其高度要發(fā)生變化，因此，臨界頻率和傳播損耗也要變化。

(2)季變化：即一年四季，每個(gè)月份也是變化的。一般說(shuō)來(lái)，E層的夏季臨界頻率比冬季高，夏季傳播損耗也大于冬季。但是在中緯地區(qū)，冬季的F層電子密度最大值大于夏季，所以，冬季的F層臨界頻率和傳播損耗反而大于夏季。

(3)太陽(yáng)十一年周期的變化：太陽(yáng)的輻射情況與太陽(yáng)的黑子數(shù)有關(guān)，太陽(yáng)黑子數(shù)有十一年的周期變化，從太陽(yáng)黑子數(shù)最小(約為零)到太陽(yáng)黑子數(shù)最大(約為200)，將使傳播損耗增大50%左右，而F2層的臨界頻率則可高一倍。例如，在太陽(yáng)活動(dòng)性最大的年份，F(xiàn)2層的臨界頻率可達(dá)50MHz。電離層的不正常變化主要有以下幾種：

(1)電離層擾動(dòng)。擾動(dòng)由太陽(yáng)噴火或其他的紫外線突然爆發(fā)而產(chǎn)生，它使D層的電子密度突然加大，因而對(duì)無(wú)線電波的吸收也突然增加，造成接收困難。因?yàn)樗怯商?yáng)直接的大量紫外線輻射造成的，故電離層擾動(dòng)總是發(fā)生于白天。雖然它是一種不規(guī)則擾動(dòng)，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般有如下情況：不是每天都出現(xiàn)擾動(dòng)，一般在一年中大約有10%～30%的天數(shù)會(huì)出現(xiàn)，平均每隔2～3天左右會(huì)出現(xiàn)一次。大部分?jǐn)_動(dòng)時(shí)間不超過(guò)一小時(shí)。擾動(dòng)的程度也不同，最嚴(yán)重的曾經(jīng)達(dá)到三天。這些擾動(dòng)還有一個(gè)27天周期的趨向。

(2)磁暴。磁暴是指地磁場(chǎng)發(fā)生突然的大的擾動(dòng)。磁暴通常要引起電離層暴。這個(gè)現(xiàn)象的主要表現(xiàn)就是F2層中電子密度突然減小，因此，它的臨界頻率會(huì)突然下降。原來(lái)使用較高頻率的電波就會(huì)穿透F2層而不能反射，通信會(huì)突然中斷。磁暴以及電離層暴主要在極區(qū)附近比較嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間一般為幾小時(shí)至幾個(gè)晝夜。

(3)Es層。出現(xiàn)Es層也是一種不規(guī)則的現(xiàn)象。Es層在E層的高度小范圍內(nèi)出現(xiàn)，電子密度很高，但比較薄(和正常E層比較),時(shí)而出現(xiàn)，時(shí)而消失，時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，很不規(guī)則，并具有半透明性，即在反射一部分電波能量的同時(shí)又穿透出去一部分能量，因此要產(chǎn)生附加的損耗。由于Es層存在不規(guī)則性，因此過(guò)去在通信中是很少利用的。但是由于它能反射較高頻率(高達(dá)50MHz以上，某些個(gè)別情況可達(dá)150MHz)，而且在亞洲的遠(yuǎn)東地區(qū)，在夏季的大部分時(shí)間里，Es都是存在的，因此，在太陽(yáng)活動(dòng)性低的年份里，當(dāng)E、F層的最高可用頻率下跌，不能使用較高頻率通信時(shí)，利用Es層可以擴(kuò)展工作頻率。因此，對(duì)利用Es層通信的研究現(xiàn)在又有開展。

因Es層的電離密度較高，因此對(duì)電波的反射比較有效，產(chǎn)生的附加損耗比較小。根據(jù)在中距離(1000km)的電路上測(cè)試的結(jié)果，Es層的附加損耗是這樣的：當(dāng)頻率為17MHz以下時(shí)，一般約為4dB以下，所以損耗是很小的。因此，Es層反射的信號(hào)一般比F層反射的信號(hào)較強(qiáng)。利用電離層反射的天波通信，是在發(fā)現(xiàn)地波通信距離受到很大的限制之后發(fā)展起來(lái)的。它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是頻帶窄(限于短波)，衰落嚴(yán)重，而且要跟隨電離層的變化及時(shí)地變化頻率。

