《電波傳播概論》PPT課件

7.1電波傳播的基本概念7.2視距傳播7.3天波傳播7.4地面波傳播7.5不均勻媒質(zhì)的散射傳播,第7章電波傳播概論,返回主目錄,8.1概述,8.1.1電磁波譜人類正在觀測(cè)研究和利用的電磁波，其頻率低至千分之幾赫（地磁脈動(dòng)），高達(dá)1030Hz量級(jí)（宇宙射線），相應(yīng)的波長(zhǎng)從1011m短至10-20m以下。按序排列的頻率分布稱為頻譜（或波譜），在整個(gè)電磁波譜中，無線電波頻段（RadioFrequencyBand）的劃分見表811。,表811無線電波頻段的劃分,從電波傳播特性出發(fā)，并考慮到系統(tǒng)技術(shù)問題，頻段的典型應(yīng)用如下：(1)超低頻：典型應(yīng)用為地質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括孕震效應(yīng)）探測(cè)，電離層與磁層研究，對(duì)潛通信，地震電磁輻射前兆檢測(cè)。超低頻由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，因而輻射系統(tǒng)龐大且效率低，人為系統(tǒng)難以建立，主要由太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用、雷電及地震活動(dòng)所激發(fā)。近來在頻段高端已有人為發(fā)射系統(tǒng)用于對(duì)潛艇發(fā)射簡(jiǎn)單指令和地震活動(dòng)中深地層特性變化的檢測(cè)。,(2)極低頻：典型應(yīng)用為對(duì)潛通信，地下通信，極穩(wěn)定的全球通信，地下遙感，電離層與磁層研究。由于頻率低，因而信息容量小，信息速率低（約1bit/s）。該頻段中，垂直極化的天線系統(tǒng)不易建立，并且受雷電干擾強(qiáng)。(3)甚低頻：典型應(yīng)用為Omega(美)、（俄）超遠(yuǎn)程及水下相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，全球電報(bào)通信及對(duì)潛指揮通信，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，地質(zhì)探測(cè)。該波段難于實(shí)現(xiàn)電尺寸高的垂直極化天線和定向天線，傳輸數(shù)據(jù)率低，雷電干擾也比較強(qiáng)。,(4)低頻：典型應(yīng)用為L(zhǎng)oranC（美）及我國(guó)長(zhǎng)河二號(hào)遠(yuǎn)程脈沖相位差導(dǎo)航系統(tǒng)，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞，遠(yuǎn)程通信廣播。該頻段不易實(shí)現(xiàn)定向天線。(5)中頻：用于廣播、通信、導(dǎo)航（機(jī)場(chǎng)著陸系統(tǒng)）。采用多元天線可實(shí)現(xiàn)較好的方向性，但是天線結(jié)構(gòu)龐大。(6)高頻：用于遠(yuǎn)距離通信廣播，超視距天波及地波雷達(dá)，超視距地-空通信。(7)米波：用于語(yǔ)音廣播，移動(dòng)（包括衛(wèi)星移動(dòng)）通信，接力（50km跳距）通信，航空導(dǎo)航信標(biāo)，以及容易實(shí)現(xiàn)具有較高增益系數(shù)的天線系統(tǒng)。,(8)分米波：用于電視廣播，飛機(jī)導(dǎo)航、著陸，警戒雷達(dá)，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng)，蜂窩無線電通信。(9)厘米波：用于多路語(yǔ)音與電視信道，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感，固定及移動(dòng)衛(wèi)星信道。(10)毫米波：用于短路徑通信，雷達(dá)，衛(wèi)星遙感。此波段及以上波段的系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。(11)亞毫米波：用于短路徑通信。,8.1.2幾種主要的電波傳播方式電波傳播特性同時(shí)取決于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和電波特征參量。對(duì)于一定頻率和極化的電波與特定媒質(zhì)條件相匹配，將具有某種占優(yōu)勢(shì)的傳播方式。常用的電波傳播方式分為以下3種。,1.地面波傳播如圖811所示，電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ姆绞綖榈孛娌▊鞑?。此種方式要求天線的最大輻射方向沿著地面，采用垂直極化，工作的頻率多位于超長(zhǎng)、長(zhǎng)、中和短波波段，地面對(duì)電波的傳播有著強(qiáng)烈的影響。這種傳播方式的優(yōu)點(diǎn)是傳播的信號(hào)質(zhì)量好，但是頻率越高，地面對(duì)電波的吸收越嚴(yán)重。