廣電局講義培訓(xùn) 電磁場知識培訓(xùn) 各波段電波傳播方式和特點(diǎn)

1、一電磁場基本性質(zhì)：1電場和磁場：靜止電荷產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于帶電體有力的作用，這種場稱為電場。不隨時(shí)間變化的電場稱為靜電場。運(yùn)動電荷或電流產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于磁鐵和載流導(dǎo)體有力的作用，這種物質(zhì)稱為磁場。不隨時(shí)間變化的磁場稱為恒定磁場。2. 電磁波及麥克斯韋方程： 如果電荷及電流均隨時(shí)間改變，它們產(chǎn)生的電場及磁場也是隨時(shí)變化的，時(shí)變的電場與時(shí)變的磁場可以相互轉(zhuǎn)化，兩者不可分割，它們構(gòu)成統(tǒng)一的時(shí)變電磁場。時(shí)變電場與時(shí)變磁場之間的相互轉(zhuǎn)化作用，在空間形成了電磁波。靜電場與恒定磁場相互無關(guān)、彼此獨(dú)立，可以分別進(jìn)行研究。 3. 物質(zhì)屬性 電磁場與電磁波雖然不能親眼所見，但是客觀存在的一種物質(zhì)，因?yàn)樗哂形镔|(zhì)

2、的 兩種重要屬性：能量和質(zhì)量。但電磁場與電磁波的質(zhì)量極其微小，因此，通常僅研究電磁場與電磁波的能量特性。電磁場與電磁波既然是一種物質(zhì)，它的存在和傳播無需依賴于任何媒質(zhì)。在沒有物質(zhì)存在的真空環(huán)境中，電磁場與電磁波的存在和傳播會感到更加“自由”。因此對于電磁場與電磁波來說，真空環(huán)境通常被稱為“自由空間”。 當(dāng)空間存在媒質(zhì)時(shí)，在電磁場的作用下媒質(zhì)中會發(fā)生極化與磁化現(xiàn)象，結(jié)果在媒質(zhì)中又產(chǎn)生二次電場及磁場，從而改變了媒質(zhì)中原先的場分布，這就是場與媒質(zhì)的相互作用現(xiàn)象。4. 歷史的回顧與電磁場與波的應(yīng)用公元前600年希臘人發(fā)現(xiàn)了摩擦后的琥珀能夠吸引微小物體；公元前300年我國發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的現(xiàn)象；后來人們發(fā)

3、現(xiàn)了地球磁場的存在。1785年法國科學(xué)家?guī)靵觯?7361806）通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建了著名的庫侖定律。1820年丹麥人奧斯特（17771851）發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生的磁場。同年法國科學(xué)家安培（17751836）計(jì)算了兩個(gè)電流之間的作用力。1831年英國科學(xué)家法拉第（17911867）發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，創(chuàng)建了電磁感應(yīng)定律，說明時(shí)變磁場可以產(chǎn)生時(shí)變電場。1873年英國科學(xué)家麥克斯韋（18311879）提出了位移電流的假設(shè)，認(rèn)為時(shí)變電場可以產(chǎn)生時(shí)變磁場，并以嚴(yán)格數(shù)學(xué)方程描述了電磁場與波應(yīng)該遵循的統(tǒng)一規(guī)律，這就是著名的麥克斯韋方程。該方程說明了時(shí)變電場可以產(chǎn)生時(shí)變磁場，同時(shí)又表明時(shí)變磁場可以產(chǎn)生時(shí)變電場，因此麥克斯

4、韋預(yù)言電磁波的存在，后來在1887年被德國物理學(xué)家赫茲（18571894）的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在這個(gè)基礎(chǔ)上俄國的波波夫及意大利的馬可尼于19世紀(jì)末先后發(fā)明了用電磁波作為媒體傳輸信息的技術(shù)。 靜電復(fù)印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術(shù)都是基于靜電場對于帶電粒子具有力的作用。電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等，都是利用磁場力的作用。當(dāng)今的無線通信、廣播、雷達(dá)、遙控遙測、微波遙感、無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術(shù)都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。以上新技術(shù)的廣泛應(yīng)用又促進(jìn)了電磁理論的發(fā)展。由此創(chuàng)建了很多分析電磁場與波的新方法，研制了很多電磁性能優(yōu)越的新材料。特別是隨著大容量的高性能及高速度計(jì)

