大氣波導(dǎo)傳播模型及特性分析

1、大氣波導(dǎo)傳播模型及特性分析孫方，趙振維，康士峰，王紅光(中國電波傳播研究所青島分所，LU東青島266107)摘要：介紹了波導(dǎo)傳播條件以及目前用于計算波導(dǎo)傳播特性的2種模型拋物方程模型和射線追蹤技術(shù)。利用拋物方程模型計算了波導(dǎo)環(huán)境下，電磁波在不同的發(fā)射頻率、不同位置處的傳播損耗，利用射線追蹤技術(shù)模擬了射線在波導(dǎo)中的傳播軌跡和時延特性。結(jié)合不同的計算結(jié)果，綜合分析了大氣波導(dǎo)傳播特性對通信系統(tǒng)的影響。關(guān)鍵詞：大氣波導(dǎo)；拋物方程；射線追蹤；傳播特性中圖分類號：TN011.3文獻標識碼：A文章編號：172-242(20)-0016-05AtmosphericDuctPropagationModeland

2、CharacteristicAnalysisSUNFangZHAOZhen-weiKANGShi-fengWANGHong-guang(QigdBachofChinResearchInstitutefRadiwvePopgtn,Qngdao266107China)Abstract:Thspentrducesheductpopagainconditinandwomod1udforalulaingduprgationcharacteristictpresn:paraboliquatimod1andryaigtcholgy.Theprpgation1ssflecomageicwvisaulatdun

3、drdiffrentransmitfrquciesandplaeswthparaboicequatinmode；thpropagatntracadimdiffernofaysidueiimulatdwithytrcingechlogy.Aahispaprgneralynlyestheffctsfmophericdueprpagationchaactisticonemuicationsystembycobinigwithdiffentesults.Kevwords:amspheriduct；parbolicequatin；rayrcing；propagaionharacteristic大氣波導(dǎo)是

4、一種可以使電磁波產(chǎn)生超折射的環(huán)境現(xiàn)象它可以使部分電磁波陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)，形成超視距傳播從而增加無線電系統(tǒng)的作用距離，實現(xiàn)超視距探測。利用拋物方程模型計算電磁波在波導(dǎo)中的傳播損耗是目前國際上通用的數(shù)值計算方法另外,利用射線追蹤技術(shù)描述電磁波的傳播軌跡，可以更加形象生動地解釋波導(dǎo)對射線的陷獲過程。因此,文中將這2種模式作為大氣波導(dǎo)中的傳播模型,分別計算電磁波在不同頻率、不同位置處的傳播損耗分析多徑傳導(dǎo)致時延特性對傳損耗影響以便對雷達等通信系統(tǒng)的超視距探測及定位起到更為有效的輔助作用收稿日期：2009-04-28作者簡介：孫方(1982)女，山東人學(xué)士，助理工程師，主要從事電波傳播、大氣波導(dǎo)等方面的工

5、作。第6卷第6期孫方等:大氣波導(dǎo)傳播模型及特性分析171波導(dǎo)傳播的條件大氣波導(dǎo)剖面要使電磁波產(chǎn)生波導(dǎo)傳播,首先要發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。實際工計算是利用大氣波導(dǎo)剖面來分析的大氣波導(dǎo)剖面通常選擇修正折射率梯度來表示修正折射率梯度可以方便地顯示波導(dǎo)特征并利于相關(guān)計算，原因如下。足下列條件|:；上式并不能明區(qū)地示波導(dǎo)剖面特征，因此通過將地球等效為平地面的思想引入了修正折射率丁明明為地球半徑將其代入土和得至I廢生波導(dǎo)時修正折射率梯度滿足的條件:（2）根據(jù)上式建立個有基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)剖面如圖所示。圖中d為波導(dǎo)厚度;明波導(dǎo)層厚度令向的人氣勺射#我n面發(fā)射的水平極化的電磁波能形成波導(dǎo)傳播的最大波長單位m）與波導(dǎo)層

6、厚庵修正折射率垂直梯度導(dǎo)層內(nèi)的大關(guān)系為S單位m）及波之間的0且垂直極化波最大波長召口明由（真空中光速）町得水平極化和垂直極化的極限頻率分別為:9廠明E明（45）由上式可得，圖1所示表面波導(dǎo)剖面的水平極化波極限頻率564MHz。穿透角即位于波導(dǎo)內(nèi)的電磁波射線剛剛能夠穿透波導(dǎo)而不被捕獲的發(fā)射仰角：口丿明明噸明明埶度處與波導(dǎo)頂處之差。由上式町的/大們?yōu)椋盒迗R折射率M圖1表面波導(dǎo)剖面Fig.ProfileofsrfacedctDDDD/7対芋圖q卿示的表面波導(dǎo)，當天線高度為30m時其穿透角為0.3o1.3發(fā)生波導(dǎo)傳播的條件由以上所述，可總結(jié)出電磁波形成波導(dǎo)傳播必須滿足的條件為：1必須存在大氣波導(dǎo)，即存