5.工作頻率的確定根據(jù)“短波頻率預(yù)測(cè)編輯組”編輯出版的《不同太陽(yáng)活動(dòng)期F2層頻率預(yù)測(cè)》和《E層頻率預(yù)測(cè)》兩書，當(dāng)收發(fā)信點(diǎn)確定之后，即可按其說(shuō)明的步驟和圖表求出該電路在某個(gè)月某一天24小時(shí)內(nèi)每小時(shí)的最高可用頻率(MUF)，并根據(jù)OWF=0.85×MUF得到每小時(shí)的最佳工作頻率，將其繪成如圖6-18所示的曲線(以北京—拉薩電路6月份的結(jié)果為圖例)。圖中，Ic為太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)，它與太陽(yáng)黑子數(shù)目有關(guān)。工作頻率最好等于最佳工作頻率，高于最佳工作頻率是不可靠的，低于最佳頻率則電波損耗較大。若工作頻率高于最高可用頻率則不可能通信，因?yàn)殡姴〞?huì)穿出電離層。但每小時(shí)都按圖6－18的最佳工作頻率曲線改變頻率太麻煩了，會(huì)給收發(fā)雙方帶來(lái)許多困難，因此工作頻率在一晝夜之間變換次數(shù)越少越好，通?？捎脙蓚€(gè)或三個(gè)頻率作為一天工作頻率，白天使用一個(gè)頻率稱為日頻，夜間使用一個(gè)頻率稱為夜頻(如圖6-18中的實(shí)粗線所示)。

圖

6-18最佳工作頻率與工作時(shí)間關(guān)系圖

如果一天用兩個(gè)頻率，那么變換的時(shí)間要注意選擇。早上若換頻時(shí)間太早，可能使電波穿出電離層；如果太晚，夜頻所受的吸收太大。與此相反，晚上換頻早了，電波在電離層中吸收太大；如太晚了，電波可能穿出電離層。換頻時(shí)間的掌握可根據(jù)不同電路的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

6.6視距傳播

1.視線距離在地面上兩天線的高度確定之后，兩天線之間就有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的視線距離。它是當(dāng)收發(fā)天線的連線和地面相切時(shí)，在地面上的大圓弧長(zhǎng)，即圖6-19中所示的d0。視線距離決定于地球半徑和兩天線的高度(在雷達(dá)中即天線與目標(biāo)的高度)。

圖

6-19視距傳播圖示

從圖6-19可知：

實(shí)際上，h1、h2<<a,α很小，故上式可近似地表示為

考慮到d10=aα，故得

同理可求出：

于是視線距離即為

(6-35a)考慮到地球半徑a≈6370km，并且天線高度仍用m為單位，則

(6-35b)這就是地面上視線距離的計(jì)算公式。由于大氣折射的原因，電波射線被彎曲，故視線距離比d0要大一些，實(shí)際的視線距離約為

d=1.15d0

(6-35c)這一距離在雷達(dá)中就是在其他條件滿足時(shí)可能觀測(cè)到的目標(biāo)的距離。

例如，一電視發(fā)射天線輻射中心距地面的高度為200m，則在上式中令h1=200,h2=0，求得d0=50km，這個(gè)距離就是該電視臺(tái)的最大服務(wù)半徑。在地面上，通信系統(tǒng)中的視距傳播距離只能小于、而不能超過(guò)式(6-35c)所確定的距離。地面與空間對(duì)象之間的傳播視線距離當(dāng)然不受它的限制。

2.電波傳播的費(fèi)涅爾區(qū)在地面上進(jìn)行視距通信，不能忽視地形的影響。實(shí)際上要使接收點(diǎn)的信號(hào)達(dá)到或接近自由空間傳播的電平，起主要作用的只是一個(gè)有限的區(qū)域。那么這個(gè)區(qū)域多大?而且考慮地面反射影響時(shí)，對(duì)地面反射起主要影響的地面區(qū)域究竟有多大?電波傳播的費(fèi)涅爾區(qū)就是回答這些問題的。惠更斯-費(fèi)涅爾原理指出，如果包圍波源作一個(gè)假想的封閉面，則到達(dá)接收點(diǎn)的電磁場(chǎng)是面上各個(gè)小面元的二次輻射場(chǎng)在接收點(diǎn)疊加的結(jié)果；而這些無(wú)數(shù)的二次波源又是由原來(lái)的波源在各個(gè)小面元上的輻射場(chǎng)形成的，

如圖6-20所示。

圖

6-20惠更斯-費(fèi)涅爾原理

設(shè)想在發(fā)射點(diǎn)A和接收點(diǎn)B之間放置一個(gè)電波不能透過(guò)的無(wú)限大屏，由于這個(gè)不透明屏相當(dāng)于在無(wú)限遠(yuǎn)處閉合包圍A點(diǎn)，因此，接收點(diǎn)B處的場(chǎng)強(qiáng)為零?，F(xiàn)在在屏上圍繞AB直線與屏的交點(diǎn)O開一個(gè)圓孔?？酌娣e為ΔΣ1，如圖6-21所示。這樣一來(lái)，在B點(diǎn)就有電磁場(chǎng)出現(xiàn)，用|ΔE1|表示它的電場(chǎng)大小，用￠1表示它的相位。由惠更斯-費(fèi)涅爾原理可知，這個(gè)電場(chǎng)是ΔΣ1面上二次源輻射的結(jié)果。然后，再把孔開大，再挖去一塊ΔΣ2那樣大的環(huán)面積。于是在B點(diǎn)增加了第二個(gè)面積ΔΣ2的二次輻射，它的電場(chǎng)大小為|ΔE2|，相位為￠2。由于ΔΣ2上的輻射經(jīng)過(guò)的路程要長(zhǎng)些，因此￠2＞￠1。這樣一來(lái)，在B點(diǎn)的電場(chǎng)將為|ΔE1|和|ΔE2|的矢量和。圖