,2.天波傳播如圖812所示，發(fā)射天線向高空輻射的電波在電離層內(nèi)經(jīng)過連續(xù)折射而返回地面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式稱為天波傳播。盡管中波、短波都可以采用這種傳播方式，但是仍然以短波為主。它的優(yōu)點(diǎn)是能以較小的功率進(jìn)行可達(dá)數(shù)千千米的遠(yuǎn)距離傳播。天波傳播的規(guī)律與電離層密切相關(guān)，由于電離層具有隨機(jī)變化的特點(diǎn)，因此天波信號(hào)的衰落現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。,3.視距傳播如圖813所示，電波依靠發(fā)射天線與接收天線之間的直視的傳播方式稱為視距傳播。它可以分為地-地視距傳播和地-空視距傳播。視距傳播的工作頻段為超短波及微波波段。此種工作方式要求天線具有強(qiáng)方向性并且有足夠高的架設(shè)高度。信號(hào)在傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波和地面反射波之間的干涉。在幾千兆赫和更高的頻率上，還必須考慮雨和大氣成分的衰減及散射作用。在較高的頻率上，山、建筑物和樹木等對(duì)電磁波的散射和繞射作用變得更加顯著。,除了上述3種基本的傳播方式外，還有散射傳播，如圖814所示。散射傳播是利用低空對(duì)流層、高空電離層下緣的不均勻的“介質(zhì)團(tuán)”對(duì)電波的散射特性來達(dá)到傳播目的的。散射傳播的距離可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地-地視距傳播的視距。對(duì)流層散射主要用于100MHz10GHz頻段，傳播距離r1000km。散射通信的主要優(yōu)點(diǎn)是距離遠(yuǎn)，抗毀性好，保密性強(qiáng)。在各種傳播方式中，媒質(zhì)的電參數(shù)（包括介電常數(shù),磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率）的空間分布和時(shí)間變化及邊界狀態(tài)，是傳播特性的決定性因素。,7.1電波傳播的基本概念1.無線電波在自由空間的傳播天線置于自由空間中,假設(shè)發(fā)射天線是一理想的無方向性天線,若它的輻射功率為P瓦,則離開天線r處的球面上的功率流密度為S0=功率流密度又可以表示為,由此,離天線為r處的電場(chǎng)強(qiáng)度E0值為,又假設(shè)發(fā)射天線是一實(shí)際天線,其輻射功率仍為P,設(shè)它的輸入功率為Pi,若以Gi表示實(shí)際天線的增益系數(shù),則在離實(shí)際天線r處的最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)為,如果接收天線的增益系數(shù)為GR,有效接收面積為Ae,則在距離發(fā)射天線r處的接收天線所接收的功率為,將輸入功率與接收功率之比定義為自由空間的基本傳輸損耗:,將上式取對(duì)數(shù)得,【例821】設(shè)微波中繼通信的段距為r=50km,工作波長(zhǎng)為7.5cm，收發(fā)天線的增益系數(shù)都為45dB，饋線及分路系統(tǒng)一端損耗為3.6dB，該路徑的衰減因子A=0.7。若發(fā)射天線的輸入功率為10W，求其收信電平。Lb=32.45+20lgr(km)+20lgf(cm)=121.98+20lgr(km)-20lg(cm)=121.98+20lg50-20lg7.5=121.98+33.98-17.5=138.46dB,于是考慮到饋線及分路系統(tǒng)一端損耗后，該電道的總傳輸損耗Lbf為L(zhǎng)bf=L0+LF-GR-Gi+23.6=138.46-20lg0.7-245+23.6=58.8dB因發(fā)射天線的輸入功率為Pin=10W=40dBm。（注：dBm為分貝毫瓦）,于是收信電平即接收天線的輸出功率為PL=Pin-Lbf=40-58.8=-18.8dBm,由上式可見:若不考慮天線的因素,則自由空間中的傳輸損耗,是球面波在傳播的過程中隨著距離的增大，能量自然擴(kuò)散而引起的,它反映了球面波的擴(kuò)散損耗。2.傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響(1)傳輸損耗（信道損耗）電波在實(shí)際的媒質(zhì)（信道）中傳播時(shí)是有能量損耗的。這種能量損耗可能是由于大氣對(duì)電波的吸收或散射引起的,也可能是由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射而引起的。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線、輸入功率和接收天線都相同的情況下,設(shè)接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)E、功率PR，而自由空間的場(chǎng)強(qiáng)為E0、功率為PR，則信道的衰減因子A為,則傳輸損耗Lb為,若不考慮天線的影響,即令Gi=GR=1,則實(shí)際的傳輸損耗為,式中,前三項(xiàng)為自由空間損耗Lbf；A為實(shí)際媒質(zhì)的損耗。