5、算機(jī)出現(xiàn)，不但解決了很多電磁理論的計(jì)算問題，同時(shí)也萌生了計(jì)算電磁場與波的新方法，從而形成計(jì)算電磁學(xué)的新學(xué)科，它是當(dāng)今電磁學(xué)的重要分支。 二大氣層結(jié)構(gòu)及其電磁特性2.1 大氣層的不同分類地球大氣層分為低層（約千里以下）和高層，整個(gè)大氣層的垂直結(jié)構(gòu)可按不同的方式劃分，其中按溫度劃分：對流層、平流層、中層、熱層、和逃逸層按成分劃分：均勻?qū)?、非均勻?qū)?、氫層和質(zhì)子層按電磁性劃分：中性大氣層（從對流層到平流層）、電離層和磁層（參圖一）下面著重討論對流層、平流層、電離層和磁層的組成和電磁特性圖一地球大氣層的一種劃分2.2 對流層的組成及對流層與大氣三要素的關(guān)系對流層是靠近地球表面大氣的最低層,主要成份是氮、

6、氧、氫、二氧化碳和水汽混合物，是具有旋轉(zhuǎn)氣團(tuán)、各種云層、暖鋒、冷鋒、雨雪和風(fēng)暴活動的湍動區(qū),平均高度為11千米,呈中性狀態(tài)。它對超短波和微波傳播的影響甚大，主要表現(xiàn)為對電波的折射衰減和散射，其折射率n和折射指數(shù)n受溫度、壓強(qiáng)、濕度氣象三要素的控制，對其它波段的無線電波，可將對流層視為自由空間處理。 2.3 平流層的性質(zhì)平流層是指從對流層頂?shù)?0km高度的大氣層。平流層中各分層排列有序并不混合，20km以下的平流層的溫度基本保持不變,所以又稱為同溫層。在20-50km高度范圍內(nèi)，其溫度在逐漸升高，到達(dá)50km約的最大值。除臭氧外，這一區(qū)域中的大氣化學(xué)成分基本恒定不變。臭氧能吸收太陽的紫外輻射，然

7、后向平流層釋放熱量，使大氣層維持熱平衡，另外臭氧還能吸收太陽紫外輻射，對地球的生態(tài)環(huán)境和生命活動起著巨大的保護(hù)作用。2.4 電離層的形成、結(jié)構(gòu)、成分電離層是中性大氣層和磁層之間的過渡區(qū)域，稀薄的大氣受太陽輻射的紫外線，x射線和各種微粒輻射的作用，電離為自由電子和離子,加之電離作用較快,復(fù)合作用較慢,致使電離層中存在的自由電子和離子,數(shù)量上足以影響無線電波的傳播,一般認(rèn)為其高度大約從60千米延伸到1000千米左右,其中電子密度變化達(dá)四個(gè)量級,在某些簡化假設(shè)下,查普曼從電離與復(fù)合平衡出發(fā)提出了電離層的簡單形成理論(a、大氣僅由一種成分的氣體組成，且為平面分層。b、太陽光為平行的單色輻射。c、大氣處

8、于平衡和等溫狀態(tài)。d、重力加速度不隨高度變化),電離層的結(jié)構(gòu)為d層：高度6090千米,白天存在,夜間消失。是電波的主要吸收區(qū)域e層：高度90150千米,平均高度110千米附近，變化范圍從/到/，夜間減小一個(gè)量級，有/秒的量級，受太陽天頂角變化影響，服從查普曼分布規(guī)律。f層：高度180400千米高度范圍，夏季白天又有層和層之分，在/之間變化，有/秒的量級。層特性變化復(fù)雜，受太陽活動性，地磁變化等因素影響。電離層結(jié)構(gòu)和成分隨時(shí)空而異，但其特性變化并非不可琢磨。通過長期實(shí)驗(yàn)觀測表明，電離層特性有規(guī)則變化和不規(guī)則變化之分，其中規(guī)則變化：日變季變（與太陽天頂角有關(guān)）。 隨地磁（或地理）經(jīng)緯度而變。 隨太