6-21無(wú)限大屏的單孔電波傳播

把上述方法繼續(xù)下去，再挖去ΔΣ3,ΔΣ4,…之后，B點(diǎn)收到的合成場(chǎng)將為圖6-22(a)所示的矢量E。進(jìn)一步地，再把每一個(gè)ΔΣ無(wú)限分小，則在B點(diǎn)收到的合成場(chǎng)E，將不是一些矢量的折線相加，而是許多無(wú)限小矢量沿光滑曲線相加，如圖6-22(b)所示。圖

6-22不同孔面的電波傳播如果從中心開孔，首先開到邊緣D1,讓孔的大小使AD1B-AOB=λ/2(半波長(zhǎng))，如圖6-23所示。這時(shí)，中心到邊緣的電波行程差引起的相位差為π，所以在B的場(chǎng)強(qiáng)大小正好相當(dāng)于一個(gè)半圓的直徑，如圖6-22(c)所示。再把孔擴(kuò)大到OD2，使AD2B-AD1B=λ/2，則新增加的面積上的二次波源作用之和與前一面積的相位相反，在B點(diǎn)的場(chǎng)如圖6-22(e)所示。圖

6-23費(fèi)涅爾半波帶圖示

現(xiàn)在，我們來(lái)計(jì)算這種半波帶的尺寸與距離和波長(zhǎng)的關(guān)系。在圖6-24中，設(shè)從O到D在無(wú)限大面積Σ上一共分出n個(gè)波帶，并設(shè)第n個(gè)帶的半徑(自O(shè)點(diǎn)起算)為Fn，則由直角三角形的關(guān)系和上述分帶的方法可得(6-36)圖

6-24半波帶與距離和波長(zhǎng)的關(guān)系

實(shí)際上，傳播距離d1、d2和d都比波長(zhǎng)λ大得多，因而相對(duì)來(lái)說(shuō)Fn也比d1、d2等小得多。把上式左邊依二項(xiàng)式定理展開，略去高階小項(xiàng)可以算出(6-37)這是第n個(gè)費(fèi)涅爾帶的半徑。在此式中，n為正整數(shù)，波長(zhǎng)和距離用相同的單位。進(jìn)一步研究式(6-36)，把d從左邊移到右邊，則可得當(dāng)傳播距離d、波長(zhǎng)λ和費(fèi)涅爾帶數(shù)目n不變時(shí)，上式成為AD+DB=常數(shù)凡是滿足此條件的點(diǎn)在平面上是一個(gè)橢圓，在空間則是將此橢圓繞AB軸旋轉(zhuǎn)而成的橢球。對(duì)于不同的費(fèi)涅爾帶，n的數(shù)值不同，橢球也不同。發(fā)射點(diǎn)A和接收點(diǎn)B是這些旋轉(zhuǎn)橢球體的焦點(diǎn)。這些橢球體所占的空間區(qū)域稱為費(fèi)涅爾區(qū)，如圖6-25所示。前面所講的費(fèi)涅爾帶就是垂直于AB直線的平面與這些橢球交截出來(lái)的面積。在中點(diǎn)處面積最大，接近兩端A、B處面積最小。如果d、n、不變，允許d1和d2改變，則式(6-37)表示在傳播路徑上不同地點(diǎn)的第n個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)半徑。圖

6-25費(fèi)涅爾區(qū)圖示

由前面的討論可知，當(dāng)從中心開孔到某一個(gè)面積使其邊緣與中心的波程差引起的相位差為π/3時(shí)，合成場(chǎng)的振幅就達(dá)到自由空間數(shù)值了。由此可見，不一定要許多個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)，也不一定要全部第一費(fèi)涅爾區(qū)，而只要第一個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)面積的1/3就可獲得自由空間場(chǎng)強(qiáng)了。在式(6-37)中令n=1得到第一費(fèi)涅區(qū)的半徑為(6-38)面積的1/3，就是半徑的 。因此，得到自由空間場(chǎng)強(qiáng)的最小費(fèi)涅爾區(qū)半徑為

(6-39)它表示電波傳播所需要的最小空中通道(最小費(fèi)涅爾橢球)的半徑。在上式中，d=d1+d2是兩天線之間的地面距離，由于實(shí)際的天線高度與地面距離相比很小，故它也是傳播路徑的天線中心視線距離。同時(shí)，還必須注意，在最小橢球中，F(xiàn)0在中點(diǎn)處最大，越接近兩端越小。例如，工作頻率為6GHz(λ=0.05m)，傳播距離d=50km中點(diǎn)處(d1=d2=25km)的第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑，由式(6-38)算出為由式(6-39)算出在中點(diǎn)處的最小費(fèi)涅爾區(qū)半徑為