不同的傳播方式、傳播媒質(zhì),信道的傳輸損耗不同。,(2)衰落現(xiàn)象所謂衰落,一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。根據(jù)引起衰落的原因分類,大致可分為吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化,使得信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的。如大氣中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、霧、雨、雪等都對(duì)電波有吸收作用。由于氣象的隨機(jī)性,這種吸收的強(qiáng)弱也有起伏,形成信號(hào)的衰落。由這種原因引起的信號(hào)電平的變化較慢,所以稱為慢衰落,如圖71(a)所示。慢衰落通常是指信號(hào)電平的中值（五分鐘中值、小時(shí)中值、月中值等）在較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的起伏變化。,圖71衰落現(xiàn)象,干涉型衰落主要是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。在某些傳輸方式中,由于收、發(fā)兩點(diǎn)間存在若干條傳播路徑,典型的如天波傳播、不均勻媒質(zhì)傳播等，在這些傳播方式中,傳輸媒質(zhì)具有隨機(jī)性,因此使到達(dá)接收點(diǎn)的各路徑的時(shí)延隨機(jī)變化,致使合成信號(hào)幅度和相位都發(fā)生隨機(jī)起伏。這種起伏的周期很短,信號(hào)電平變化很快,故稱為快衰落,如圖7-1(b)所示。這種衰落在移動(dòng)通信信道中表現(xiàn)得更為明顯?？焖ヂ浏B加在慢衰落之上。在較短的時(shí)間內(nèi)觀察時(shí),前者表現(xiàn)明顯,后者不易被察覺。信號(hào)的衰落現(xiàn)象嚴(yán)重地影響電波傳播的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）來加以克服。,(3)傳輸失真無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外,還會(huì)產(chǎn)生失真振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè):一是媒質(zhì)的色散效應(yīng),二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。色散效應(yīng)是由于不同頻率的無線電波在媒質(zhì)中的傳播速度有差別而引起的信號(hào)失真。載有信號(hào)的無線電波都占據(jù)一定的頻帶,當(dāng)電波通過媒質(zhì)傳播到達(dá)接收點(diǎn)時(shí),由于各頻率成分傳播速度不同,因而不能保持原來信號(hào)中的相位關(guān)系,引起波形失真。至于色散效應(yīng)引起信號(hào)畸變的程度,則要結(jié)合具體信道的傳輸情況而定。,多徑傳輸也會(huì)引起信號(hào)畸變。這是因?yàn)闊o線電波在傳播時(shí)通過兩個(gè)以上不同長(zhǎng)度的路徑到達(dá)接收點(diǎn),接收天線檢拾的信號(hào)是幾個(gè)不同路徑傳來的電場(chǎng)強(qiáng)度之和。設(shè)接收點(diǎn)的場(chǎng)是兩條路徑傳來的相位差為=的兩個(gè)電場(chǎng)的矢量和。最大的傳輸時(shí)延與最小的傳輸時(shí)延的差值定義為多徑時(shí)延。對(duì)所傳輸信號(hào)中的每個(gè)頻率成分,相同的值引起不同的相差。例如對(duì)f1，若1=1=,則因二矢量反相抵消,此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)最小值；而對(duì)f2,若2=2=2,則因二矢量同相相加,此分量的合成場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)最大值，如圖72(b)所示。其余各成分依次類推。顯然,若信號(hào)帶寬過大,就會(huì)引起較明顯的失真。所以一般情況下,信號(hào)帶寬不能超過1/。因此，引入相關(guān)帶寬的概念，定義相關(guān)帶寬:,圖7-2多徑傳輸效應(yīng),(4)電波傳播方向的變化當(dāng)電波在無限大的均勻、線性媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí),射線是沿直線傳播的。