第9章地面波傳播

1、 9.0 媒質(zhì)對電波的影響媒質(zhì)對電波的影響 9.1 地球表面電特性地球表面電特性 9.2 地面波的傳播特性地面波的傳播特性 9.3 地面波場強(qiáng)的計算地面波場強(qiáng)的計算 9.4 地面不均勻性對地面波傳播的影響地面不均勻性對地面波傳播的影響 本章內(nèi)容 無線電波傳播的實際媒質(zhì)包括地球環(huán) 境和宇宙空間。 主要有兩方面： l電波在其中傳播時受媒質(zhì)的電參數(shù)的受媒質(zhì)的電參數(shù)的 影響影響； l電波遇到不同媒質(zhì)交界面的影響遇到不同媒質(zhì)交界面的影響 n 均勻媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù) 0 為了既反映媒質(zhì)的介電性r，又反映媒質(zhì)的導(dǎo)電 性，可采用相對復(fù)介電常數(shù)相對復(fù)介電常數(shù) 0 60 rrr jj 其中,01/3610-9 F/

2、m；是自由空間波長。 對極大多數(shù)媒質(zhì) 1 r 即 均勻絕緣介質(zhì)中均勻絕緣介質(zhì)中 r r v c n n cc vk 式中 / 介質(zhì)折射率 半導(dǎo)電媒質(zhì)中半導(dǎo)電媒質(zhì)中 r jpnn )(jpn c jk 半導(dǎo)電媒質(zhì)中半導(dǎo)電媒質(zhì)中 p c n c p n rr rr 2 1 22 2 1 22 )60( 2 1 )60( 2 1 nz c jpz c zjzzjj x eeEeeEeEE 00 )( 0 2 1 22 )60( 2 1 rr c n c v 折射率 媒質(zhì)吸收系數(shù) 相位常數(shù) 衰減常數(shù) l因媒質(zhì)吸收能量而振幅衰減，衰減快慢與因媒質(zhì)吸收能量而振幅衰減，衰減快慢與 介質(zhì)和頻率有關(guān)。介質(zhì)和頻率

3、有關(guān)。 l傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān)。傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān)。 色散：電波傳播的相速與頻率有關(guān)的色散：電波傳播的相速與頻率有關(guān)的 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 電波在半導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播電波在半導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播 2 1 22 )60( 2 1 rr p 2 1 22 )60( 2 1 rr c n c v傳播速度傳播速度 媒質(zhì)吸收系數(shù)媒質(zhì)吸收系數(shù) 0 60 f Drr J J 判斷標(biāo)準(zhǔn)判斷標(biāo)準(zhǔn) 通常把傳導(dǎo)電流密度Jf與位移電流密度JD作為衡量 標(biāo)準(zhǔn)。 l當(dāng)傳導(dǎo)電流比位移電流大得多,即60/r1時，媒質(zhì)具 有性質(zhì)； l當(dāng)位移電流比傳導(dǎo)電流大得多,即60/ r 1時，大地具有良導(dǎo)體性質(zhì); l 60/ r 1時，可將大地

4、視為電介質(zhì); l 而二者相差不大時，為半電介質(zhì)。 各種地質(zhì)的各種地質(zhì)的6060/ /r r值值 9.2 地面波的傳播特性 當(dāng)天線設(shè)置在緊靠地面上時，天線輻射的 電波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地表面 進(jìn)行傳播的。 u 一方面由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，使電波 的場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并引起電波吸收電波吸收； u 另一方面由于地球表面呈現(xiàn)球形使電波傳 播的路徑按繞射繞射的方式進(jìn)行。 u 地 面 波 傳 播還與 有關(guān)，理 論計算和實驗 均證明地面波地面波 不宜采用水平不宜采用水平 極化波傳播。極化波傳播。 水平極化和垂直極化波的地面衰減水平極化和垂直極化波的地面衰減 波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗

5、造成電場 向傳播方向傾斜的一種現(xiàn)象，地面波傳播的 重要特點(diǎn)之一。 111 1 Re() 2 SEH x E1x E1 E1zH1y A E2z z (a) x O z S1x H1yS1z S1 (b) E1 (a)電場方向 (b)坡印廷矢量方向 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 波沿z軸方向傳播 yOz面為地平面 下標(biāo)“1”表示在空氣內(nèi) 下標(biāo)“2”表示在大地內(nèi) 12 12 12 12 0 zz yy xx xx EE HH EE BB 利用邊界條件邊界條件，有 若地面滿足M.A.列翁托維奇近似邊界條件列翁托維奇近似邊界條件： 601r

6、 r j 利用邊界條件 10 10 z yr E H 又在空氣中在空氣中有: 10 10 x y E H 在界面大地一側(cè)大地一側(cè)的電、磁場水平分量之間滿足 20 20 x yr E H y z H E 2 2 地面波各場分量地面波各場分量 1 2 12 422 1 2 22 1 12 (60) (60) 120 60 arctan j x zz r j x x r x yy r E EEe E Ee E HH 式中 地面上：垂直分量大于地面上：垂直分量大于 水平分量水平分量 地面下：水平分量大于地面下：水平分量大于 垂直分量垂直分量 若已知若已知E1x l 地面波傳播采用垂直極化波采用垂直極化