F0=0.577F1=0.577×25=14.4m它表明了在6GHz、50km距離通信時(shí)空中通道的具體尺寸。

3.傳播余隙在選定地面上的視距傳播電路時(shí)，應(yīng)研究沿途的地形剖面圖。由它來(lái)決定站址，并應(yīng)用費(fèi)涅爾區(qū)的計(jì)算公式確定天線高度。為此，必須研究在地形剖面圖上的傳播余隙及其變化。所謂傳播余隙，如圖6-26所示，它是兩天線發(fā)射中心的連線與地形障礙最高點(diǎn)的垂直距離。

圖

6-26傳播余隙

圖6-26和圖6-19不一樣，兩天線高度的延長(zhǎng)線不交于地心，這是由于站間距離比起地球半徑來(lái)說(shuō)太小，可用拋物面代替這一部分地面，因而兩天線平行交于無(wú)限遠(yuǎn)。傳播余隙的大小用Hc表示。由上述費(fèi)涅爾區(qū)的原理可知，為保證兩天線之間的傳播為自由空間值，至少要使傳播余隙Hc等于和大于最小費(fèi)涅爾區(qū)半徑F0，即Hc≥F0。

如果傳播余隙Hc比較小，就有可能使視線受阻，引起附加的傳播損耗。這時(shí)，可用圖6-27所示的曲線來(lái)估計(jì)。曲線的縱坐標(biāo)是接收?qǐng)鰪?qiáng)與自由空間傳播場(chǎng)強(qiáng)之比的分貝值，橫坐標(biāo)是障礙上的傳播余隙Hc與由式(6-38)算出的第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑F1之比。一根曲線表示楔形山脊障礙的損耗，另一根曲線表示光滑地面的損耗。兩天線中心連接的視線，如果被障礙擋住，則認(rèn)為傳播余隙Hc為負(fù)值，因而Hc/F1也都是負(fù)值，如圖6-28(a)所示。如果視線正好掠過(guò)障礙，則Hc=0，如圖6-28(b)所示。圖6-28(c)表示光滑地球面進(jìn)入給定的費(fèi)涅爾區(qū)的情況。從圖6-27的曲線可以看出，當(dāng)Hc=0時(shí)，對(duì)于楔形山脊，接收?qǐng)鰪?qiáng)低于自由空間值6dB；對(duì)于光滑地球面，則低于自由空間值約22dB?？梢姾笳咭鸬膿p耗比前者大得多。其他形狀的地形障礙在這兩曲線之間。如有多個(gè)障礙，則總損耗應(yīng)為其單獨(dú)損耗的分貝數(shù)之和。圖

6-27圖6-28(a)Hc＜0;(b)Hc=0;(c)Hc＞0

4.大氣折射在低空大氣層中，空氣的主要成分是氮和氧。在此層中實(shí)際上不發(fā)生電離。它的相對(duì)介電常數(shù)εr非常接近于1，比1略大萬(wàn)分之幾。因此，它的折射率 也稍大于1，大約在1.00026至1.00046之間。為了清楚地表明這種微小的變化，常用折射指數(shù)N來(lái)表示。它規(guī)定為這樣，大氣的折射指數(shù)N就在260～460之間變化。它和壓強(qiáng)p、絕對(duì)溫度T、水汽壓e之間的關(guān)系為式中，p和e的單位均為毫帕。在正常的情況下，地面附近的p約在1023毫帕左右，e約為10毫帕左右。通常大氣壓強(qiáng)溫度和水汽壓都隨高度而下降。圖6-29是幾種情況下的射線彎曲情況，它所對(duì)應(yīng)的每升高1m折射指數(shù)的變化值如表6-6所示。圖

6-29幾種情況下的射線彎曲情況

表

6-6折射指數(shù)變化表

由于理論計(jì)算中都是假定大氣均勻，電波直線傳播，而實(shí)際中，大氣非均勻，電波軌道為曲線，因此給實(shí)際計(jì)算帶來(lái)困難。為解決實(shí)際問題，假定電波射線軌道和地球表面之間的相對(duì)曲率不變，使地球的半徑改變到電波射線為直線，則這時(shí)的地球半徑稱為等效地球半徑，