然而電波傳播實(shí)際所經(jīng)歷的空間場(chǎng)所是復(fù)雜多樣的:不同媒質(zhì)的分界處將使電波折射、反射;媒質(zhì)中的不均勻體如對(duì)流層中的湍流團(tuán)將使電波產(chǎn)生散射;球形地面和障礙物將使電波產(chǎn)生繞射;特別是某些傳輸媒質(zhì)的時(shí)變性使射線軌跡隨機(jī)變化,使得到達(dá)接收天線處的射線入射角隨機(jī)起伏,使接收信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落。因此,在研究實(shí)際傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響問題時(shí),電波傳播方向的變化也是重要內(nèi)容之一。,7.2視距傳播,所謂視距傳播,是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看見的視線距離內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信以及雷達(dá)等都可以采用這種傳播方式。它主要用于超短波和微波波段的電波傳播。1.視線距離設(shè)發(fā)射天線高度為h1、接收天線高度為h2（圖7-3）,由于地球曲率的影響,當(dāng)兩天線A、B間的距離rrv時(shí),兩天線互相“看得見”,當(dāng)rrv時(shí),圖7-3視線距離,兩天線互相“看不見”,距離rv為收、發(fā)天線高度分別為h2和h1時(shí)的視線極限距離,簡(jiǎn)稱視距。圖73中,AB與地球表面相切,a為地球半徑,由圖可得到以下關(guān)系式:,將地球半徑a=6.370106m代入上式,即有,式中，h1和h2的單位為米。視距傳播時(shí),電波是在地球周圍的大氣中傳播的,大氣對(duì)電波產(chǎn)生折射與衰減。由于大氣層是非均勻媒質(zhì),其壓力、溫度與濕度都隨高度而變化,大氣層的介電常數(shù)是高度的函數(shù)。,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,大氣層的介電常數(shù)r隨高度增加而減小，并逐漸趨近于1,因此大氣層的折射率n=隨高度的增加而減小。若將大氣層分成許多薄片層,每一薄層是均勻的,各薄層的折射率n隨高度的增加而減小。這樣當(dāng)電波在大氣層中依次通過每個(gè)薄層界面時(shí),射線都將產(chǎn)生偏折,因而電波射線形成一條向下彎曲的弧線，如圖74所示。當(dāng)考慮大氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響時(shí),視距公式應(yīng)修正為,在光學(xué)上,rrv的區(qū)域稱為照明區(qū),rrv的區(qū)域稱為陰影區(qū)。,圖74大氣層對(duì)電波的折射,于電波頻率遠(yuǎn)低于光學(xué)頻率,故不能完全按上述幾何光學(xué)的觀點(diǎn)劃分區(qū)域。通常把r0.8rv的區(qū)域稱為照明區(qū),將r1.2rv的區(qū)域稱為陰影區(qū),而把0.8rvr1.2rv的區(qū)域稱為半照明半陰影區(qū)。2.大氣對(duì)電波的衰減大氣對(duì)電波的衰減主要來自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)電波的諧振吸收。熱吸收與小水滴的濃度有關(guān),諧振吸收與工作波長(zhǎng)有關(guān)。另一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射,散射衰減與小水滴半徑的六次方成正比,與波長(zhǎng)的四次方成反比。,當(dāng)工作波長(zhǎng)短于5cm時(shí),就應(yīng)該考慮大氣層對(duì)電波的衰減,尤其當(dāng)工作波長(zhǎng)短于3cm時(shí),大氣層對(duì)電波的衰減將趨于嚴(yán)重。就云、霧、雨、雪對(duì)微波傳播的影響來說,降雨引起的衰減最為嚴(yán)重,對(duì)10千兆赫以上的頻率,由降雨引起的電波衰減在大多數(shù)情況下是可觀的。因此在地面和衛(wèi)星通信線路的設(shè)計(jì)中都要考慮由降雨引起的衰減。3.場(chǎng)分析在視距傳播中,除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外,還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波，如圖75所示。因此接收天線處的場(chǎng)是直射波與反射波的疊加。,圖75直射波與反射波,設(shè)h1為發(fā)射天線高度,h2為接收天線高度,d為收、發(fā)天線間距,E為接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng),E1為直射波,E2為反射波。根據(jù)上面的分析,接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為E=E1+E2,E1=E0f(),E2=RE0f(),式中,R為反射點(diǎn)處的反射系數(shù),R=|R|ej,f()為天線方向函數(shù)。