9、陽的11年活動周期函而變化，因此層臨界頻率與太陽黑子數(shù)r表現(xiàn)出正的相關(guān)性。不規(guī)則變化：突發(fā)e層（或?qū)樱?。擴(kuò)展f層。電離層暴。2.5 磁層磁層是地球磁場所控制的空間區(qū)域，其中向日面一側(cè)離地面約10個(gè)地球半徑的距離，背日面一邊向后延伸象數(shù)十甚至上百個(gè)地球半徑長的彗星一樣，故稱磁尾，太陽風(fēng)中的帶電粒子常從磁尾和極尖區(qū)進(jìn)入地球大氣壓層，影響電離層，并形成磁暴和極光等地球物理現(xiàn)象。電磁波穿過電離層，甚至在離地球更遠(yuǎn)的磁層和行星際媒質(zhì)中的傳播，正在受到人們的關(guān)注：1、天線頻率要超過最大可用頻率，才能穿過電離層進(jìn)入太空。2、電波沿地球磁力線的導(dǎo)引問題。3、對調(diào)頻波段觀測到“宇宙回波”現(xiàn)象的解釋。4、穿過地球

10、大氣層，并沿地球磁力線傳播的哨聲等甚低頻電磁波在磁層中的傳播。 2.6 日地空間 太陽與地球之間延伸的范圍是日地空間，其中有變化的是電場和磁場，電磁輻射和各種等離子體波動等等。它們以復(fù)雜的方式相互作用。太陽周圍有強(qiáng)的磁場，由于太陽自身的轉(zhuǎn)動（約27天一個(gè)周期），故在日地空間的星際磁場呈扇形結(jié)構(gòu)，一些太陽事件，如太陽爆發(fā)，太陽耀斑等等都會直接或間接影響近地區(qū)域的環(huán)境，這些事件可破壞地面無線電通信、雷達(dá)、長途電信和輸電網(wǎng)的正常工作，甚至干擾宇宙飛船中的電子設(shè)備等。 三各電波波段傳播方式和特點(diǎn)：3.1 電磁波波段的粗略劃分及幾種電波傳播途徑a、電磁波波段的粗略劃分名稱長波中波短波超短波微波光波頻率范

11、圍300khz3003000khz330mhz301000mhz1g300ghz150thz波長范圍1001km1km100m100m10m10m30cm30cm1mm3000.006mb、地波傳播 地表面象導(dǎo)電體一樣，也有引導(dǎo)電磁波傳播的能力，這種沿地表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ň徒凶龅夭ɑ虮砻娌?。由于地球表面的彎曲，地波主要是由繞射形成的繞地表面?zhèn)鞑サ臒o線電波，只有當(dāng)波長與障礙物的高度可以比較時(shí)，才有繞射作用，所以實(shí)際上只有長波中波和短波的部分波段能夠繞過地面?zhèn)鞯捷^遠(yuǎn)的地方去。為使地波傳得更遠(yuǎn)，波場應(yīng)是垂直極化的，因?yàn)樗椒至繒诘孛嬉饌鲗?dǎo)電流，從而增加傳輸損耗。地波傳播分兩類，一是沿地球表面彎曲傳

12、播的表面波，它包括長波中波和部分短波，靠繞射來實(shí)現(xiàn)。二是由直射波和經(jīng)地面反射波組成的“空間波”。c、對流層波無線電波在對流層中傳播時(shí)，由于介質(zhì)特性的非均勻性，會引起電波的折射散射現(xiàn)象。經(jīng)理論推導(dǎo)對流層中某處的曲率半徑與折射指數(shù)梯度關(guān)系到為：圖二折射的幾種形式散射的形成：對流層中，當(dāng)一種空氣流運(yùn)動到另一氣流上或潮濕和熱氣團(tuán)的垂直運(yùn)動，甚至于發(fā)生一連串的這種過程時(shí)，導(dǎo)致一種氣團(tuán)完全進(jìn)入有不同溫度和濕度的相臨區(qū)域，進(jìn)而形成湍流不均勻體。當(dāng)無線電波投射到這種湍流不均勻體上時(shí)，其中每一個(gè)不均勻體中都必須有感應(yīng)電流發(fā)生，因而這些湍流不均體，就如同基本偶極子一樣，成為一個(gè)二次輻射體，每個(gè)二次輻射體均對接收點(diǎn)