如圖6-30所示。

圖

6-30等效射線圖示

5.地面的反射

1)反射系數(shù)在視距傳播中，從發(fā)射天線到接收天線，除直接波而外，還有一條經(jīng)由地面反射的間接波，

如圖6-31所示。

反射波的特性可由反射系數(shù)來(lái)說(shuō)明。

圖

6-31地面反射間接波

當(dāng)反射點(diǎn)與波源相距較遠(yuǎn)時(shí)，可用平面波的反射系數(shù)來(lái)代替球面波的反射系數(shù)。設(shè)E1表示反射波的電場(chǎng)振幅，E0表示入射波的電場(chǎng)振幅，則反射系數(shù)規(guī)定為R=E1/E0。波的極化方向不同，反射系數(shù)的計(jì)算關(guān)系也不同，如圖6-32所示。反射系數(shù)的大小決定于地的介電常數(shù)和投射角?？紤]到地的導(dǎo)電性，則反射系數(shù)還與電導(dǎo)率和波長(zhǎng)(頻率)有關(guān)。不僅如此，當(dāng)?shù)厥前雽?dǎo)電介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)還是復(fù)數(shù)，即R=|R|e-jγ。這里，|R|表示振幅大小之比，γ表示經(jīng)過(guò)反射而引起的相移。圖6-33(a)、(b)分別是濕地與海水的一些計(jì)算結(jié)果。圖上部為反射系數(shù)的大小|R|與投射角θ之間的關(guān)系，下部是γ與投射角θ間的關(guān)系。不同的曲線表示不同的波長(zhǎng)，點(diǎn)劃線表示水平極化波，實(shí)線表示垂直極化波。圖6-32電波的地面反射與極化(a)垂直極化；

(b)水平極化

圖

6-33濕地和海水的計(jì)算結(jié)果

2)地面不平坦的影響地面不平坦的概念具有相對(duì)性，波長(zhǎng)與起伏高度之比有著決定性的意義。起伏高度的數(shù)量級(jí)為幾百米的丘陵地帶對(duì)于超長(zhǎng)波可認(rèn)為是十分平坦的地面，可是對(duì)于厘米波段，起伏高度為10cm的平坦草地也應(yīng)認(rèn)為是粗糙地面?，F(xiàn)在看一下反射面不平坦到什么程度就破壞了鏡面反射的特點(diǎn)，即在什么情況下反射波將漫射開來(lái)而不服從反射定律，如圖6-34所示。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)所有不平坦度都有同樣的高度，如圖6-35所示，實(shí)線表示平面的下邊界，虛線表示上邊界。在上、下邊界反射的波有由于程差而引起的相位差，即Δ￠=(2π/λ)2h·sinθ。若程差遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)Δ￠很小，則可認(rèn)為是鏡面的。由此常用的標(biāo)準(zhǔn)是即

(6-40)這個(gè)關(guān)系式稱為粗糙反射面上的瑞利條件。由上式可以看出，可容許的不平坦條件，不僅決定于波長(zhǎng)，并且決定于入射仰角θ，θ角越小，可容許的不平坦高度越大。地面不平坦主要會(huì)產(chǎn)生如圖6-34所示的漫反射，使反射波能量發(fā)射到各個(gè)方向，故其作用相當(dāng)于使反射系數(shù)降低。若地面非常粗糙，則可以忽略反射波的影響，而只考慮直射波。

圖

6-34電波漫反射

3)地面反射的費(fèi)涅爾區(qū)地面對(duì)電波反射起主要影響的區(qū)域不是收發(fā)點(diǎn)間的整個(gè)地面，而只是其中的某一地段，這一區(qū)域有多大呢?這就是地面反射的費(fèi)涅爾區(qū)要解答的問題。在前面對(duì)于電波傳播的費(fèi)涅爾區(qū)的討論中，曾得出傳播空間的主區(qū)即是以發(fā)射點(diǎn)A和接收點(diǎn)B為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球體(見圖6-25)?，F(xiàn)設(shè)地面是理想的導(dǎo)電平面，反射波可認(rèn)為是由輻射源的鏡像所輻射，則由鏡像A′所輻射電波的第一費(fèi)涅爾旋轉(zhuǎn)橢球是以A′B為焦點(diǎn)的一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)體，如圖6-36所示。以A′B為焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球體與地面相交處形成一個(gè)以橢圓為邊界的地段(如圖6－36的下部)。它就是對(duì)反射具有實(shí)際意義的主要地段，即圖6-37所示的橢圓。圖

6-35不平坦面的反射圖示

圖

6-36圖

6-37

4)地面反射對(duì)接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的影響由圖6-31可知，到達(dá)接收點(diǎn)的反射波，不僅有由地面反射而引起的相移，還有由波的行程差而引起的相移。反射波的存在及其變化是引起信號(hào)衰落的重要原因之一。因?yàn)?，它的存在就表明存在著兩條傳播路徑，而且是不穩(wěn)定的。這種情形和電離層的多徑效應(yīng)相似。除此而外，對(duì)流層的不均勻和顯著的分層還會(huì)使電波在上空反射，這樣也會(huì)形成多徑效應(yīng)而引起信號(hào)衰落。波長(zhǎng)越短，信號(hào)變化越劇烈。因?yàn)椋ㄩL(zhǎng)短，只要程差有很小的變化，就可能使相位有較大的變化。不過(guò)，總的說(shuō)來(lái)，視距傳播比天波傳播穩(wěn)定。在視距傳播中，克服快衰落的有效辦法仍為分集接收。在視距傳播的空間分集中，通常采用垂直于傳播方向且間隔開的兩個(gè)天線。這是因?yàn)榇髿庠诖怪狈较蛏系淖兓人椒较蜃兓?，天線的間隔大約為100個(gè)波長(zhǎng)左右。