如果兩天線間距離dh1,h2,則有,=,式中，,而,將其代入式（727）得,當(dāng)?shù)孛骐妼?dǎo)率為有限值時(shí),若射線仰角很小,則有RHRV1,式中,RH為水平極化波的反射系數(shù);RV垂直極化波的反射系數(shù)。對(duì)于視距通信電路來說,電波的射線仰角是很小的（通常小于1）,所以有,由上式可得到下列結(jié)論:當(dāng)工作波長(zhǎng)和收、發(fā)天線間距不變時(shí),接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨天線高度h1和h2的變化而在零值與最大值之間波動(dòng)，如圖76所示。當(dāng)工作波長(zhǎng)和兩天線高度h1和h2都不變時(shí),接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨兩天線間距的增大而呈波動(dòng)變化,間距減小，波動(dòng)范圍減小，如圖77所示。,圖76接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨天線高度的變化曲圖77接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨間距d的變化曲線,當(dāng)兩天線高度h1和h2和間距d不變時(shí),接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長(zhǎng)呈波動(dòng)變化，如圖78所示?？傊?在微波視距通信設(shè)計(jì)中,為使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路徑的設(shè)計(jì)和選擇時(shí),要盡可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波場(chǎng)強(qiáng)削弱或改變反射波的傳播方向,使其不能到達(dá)接收點(diǎn),以保證接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定。,圖78接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)隨工作波長(zhǎng)的變化曲線,7.3天波傳播,天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式,有時(shí)也稱電離層電波傳播,主要用于中波和短波波段。1.電離層概況電離層是地球高空大氣層的一部分,從離地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于電離層電子密度不是均勻分布的,因此,按電子密度隨高度的變化相應(yīng)地分為D,E,F1,F2四層,每一個(gè)區(qū)域的電子濃度都有一個(gè)最大值,如圖7-9所示。電離層主要是太陽(yáng)的紫外輻射形成的,因此其電子密度與日照密切相關(guān)白天大,晚間小,而且晚間D層消失;電離層電子密度又隨四季不同而發(fā)生變化。除此之外,太陽(yáng)的騷動(dòng)與黑子活動(dòng)也對(duì)電離層電子密度產(chǎn)生很大影響。,圖7-9電離層電子密度的高度分布,2.無線電波在電離層中的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法,可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,但彼此是不等的。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)可求得自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為,其折射率為,式中,f為電波的頻率。,當(dāng)電波入射到空氣電離層界面時(shí),由于電離層折射率小于空氣折射率,折射角大于入射角,射線要向下偏折。當(dāng)電波進(jìn)入電離層后,由于電子密度隨高度的增加而逐漸減小,因此各薄片層的折射率依次變小,電波將連續(xù)下折,直至到達(dá)某一高度處電波開始折回地面?？梢?電離層對(duì)電波的反射實(shí)質(zhì)上是電波在電離層中連續(xù)折射的結(jié)果。,如圖7-10,在各薄片層間的界面上連續(xù)應(yīng)用折射定律可得n0sin0=n1sin1=nisini,式中,n0為空氣折射率,n0=1,0為電波進(jìn)入電離層時(shí)的入射角。設(shè)電波在第i層處到達(dá)最高點(diǎn),然后即開始折回地面,則將i=90代入上式得,圖710電離層對(duì)電波的連續(xù)折射,上式揭示了天波傳播時(shí),電波頻率f(Hz)與入射角0和電波折回處的電子密度Ni（電子數(shù)/m3）三者之間的關(guān)系。由此引入下列幾個(gè)概念:（1）最高可用頻率由式（7-3-5）可求得當(dāng)電波以0角度入射時(shí),電離層能把電波“反射”回來的最高可用頻率為,式中,Nmax為電離層的最大電子密度。