13、提供一個(gè)散射分量，這就是無線電波在對流層非均勻體上的散射作用，由這種非均勻體所散射的電波可到達(dá)從散射體上能看到的地面所接收點(diǎn)。d、電離層波電離層能反射無線電波，使得對無線電波的工作頻率擴(kuò)展到短波頻譜，使傳播模式由地波改變?yōu)樘觳ā?、長波和超長波頻段頻率低，能滿足反射條件，可以用天波傳播，通常認(rèn)為在由地面電離層組成的波導(dǎo)中傳播。因頻率低，電離層反射的電子濃度要求不大，白天在d層下邊界反射，夜間被e層反射，可認(rèn)為幾乎不穿過電離層，地面和電離層的吸收損耗都很小。2、電離層對中波頻段的反射，要求電子濃度有更大的數(shù)值，常在e層被反射，白天中波經(jīng)d層e層的吸收比夜間經(jīng)過e層吸收要大得多，所以隨著黑夜的來臨

14、，對中波的吸收急劇減少，電離層波開始產(chǎn)生，加之地波的信號，以致使信號強(qiáng)度達(dá)到足夠電平，常出現(xiàn)白天收不到的信號晚上可能會被收到。3、短波的頻率的升高，使得電離層中f層是反射波，d層和e層是吸收層，同時(shí)因電離層的吸收作用，隨頻率增大而減少，使短波受到的吸收作用就不大，借助于電離層的一次和多次反射，短波可作為任何遠(yuǎn)距離通訊之用。3.2 長波傳播方式和傳播途徑長波可沿地波傳播、無線電電波傳播、視距傳播、地下傳播、磁層傳播，但由于頻率很低、通頻帶很窄，收發(fā)設(shè)備笨重和需要龐大的天線等原因，視距傳播沒有什么應(yīng)用價(jià)值，常用作全球海底通信、全球?qū)Ш?、核爆炸的探測、外空間的研究。長波在海水中傳播衰減率較中波、短波

15、小，而且能傳入海水約十多米至上百米的深度。波長越長，則傳播衰減率越小，能傳入海水的深度越大。至于土壤，則能傳入的深度更大些。電導(dǎo)率越小，能傳入的深度越大。長波能沿地面?zhèn)鞑浊踔翈兹f公里，用于遠(yuǎn)距離通信廣播導(dǎo)航和報(bào)時(shí)等，而且沿地面到達(dá)接收點(diǎn)的長波都穩(wěn)定可靠。對長波，波長可達(dá)幾千甚至幾萬公里，這時(shí)由地面和電離層組成的球殼狀空腔會對電波產(chǎn)生諧振（共振）的作用，傳播的衰減特別小，可很容易的傳播幾萬公里。對長波而言，電離層的電氣性質(zhì)像良導(dǎo)體，能很好地反射它們。地面（土壤、海洋）也能很好地反射長波，電離層和土壤都是良導(dǎo)體，長波可由電離層和地面土壤交替?zhèn)鬟f到很遠(yuǎn)距離。長波采用鉛垂極化方式傳播。3.3 中波