6.大氣對(duì)電波的吸收大氣對(duì)無(wú)線電波的吸收主要有兩方面。一方面是水滴(霧、雨、雪)對(duì)電波的散射使傳播中的電波能量損失；另一方面是氣體分子(水蒸氣、氧)的諧振吸收。由于在電磁場(chǎng)作用下，氣體分子形成帶電的小電偶極子(水分子則原來(lái)就是電偶極子)，它們都有一個(gè)或幾個(gè)自然諧振頻率。如果電波的頻率和它們的自然諧振頻率一致，則將受到強(qiáng)吸收。其作用與電路中的諧振吸收回路相似。但這些吸收一直到10GHz(波長(zhǎng)3cm)都不是很嚴(yán)重。當(dāng)工作頻率高于10GHz時(shí)，大氣吸收就比較顯著了。至于毫米波傳輸系統(tǒng)，還應(yīng)認(rèn)真研究氧分子引起的諧振吸收。圖6－38表示對(duì)流層中電波吸收的情況?？v坐標(biāo)為每千米的衰減分貝數(shù)，

橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)。

圖

6-38對(duì)流層中電波的吸收情況

7.地面與空間對(duì)象的視距傳播

地面與低空移動(dòng)通信對(duì)象(如飛機(jī))之間的視距傳播，和前面所講的地面中繼站之間的視距傳播是一樣的。但因其不受地形限制，所以傳播條件更為有利。衛(wèi)星與地面之間的視距傳播可以認(rèn)為基本上是自由空間的傳播。不同的是距離太遠(yuǎn)，傳播的自然損耗很大。例如同步衛(wèi)星與地面相距36000km，自由空間損耗在190dB左右。因此需要在地面站裝備大功率發(fā)射機(jī)和大的高增益天線，并使用高靈敏度低噪聲接收機(jī)以接收從衛(wèi)星上轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的信號(hào)。地面與空間的通信必須通過(guò)大氣層和電離層。至于電離層，則由于其折射率與電子密度和電波頻率有關(guān)，電波在其中通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生色散，如果傳播的頻帶寬，高低頻率相差大，則色散現(xiàn)象更顯著。因此，色散效應(yīng)對(duì)信道的帶寬有一限制。不僅如此，如果在電離層中通過(guò)的路徑越長(zhǎng)，色散也越嚴(yán)重，對(duì)帶寬的限制也越大。由于電離層有日時(shí)、季節(jié)和年份的變化，因此帶寬限制也與此有關(guān)。圖6-39表示地面-空間通信的帶寬限制。圖中的①是下限，是在太陽(yáng)活動(dòng)性(黑子數(shù))最大年份的夏季白天，且衛(wèi)星處于低仰角時(shí)的情形。這時(shí)電離密度最大，電波穿過(guò)電離層的途徑也最長(zhǎng)，所以帶寬限制也最大。圖中的②為上限，是在太陽(yáng)活動(dòng)性最小年份的冬季黑夜，且衛(wèi)星處于高仰角時(shí)的情形。這時(shí)電離密度最小，電波穿過(guò)電離層路徑最短，所以帶寬限制最小。

圖

6-39地面-空間通信的帶寬限制

6.7散射傳播

1.對(duì)流層散射傳播

超短波的對(duì)流層散射通信是從20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的通信方式。以前人們認(rèn)為高頻電波的繞射能力很弱，在視線距離以外急劇衰減。后來(lái)，在超越視距很遠(yuǎn)的地方觀測(cè)到比繞射強(qiáng)得多的信號(hào)，由此，發(fā)現(xiàn)了散射傳播的方式。圖6-40是幾種傳播方式的衰減情況之比較。

圖

6-40幾種傳播方式的衰減情況

從地面以上直到10～16km高度的低空大氣層稱為對(duì)流層。它是各種天氣的形成區(qū)域，氣流的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)都很活躍。但是在此層中的空氣實(shí)際上不被電離。是什么原因引起無(wú)線電波的散射呢?為回答這一問題提出了幾種不同的理論。但是多數(shù)人認(rèn)為是由于對(duì)流層中有一種不均勻的湍流，它對(duì)無(wú)線電波起散射作用。這種散射場(chǎng)的電平雖然比繞射場(chǎng)高得多，但比視距內(nèi)的直接傳播低得多，使用高增益天線，可以在100～800km的距離上進(jìn)行正常通信，使用的發(fā)射功率約為數(shù)百瓦至幾十千瓦。下面簡(jiǎn)單地說(shuō)明湍流運(yùn)動(dòng)引起散射的機(jī)制。