也就是說,當(dāng)電波入射角0一定時(shí),隨著頻率的增高,電波反射后所到達(dá)的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)電波工作頻率高于fmax時(shí),由于電離層不存在比Nmax更大的電子密度,因此電波不能被電離層“反射”回來而穿出電離層，見圖7-11所示,這正是超短波和微波不能以天波傳播的原因。（2）天波靜區(qū)由式（7-3-4）可得電離層能把頻率為f(Hz)的電波“反射”回來的最小入射角0min為,圖7110一定而頻率不同時(shí)的射線,這就是說，當(dāng)電波頻率一定時(shí),射線對(duì)電離層的入射角0越小,電波需要到達(dá)電子濃度較高的地方才能被反射回來,且通信距離越近，如圖7-12的曲線“1”、“2”所示；但當(dāng)0繼續(xù)減小時(shí),通信距離變遠(yuǎn),如圖7-12中的曲線“3”;當(dāng)入射角00min時(shí),則電波能被電離層“反射”回來所需的電子密度超出實(shí)際存在的Nmax值,于是電波穿出電離層,如圖7-12中的曲線“4”。由于入射角00min的電波不能被電離層“反射”回來,使得以發(fā)射天線為中心的、一定半徑的區(qū)域內(nèi)就不可能有天波到達(dá),從而形成了天波的靜區(qū)。,圖712頻率一定時(shí)通信距離與入射角的關(guān)系,（3）多徑效應(yīng)由于天線射向電離層的是一束電波射線,各根射線的入射角稍有不同,它們將在不同的高度上被“反射”回來,因而有多條路徑到達(dá)接收點(diǎn)（圖7-13）,這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。電離層的電子密度隨氣候不時(shí)發(fā)生起伏,引起各射線路徑也不時(shí)變化,這樣,各射線間的波程差也不斷變化,從而使接收點(diǎn)的合成場(chǎng)的大小發(fā)生波動(dòng),這種由多徑傳輸引起的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的起伏變化稱為多徑效應(yīng)。正如本章前面所述,多徑效應(yīng)造成了信號(hào)的衰落。（4）最佳工作頻率fopt電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)將耗散電波的能量,使電波發(fā)生衰減,但電離層對(duì)電波的吸收主要是D層和E層。,圖713多徑效應(yīng),因此，為了減小電離層對(duì)電波的吸收,天波傳播應(yīng)盡可能采用較高的工作頻率。然而當(dāng)工作頻率過高時(shí),電波需到達(dá)電子密度很大的地方才能被“反射”回來,這就大大增長(zhǎng)了電波的電離層中的傳播距離,隨之也增大了電離層對(duì)電波的衰減。為此,通常取最佳工作頻率fopt為fopt=0.85fmax還需要注意的是,電離層的D層對(duì)電波的吸收是很嚴(yán)重的,夜晚,D層消失,致使天波信號(hào)增強(qiáng),這正是晚上能接收到更多短波電臺(tái)的原因?？傊?天波通信具有以下特點(diǎn):,頻率的選擇很重要,頻率太高,電波穿透電離層射向太空;頻率太低,電離層吸收太大,以致不能保證必要的信噪比。因此，通信頻率必須選擇在最佳頻率附近。而這個(gè)頻率的確定,不僅與年、月、日、時(shí)有關(guān),還與通信距離有關(guān)。同樣的電離層狀況,通信距離近的,最高可用頻率低,通信距離遠(yuǎn)的,最高可用頻率高。顯然,為了通信可靠,必須在不同時(shí)刻使用不同的頻率。但為了避免換頻的次數(shù)太多,通常一日之內(nèi)使用兩個(gè)（日頻和夜頻）或三個(gè)頻率。天波傳播的隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重,多徑時(shí)延較大,信道帶寬較窄。因此,對(duì)傳輸信號(hào)的帶寬有很大限制,特別是對(duì)于數(shù)字通信來說,為了保證通信質(zhì)量,在接收時(shí)必須采用相應(yīng)的抗多徑措施。,天波傳播不太穩(wěn)定,衰落嚴(yán)重,在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮衰落影響,使電路設(shè)計(jì)留有足夠的電平余量。電離層所能反射的頻率范圍是有限的,一般是短波范圍。由于波段范圍較窄,因此短波電臺(tái)特別擁擠,電臺(tái)間的干擾很大，尤其是夜間；由于電離層吸收減小,電波傳播條件有所改善,臺(tái)間干擾更大。由于天波傳播是靠高空電離層的反射,因而受地面的吸收及障礙物的影響較小,也就是說這種傳播方式的傳輸損耗較小,因此能以較小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。天波通信,特別是短波通信,建立迅速，機(jī)動(dòng)性好,設(shè)備簡(jiǎn)單,是短波天波傳播的優(yōu)點(diǎn)之一。