16、傳播方式和傳播途徑中波既可以沿地面繞射傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，也可以由電離層反射傳播到千里之外，采用鉛垂極化方式傳播。當(dāng)整個(gè)傳播距徑全部進(jìn)入背陽面時(shí)，中波()的場結(jié)構(gòu)在黃昏發(fā)生顯著的變化。日落之后，電離層對中波的反射系數(shù)實(shí)際上等于1，白天雖然反射系數(shù)一般隨午后太陽高度的下降而有所增大，但仍然保持很小，約為。因?yàn)橹胁ㄔ陔婋x層d區(qū)內(nèi)被強(qiáng)烈地吸收，因此，白天的中波完全由地球表面?zhèn)鞑サ牡夭ㄋ鶝Q定，而在夜間，即使在離發(fā)射機(jī)幾十公里的距離上，場就已經(jīng)是地球和反射波相迭加而成，這就是使場振幅增加并且作強(qiáng)烈變化的原因，這種變化還隨觀測者的距離的增加而加強(qiáng)。 電離層的非線性效應(yīng)，使得中波通過時(shí)出現(xiàn)交叉調(diào)制（最明顯的例

17、子是晚上用收聽中波電臺易串臺），而且大多在夜間，相互作用的區(qū)域位于80km至100km的高度上，在不同的情況下，調(diào)制深度m的最大值在1%至8%的范圍內(nèi)變動。 但沿地面?zhèn)鞑r(shí)，因中波波長（100m1km）較短，當(dāng)遇到的山峰的高度接近甚至大于中波波長時(shí)，會產(chǎn)生明顯的阻擋作用，使傳播損耗率增大，場強(qiáng)減小，傳播距離也減小。另外，在白天，由于電離層d層的強(qiáng)烈損耗，中波不可能由電離層反射傳播；因而不可能傳播很遠(yuǎn)。在夜間，電離層d層消失，中波經(jīng)由e層反射傳播到千里之外，e層對中波的損耗要比d層小得多，產(chǎn)生日變化，且到了夜間，出現(xiàn)電離層反射的天波和地波相互干涉，使場強(qiáng)發(fā)生忽大忽小的嚴(yán)重衰落，外加強(qiáng)功率的短波能

18、量傾注電離層，容易形成交叉調(diào)制。 3.4 短波傳播方式和傳播途徑短波傳播除了靠電離層反射傳播外，還可以地面波空間波傳播，以及通過電離層的“反射”來實(shí)現(xiàn)，采用水平極化方式傳播。短波電離層傳播主要優(yōu)點(diǎn)是吸收不大。缺點(diǎn)是：由于f層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此短波具有不穩(wěn)定的傳播條件，能觀察到深度的衰落，必須采用專門的辦法來克服。另外，短波傳播過程還有回波現(xiàn)象、漫反射現(xiàn)象、寂靜區(qū)等特點(diǎn)。 短波場強(qiáng)對距離和晝夜時(shí)間的依從關(guān)系隨頻率季節(jié)和太陽活動周期而明顯地改變,從數(shù)量上描述短波狀態(tài)的參數(shù)在很長的時(shí)間內(nèi)不會保持穩(wěn)定,其具有的一個(gè)顯著特點(diǎn)是,它們在一晝夜的任何時(shí)候都能夠在很遠(yuǎn)的距離上傳播。在黃昏或季節(jié)改變時(shí),只需要調(diào)整波

19、長就可以保證最好的遠(yuǎn)距離可達(dá)范圍。短波的這一特點(diǎn)是由于它們在電離層反射中損耗很小的緣故。 由太陽光耀斑爆發(fā)產(chǎn)生的極強(qiáng)的x射線和紫外線輻射，以光速向外傳播，約經(jīng)8分多鐘到達(dá)地球，使白晝部分上空電離增強(qiáng)，尤其是d區(qū)的電子密度可比正常值大10倍以上。這種電離層的騷擾和電離層的暴亂使通訊質(zhì)量大大下降，甚至中斷。寂靜區(qū)（又稱死區(qū)）指的是圍繞發(fā)射機(jī)的一個(gè)環(huán)形區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)不可能接收到信號，而在這個(gè)區(qū)域外，均能滿意地接收信號。寂靜區(qū)的存在是由于：短波波段的地波受到很大衰減，不能達(dá)到寂靜區(qū)，而電離層波由于從電離層反射時(shí)存在著最大反射頻率，因而只能反射到寂靜區(qū)以外的地點(diǎn)。 3.5 超短波傳播方式和傳播途徑它們在作視距傳播（空間波）時(shí)，主要是受對流層大氣的影響，同時(shí)受地球表面上地物地