因地面受熱不均勻，使對(duì)流層區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生向上和向下的氣流和風(fēng)。當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)某一臨界值時(shí)，氣體粒子的運(yùn)動(dòng)失去其穩(wěn)定性，變成了所謂湍流運(yùn)動(dòng)，即帶有旋渦性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。這些渦流不停地起伏變化，使產(chǎn)生的旋渦不斷分裂成較小的旋渦，而后者又分裂成更小的旋渦，如此繼續(xù)下去，直到最小的旋渦在粘著力的作用下消失為止。此時(shí)旋渦的動(dòng)能變成熱能。這一團(tuán)旋渦消失了，又有其他的旋渦產(chǎn)生。于是存在著各種尺寸的旋渦。一般認(rèn)為，對(duì)流層中主要是尺寸為60m以下的湍流。各個(gè)小旋渦的壓強(qiáng)p、溫度T、水汽壓e都不一樣，因此形成很多具有不同折射率，即具有Δn變化的、小的不均勻體。每一個(gè)不均勻體在電波的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，像一個(gè)基本偶極子那樣輻射，即每一個(gè)不均勻體變成一個(gè)二次輻射體，這就是無(wú)線電波在對(duì)流層不均勻體上的散射作用。無(wú)線電波散射的發(fā)生需要在波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于湍流尺寸數(shù)倍的頻率上。因此，對(duì)流層主要對(duì)頻率為100MHz以上的電波發(fā)生散射，對(duì)頻率低于100MHz的電波散射效應(yīng)很小，這也就是對(duì)流層散射主要是用于分米波和厘米波波段的原因。圖6-41是對(duì)流層散射信道簡(jiǎn)圖。發(fā)射天線和接收天線共同照射的區(qū)域稱為“散射體積”。發(fā)射天線向?qū)α鲗拥摹吧⑸潴w積”輻射，接收天線好像在那里收集分布在相當(dāng)大的散射體積上的各個(gè)二次輻射源的散射波。

圖

6-41對(duì)流層散射信道簡(jiǎn)圖

在對(duì)流層散射中，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)是散射體積內(nèi)各點(diǎn)所散射的電波到達(dá)接收點(diǎn)的矢量和，所以它們之間有多徑時(shí)延，因此影響了散射信道的帶寬。多徑時(shí)延的最大值決定于散射體積頂部和底部這兩條路徑的差值。很明顯，一方面，這與散射體積的大小有關(guān)，即與天線的波束寬度有關(guān)。波束越窄，方向性越尖銳，多徑時(shí)延越小。另一方面，通信距離越大，則多徑時(shí)延也越大。所以，通信距離越遠(yuǎn)，天線波束越寬，則多徑時(shí)延越大，信道帶寬也越窄。

表6-7是某一散射電路的多徑時(shí)延和帶寬。

表

6-7某一散射電路的多徑時(shí)延和帶寬

很明顯，這一電路使用的天線方向性不強(qiáng)。如采用波束寬度為1°以下的銳方向性天線，則有可能在300km左右的距離上獲得10～12MHz的信道帶寬。對(duì)流層散射信道的帶寬可近似地由圖6-42的曲線來(lái)估計(jì)。圖上縱坐標(biāo)為帶寬B，單位為MHz；橫坐標(biāo)為通信距離，單位為100km；不同的曲線表示不同的天線波束在垂直平面的寬度α，單位為度(°)。虛線是帶寬的下限。曲線的計(jì)算公式也注明在圖上。大量實(shí)驗(yàn)證明，散射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)與波長(zhǎng)的關(guān)系不大。這樣就可以利用分米波和厘米波，用較小的天線得到較高的增益和窄的波束。由圖6-43可知，波長(zhǎng)為1m和波長(zhǎng)為10cm的場(chǎng)強(qiáng)都是同一數(shù)量級(jí)。厘米波的場(chǎng)強(qiáng)比米波的略低一些，但是由于厘米波的天線有較高的增益，實(shí)際上使用厘米波較為有利。圖中還表示出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)的平均電平。為了比較，圖中還繪出了10cm波長(zhǎng)的繞射值(圖中發(fā)射天線高h(yuǎn)1=36m，接收天線高h(yuǎn)2=21m)。圖

6-42對(duì)流層散射信道帶寬

圖

6-43波長(zhǎng)為1m和10cm時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)及繞射值

對(duì)流層散射信號(hào)有較深的衰落，且有快衰落和慢衰落兩種?？焖ヂ涫怯捎诟鱾€(gè)散射源產(chǎn)生的很多射線的干涉而引起的。慢衰落則是由于散射體積范圍內(nèi)空氣移動(dòng)所造成的氣象條件所引起的。雖然對(duì)流層散射具有衰落特性，但其平均場(chǎng)強(qiáng)值卻是相當(dāng)穩(wěn)定的。它的快衰落具有空間和頻率的選擇性。衰落的空間選擇性表現(xiàn)在相距幾十個(gè)波長(zhǎng)的各點(diǎn)上同時(shí)接收時(shí)，信號(hào)衰落的特性是彼此完全無(wú)關(guān)的。其原因是到達(dá)兩個(gè)不同接收點(diǎn)的無(wú)線電波，它們?cè)谏⑸潴w積中被處于不同地點(diǎn)、不同條件的散射源所散射。