7、波，天線則多采 用直立天線的形式。 l波前傾斜現(xiàn)象波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實用意義?？梢圆捎孟鄳?yīng)形式 的天線，有效地接收各場強(qiáng)分量。 地面上：垂直分量大于水平分量地面上：垂直分量大于水平分量 地面下：水平分量大于垂直分量地面下：水平分量大于垂直分量 422 arctan(60) r 波前傾斜角波前傾斜角為 l地面上電場為狹長橢圓極化波地面上電場為狹長橢圓極化波。在短波、超短波段，垂 直分量與水平分量相位差趨于零，所以可近似認(rèn)為電場是與近似認(rèn)為電場是與 橢圓長軸方向一致的線極化波橢圓長軸方向一致的線極化波。 l 地面波在傳播過程中有衰減傳播過程中有衰減。 沿-x方向傳播的功率流密度 111 1 R

8、e() 2 xzy SE H 頻率越低，地面對電波的吸收越小頻率越低，地面對電波的吸收越小。因此地面波傳播方式 特別適用于長波、超長波波段。 電波的傳輸損耗 l傳播較穩(wěn)定傳播較穩(wěn)定。由于大地的電特性、地貌 地物等不會隨時改變，并且地面波基本 上不受氣候條件的影響，故地面波傳播 信號穩(wěn)定。 l有繞射損耗有繞射損耗。障礙物越高，波長越短，則 繞射損耗越大。長波繞射能力最強(qiáng)，中波 次之，短波較弱，而超短波繞射能力最弱。 千 米 時 ， 必須考慮球面地造成的繞射損耗。 1 173() / () r x P kW D EAmV m r km 3 80/()f MHzr 地面衰減因子 輻射功率 方向系數(shù)

9、一般計算E1x有效值的表達(dá)式為 工程應(yīng)用上，常采用國際無線電咨詢委 員會（CCIR）推薦的一組曲線（布雷默 Bremmer計算曲線），來計算E1x。 使用條件是： 106 123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 MHz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m) 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 傳播距離 / km dB( V / m) 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 M

10、Hz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m) 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 105 5 2 104 2 103 2 102 2 101 2 100 2 101 2 5 5 5 5 5 5 5 V / m 106 傳播距離 / km dB( V / m) 123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 MHz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m)

11、 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 105 5 2 104 2 103 2 102 2 101 2 100 2 101 2 5 5 5 5 5 5 5 V / m 106 傳播距離 / km dB( V / m) 123 46 81023 46 810223 46 810323 46 8104 當(dāng)Pr1kW，D3時，則換算關(guān)系為 1 5 173 1 3 (/) () 3 10 / () x EA mV m r km AV m r km 1 5 173 1 3 (/) () 3 10 / () x EA mV m r km AV m r km 當(dāng)

12、Pr=1kW，D=3時 3 )( 11 DkWP EE r xx查表 9.4 地面不均勻性對地面波傳播的影響 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)，可以分段計算。首先按下 式計算B點(diǎn)的場強(qiáng): 11 1 173() ( )/ () B P kW D EA rmV m r km ABC 1 , 1 2 , 2 r 1 r 2 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 一個新的數(shù)值Pr，其大小由下式確定: 1121 11 173173 ( )( ) rr B PDP

13、D EA rA r rr 所以 2 11 21 ( ) ( ) rr A r PP A r 式中A2(r1)是地質(zhì)為2、2，距離為r1的 衰減因子。現(xiàn)在，輻射功率輻射功率Pr 在完全是在完全是 第第2種地質(zhì)情況下傳播至種地質(zhì)情況下傳播至C點(diǎn)的場強(qiáng)就被點(diǎn)的場強(qiáng)就被 認(rèn)為是原來的數(shù)值認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而可求得C點(diǎn)的場 強(qiáng)為 212 12 11212 1221 212 11 21 173() () ()() 173()( )() / ()()( ) () ( ) ( ) C PkW D EA rr rrkW P kW D A r A rr mV m rrkWA r E rr E r E r 式中,

14、 lE1(r1)是電波在第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強(qiáng); lE2(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); lE2(r1r2)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)。 。 212 12 11212 1221 212 11 21 173() () ()() 173()( )() / ()()( ) () ( ) ( ) C PkW D EArr rrkW PkW D A r Arr mVm rrkWAr Err Er Er 為 了 補(bǔ) 救 這 一 缺 點(diǎn) ， 提出取兩者的幾何平均作取兩者的幾何平均作 為近似解為近似解，即接收點(diǎn)場強(qiáng)為 ACCA EEE 用上述方

15、法計算場強(qiáng)雖然不嚴(yán)格，但方法簡便，結(jié) 果符合工程要求，所以應(yīng)用很廣。上述方法可以推廣到 多種不同電參數(shù)組成的混合路徑的傳播。 。 三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D A海 水干 土海 水 B A干 土海 水 干 土 B 2a d d aa (a) (b) 例如，在下圖所示的條件下，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。 三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑サ乃p因子 00.20.40.81.00.6 A 0.5 0.1 0.05 0.01 0.005 0.001 海洋干土海 干土海洋干土 2a /d 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。這說明地面波路徑的各段起的 作用不相同，鄰近發(fā)射天線和接收鄰近發(fā)射天線和接收 天線的地區(qū)，對地面波的吸收起決天線的地區(qū)，對地面波的吸收起決 定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情 況對整個路徑衰減