,7.4地面波傳播,無線電波沿地球表面?zhèn)鞑サ膫鞑シ绞椒Q為地面波傳播,當(dāng)天線低架于地面,且最大輻射方向沿地面時(shí),這時(shí)主要是地面波傳播。在長(zhǎng)、中波波段和短波的低頻段（103106Hz)均可用這種傳播方式。設(shè)有一直立天線架設(shè)于地面之上,輻射的垂直極化波沿地面?zhèn)鞑r(shí),若大地是理想導(dǎo)體,則接收天線接收到的仍是垂直極化波（圖7-14）。實(shí)際上,大地是非理想導(dǎo)電媒質(zhì),垂直極化波的電場(chǎng)沿地面?zhèn)鞑r(shí),就在地面感應(yīng)出與其一起移動(dòng)的正電荷,進(jìn)而形成電流,從而產(chǎn)生歐姆損耗,造成大地對(duì)電波的吸收;并沿地表面形成較小的電場(chǎng)水平分量,致使波前傾斜,并變?yōu)闄E圓極化波,如圖7-15所示。顯然,波前的傾斜程度反映了大地對(duì)電波的吸收程度。,圖714理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu),圖715非理想導(dǎo)電地面的場(chǎng)結(jié)構(gòu),從以上知識(shí)可以得到如下結(jié)論:垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí),由于大地對(duì)電波能量的吸收作用,產(chǎn)生了沿傳播方向的電場(chǎng)縱向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小來說明傳播損耗的情況。當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高,Ez1越大,說明傳播損耗越大。因此,地面波傳播主要用于長(zhǎng)、中波傳播,短波和米波小型電臺(tái)采用這種傳播方式工作時(shí),只能進(jìn)行幾千米或十幾千米的近距離通信。海水的電導(dǎo)率比陸地的高,因此在海面上要比陸地上傳得遠(yuǎn)的多。地面波的波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電波中具有實(shí)用意義。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天線接收較為適宜。但在某些場(chǎng)合,由于受到條件的限制,也可以采用低架水平天線接收。,地面波由于地表面的電性能及地貌、地物等并不隨時(shí)間很快地變化,并且基本上不受氣候條件的影響,因此信號(hào)穩(wěn)定,這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該指出,地面波的傳播情況與電波的極化形式有很大關(guān)系。大多數(shù)地質(zhì)情況下,大地的磁導(dǎo)率0,很難存在橫電波模式，因此關(guān)于地面波的討論都是針對(duì)橫磁波模式的。根據(jù)橫磁波存在的各場(chǎng)分量Ex1,Ez1,Hy1,其電場(chǎng)分量在入射平面內(nèi),故稱為垂直極化波。換句話說,只有垂直極化波才能進(jìn)行地面波傳播。,7.5不均勻媒質(zhì)的散射傳播,除了上述三種基本傳輸方式外,還有散射波傳播。電波在低空對(duì)流層或高空電離層下緣遇到不均勻的“介質(zhì)團(tuán)”時(shí)就會(huì)發(fā)生散射,散射波的一部分到達(dá)接收天線處（圖7-16）,這種傳播方式稱為不均勻媒質(zhì)的散射傳播。電離層散射主要用于30100MHz頻段,對(duì)流層散射主要用于100MHz以上頻段。就其傳播機(jī)理而言,電離層散射傳播與對(duì)流層散射傳播有一定的相似性；就其應(yīng)用廣度來說,電離層散射傳播不如對(duì)流層散射傳播方式應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)以對(duì)流層散射為例簡(jiǎn)單介紹不均勻媒質(zhì)的散射傳播的原理。,圖716不均勻媒質(zhì)傳播,對(duì)流層是大氣的最低層,通常是指從地面算起至高達(dá)135千米的區(qū)域,在太陽(yáng)的輻射下，受熱的地面通過大氣的垂直對(duì)流作用,對(duì)流層升溫。一般情況下,對(duì)流層的溫度、壓強(qiáng)、濕度不斷變化,在渦旋氣團(tuán)內(nèi)部及其周圍的介電常數(shù)有隨機(jī)的小尺度起伏,形成了不均勻的介質(zhì)團(tuán)。當(dāng)超短波、短波投射到這些不均勻體時(shí),就在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流,成為一個(gè)二次輻射源,將入射的電磁能量向四面八方再輻射。于是電波就到達(dá)不均勻介質(zhì)團(tuán)所能“看見”但電波發(fā)射點(diǎn)卻不能“看見”的超視距范圍。電磁波的這種無規(guī)則、無方向的輻射,即為散射,相應(yīng)的介質(zhì)團(tuán)稱為散射體,如圖7-16所示。