同樣，在同一地點(diǎn)同時(shí)接收由一個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的頻率相差幾百千赫至幾個(gè)兆赫的兩個(gè)無(wú)線電波時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)的衰落也是完全無(wú)關(guān)的。因此，使用空間分集和頻率分集，可以有效地克服衰落，得到較穩(wěn)定的輸出。由于對(duì)流層的溫度、濕度等受晝夜季節(jié)等影響，因此，對(duì)流層散射也有晝夜日時(shí)和季節(jié)的變化。但弱信號(hào)的晝夜變化小，強(qiáng)信號(hào)的晝夜變化相當(dāng)明顯，一般午后較弱。此外，散射傳播的傳輸損耗很大，一般在180dB以上，比自由空間損耗要大30～50dB。所以，為了能有效地通信，必須采用大功率發(fā)射機(jī)、強(qiáng)方向性天線和高靈敏接收機(jī)。

2.電離層散射傳播

在電離層中也會(huì)產(chǎn)生電離的不均勻性，特別是在電離層的下部。這種不均勻性是由于空氣的湍流運(yùn)動(dòng)和電離輻射不均勻而引起的。電離層中也存在著類似的湍流運(yùn)動(dòng)，不過(guò)它的尺寸較對(duì)流層的要大得多。因此，當(dāng)電波投射到這些湍流上時(shí)，也要產(chǎn)生散射，但是較能產(chǎn)生對(duì)流層散射的頻率要低得多，一般是30～100MHz，常用的是40～60MHz。它通常在70～90km的高度散射到接收點(diǎn)去，有時(shí)也可達(dá)到110km左右的高度。因此，一般認(rèn)為電離層散射是在D層和E層的下部發(fā)生的。由于電離層散射高度較高，因此，傳播距離較對(duì)流層散射遠(yuǎn)得多，一個(gè)站距通常在1000km以上，最大可達(dá)2200km左右。它也具有多徑效應(yīng)，而且多徑時(shí)延更大，有時(shí)可達(dá)0.3ms以上。因此，信道帶寬限制較大，只能通1路話(或16路普通電傳印字報(bào))，并有較大的衰落現(xiàn)象。不過(guò)由于它不是靠電離層反射傳播，而是靠電離層中的湍流傳播的，因此當(dāng)電離層擾動(dòng)(例如高空核爆炸)時(shí)，電離層散射信號(hào)不僅不會(huì)中斷，在許多情況下，信號(hào)電平反而可以增高。這是電離層散射的一個(gè)特點(diǎn)。采用這種傳播方式所需的發(fā)射功率較大，約為5kW以上。

3.流星遺跡散射傳播

當(dāng)觀測(cè)由電離層散射傳播的連續(xù)發(fā)射信號(hào)時(shí)，可以看到在均勻起伏的信號(hào)上，時(shí)常出現(xiàn)較強(qiáng)的脈沖，它們的數(shù)目決定于接收機(jī)的靈敏度，如圖6-44所示。這些脈沖是由沖入大氣層的流星造成的空氣電離柱的散射所引起的。

圖

6-44流星引起的散射脈沖信號(hào)

到達(dá)地球大氣層的流星粒子的速度范圍為11.3～72km/s。它們?cè)诖髿庵羞\(yùn)動(dòng)時(shí)由于摩擦而強(qiáng)烈地發(fā)熱，大約在90～110km的高度被燒毀。當(dāng)流星粒子變成氣體狀態(tài)時(shí)，分解出大量的離子，形成細(xì)長(zhǎng)柱形的電離遺跡。開始時(shí)遺跡并不大，大約不超過(guò)幾十厘米。后來(lái)由于擴(kuò)散，體積很快地增大。在空氣流和風(fēng)切變(指方向不定的強(qiáng)風(fēng))的作用下，起初是直柱形的遺跡會(huì)變形而扭曲。

每晝夜大約有幾億個(gè)造成平均長(zhǎng)度為25km電離遺跡的流星沖入地球大氣層中。據(jù)估計(jì)，無(wú)線電波能分辨的單個(gè)電離遺跡是由半徑大于0.008cm，重量超過(guò)10-5g的粒子所造成的。電離遺跡對(duì)電波的散射如圖6-45所示。圖

6-45電離遺跡對(duì)電波的散射

6.8波導(dǎo)傳播當(dāng)天線在顯著分層的界面之間發(fā)射時(shí)，電波在突變面之間來(lái)回反射，最后使其中一部分電磁能量被約束在兩個(gè)界面之間，并以一個(gè)確定的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式向前傳播，這稱為波導(dǎo)的波型傳播。這種傳播波型遵守的相位條件可由圖6-46來(lái)說(shuō)明。圖上表示界面之間的橫截面AB上的P點(diǎn)有一平面波沿θ方向傳播。考慮到式(6-13),可把該平面波的空間相位變化寫為 。這就是說(shuō)，其相位變化有兩個(gè)部分：一個(gè)是沿z軸方向(即傳播方向)的，為 ；另一個(gè)是沿x軸方向(即垂直于界面)的，為圖

6-46波導(dǎo)傳播的相位條件

1.大氣波導(dǎo)在本章6.6節(jié)討論視距傳播涉及到大氣的折射影響時(shí)，我們