對(duì)于任一固定的接收點(diǎn)來說,其接收?qǐng)鰪?qiáng)就是收發(fā)雙方都能“看見”的那部分空間收、發(fā)天線波束相交的公共體積中的所有散射體的總和。通過上述分析,可以看出對(duì)流層散射傳播具有下列特點(diǎn):,由于散射波相當(dāng)微弱,即傳輸損耗很大（包括自由空間傳輸損耗、散射損耗、大氣吸收損耗及來自天線方面的損耗,一般超過200dB）,因此對(duì)流層散射通信要采用大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度接收機(jī)和高增益天線。由于湍流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),散射體是隨機(jī)變化的,它們之間在電性能上是相互獨(dú)立的,因而它們對(duì)接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)影響是隨機(jī)的。這種隨機(jī)多徑傳播現(xiàn)象,使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的快衰落。這種快衰落一般通過采用分集接收技術(shù)來克服。這種傳播方式的優(yōu)點(diǎn)是:容量大,可靠性高,保密性好,單跳跨距達(dá)300800km,一般用于無法建立微波中繼站的地區(qū),如用于海島之間或跨越湖泊、沙漠、雪山等地區(qū)。,中波,中波通常在E層反射，但在白天，由于D層吸收大，使大部分中波不能用天波傳播，而依靠地面波傳播；而在夜晚，D層消失，吸收較小，所以夜間中波既可利用地面波又可利用天波傳播。波長(zhǎng)為2000200m（頻率為150kHz1.5MHz）的中波主要用于廣播業(yè)務(wù)，故此分波段又稱廣播波段。由于上述原因，中波波段的廣播電臺(tái)信號(hào)晚上比白天多。根據(jù)廣播波段的傳播特性，通?？砂淳嚯x遠(yuǎn)近將電波收聽質(zhì)量分為三個(gè)服務(wù)區(qū)，如圖所示。,（1）主要服務(wù)區(qū)（良好接收區(qū)）離發(fā)射臺(tái)較近地區(qū)。此區(qū)域接收的電波以地面波為主，即使在夜間，地面波場(chǎng)強(qiáng)也遠(yuǎn)大于天波場(chǎng)強(qiáng)，故白天和夜間，此區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)都很強(qiáng)，所以接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定，沒有明顯的衰落，不受太陽(yáng)的影響，稱為良好接收區(qū)，是廣播電臺(tái)的主要服務(wù)區(qū)。此服務(wù)區(qū)的半徑?jīng)Q定于發(fā)射機(jī)功率、發(fā)射天線的方向性以及地面的導(dǎo)電性質(zhì)。頻率愈高，地面波傳播損耗愈大，作用距離半徑將減小。（2）衰落區(qū)稍遠(yuǎn)地區(qū)。距離進(jìn)一步增大則地面波場(chǎng)強(qiáng)逐漸減弱。如果輻射功率大于幾十千瓦，則在150300km的距離范圍內(nèi)，地面波仍有一定強(qiáng)度。在白天因?yàn)闆]有天波，較弱的地面波仍然比較穩(wěn)定，只要接收機(jī)靈敏度足夠高，仍能滿意地收聽。到了夜間，出現(xiàn)了電離層反射的天波，由于電離層的電子密度的隨機(jī)變化，使得天波傳播的射線行程也隨之變化，因此，天波和地面波的干涉作用，使得合成場(chǎng)強(qiáng)形成干涉性衰落，此區(qū)域稱為衰落區(qū)。防止衰落的積極措施，是發(fā)射天線采用抗衰落天線，即設(shè)法使天線沿低仰角方向集中輻射，盡量減小天波輻射。,（3）次要服務(wù)區(qū)很遠(yuǎn)地區(qū)。此區(qū)域地面波已經(jīng)消失，只有在晚上才能收到較強(qiáng)的天波信號(hào)，稱為廣播電臺(tái)的次要服務(wù)區(qū)。這個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)是白天收不到遠(yuǎn)距離的廣播電臺(tái)信號(hào)，而在夜晚，由于天波傳播損耗減小，故可以收到信號(hào)，這就是為什么中波波段的廣播信號(hào)到夜晚突然增多的原因。夜間E層的電子密度與太陽(yáng)無關(guān)，所以中波天波受太陽(yáng)活動(dòng)性影響小，如太陽(yáng)黑子數(shù)的變化對(duì)中波天波傳播的影響很小，夜間也不會(huì)發(fā)生電離層的突然騷擾，場(chǎng)強(qiáng)隨季節(jié)的變化也很小。,短波,短波利用天波傳播時(shí)，由于電離層的吸收隨著頻率的升高而減小，故能以較小功率借助電離層反射完成遠(yuǎn)距離傳播，可以傳播到幾百到一二萬(wàn)千米的距離，甚至環(huán)球傳播。當(dāng)電波以與地球表面相切的方向即射線仰角為零度的方向發(fā)射時(shí)，可以得到電波經(jīng)電離層一次反射（稱一跳）時(shí)最長(zhǎng)的地面距離。