7、先r的大氣層結(jié)；2）電磁波頻率必須高于極限頻率3）電磁波的發(fā)射仰角必須小于穿透角;4電磁波發(fā)射源必須位于導(dǎo)內(nèi)。.2極限頻率與穿透角當大氣波導(dǎo)存在時，電磁波并不定發(fā)生氣波導(dǎo)傳播，還取決于發(fā)射波的頻率以及發(fā)射源和對波導(dǎo)的位置和發(fā)射仰角等多種因素。因此這里有必要給出極限頻率與穿透角的概念。波導(dǎo)傳播模型的建立2.拋物方程模型拋物方模型能夠定量地計算電磁波在波導(dǎo)環(huán)境下的傳播損耗傳播損耗是分析通信系統(tǒng)性能指8裝備環(huán)境工程009年1月標和目標特性個重要參數(shù)是對傳播衰減進行泄量述。其定義為實際傳播環(huán)境條件下收發(fā)均用無方向性天線時發(fā)射功率與接收功率之間的比值拋物程模型是由動程推導(dǎo)出的一種數(shù)值模型其具休形式如F3

8、口D叩（8）一一式中為波函數(shù);上是真空中的波數(shù)乜仃/；是折射裁數(shù)a為地礒半徑。根據(jù)分步卷葉變按耒解影響因此無法象拋物方程模型那樣定量計算電磁波的幅度特性也無法述波頂端的能量泄漏問題只能通過射線密度高低泄性地表示場強強弱5但是,它町以直觀地說明足位問題中的空間位置和到達角等問題這是拋物方程方法所不具備的優(yōu)點。3波導(dǎo)傳播特性分析拋物方程即可得到拋物方程解-n角口的函數(shù)用下式計算片；變換量口是傳播水平仰o得到場口強厲，傳播損耗為了更好地休現(xiàn)波導(dǎo)傳播與正常視距傳播的區(qū)別，利用第2節(jié)介紹的拋物方程模型和射線追蹤技術(shù)首先給出標準大氣下的傳播損耗與射線軌跡圖。令天線發(fā)射頻率為9000MHz,高度30m天線仰

9、角0，天線方向圖類型為高斯波束寬度為3,水平極化方式,得到標準大氣下的傳播損耗（如圖2所示）(0)式中為頻昶也；為傳播因匕所謂傳播因同的情況下，接收點的實際場強幅度和n由空間場強幅度之比。在拋物方程模型中定義為II2.射線追蹤技術(shù)距離/km圖2標準大氣下的傳播損耗Fig.2Prpagaio1ssinsadardatmosphere射線追蹤技術(shù)用來描述射線由于大氣折射引起的傳播位置的變化尤其針對大氣波導(dǎo)傳播,能夠形象地演示電磁波射線在波導(dǎo)環(huán)境中的傳播路徑射線追蹤技術(shù)由兒何光學(xué)理論演化而來,是基于球面分層大氣的斯奈爾定律進行泰勒二階近似得到同樣令天線高度為30m發(fā)射仰角從-060.6角度間隔設(shè)為0

10、.06。，利用線得到電磁波的傳播軌跡如圖3所示）。利用以下3式計算電波傳播軌跡4:V_(12)Q_Q-分別為對應(yīng)于高魔0髙度處修正折射率(13式中g(shù)需要說明的是線距離口處的0沒有考慮頻率的()|飢IiLd1I050100150200250300距肉/kin圖3標準大氣卜的射線軌跡Fig.3Raytraceuerstaardatmosphere方等大氣波導(dǎo)傳播型及特性分析9圖4表面波導(dǎo)傳播損耗Fig.4Prpagtion1ssofsurfci一）/）：）一）+U）+嚴g）i（15光學(xué)路徑之差與光速的比值即所要求的吋延Oa頻率為3(M)MIL,(-頻率為9(XM)MHz由計算結(jié)果可知傳播損耗沿著距

11、離的方向迅速減小在距離約60km處損耗已經(jīng)達到1dB左右線跡在標準大氣折的作用下沿高度方向快速收斂。當電磁波具備了發(fā)生波導(dǎo)傳播的條件后利用計算模型就可以得到波導(dǎo)的傳播特性以圖1所示的表導(dǎo)剖面為環(huán)境參數(shù)令天線發(fā)射頻率分別為300Mz、1564Hz（極限頻率）、9000Mz英它雷達參數(shù)與標準氣相同計算得到導(dǎo)壞境下的傳播損耗，如圖4所示。同樣令天線高度30m發(fā)射仰角從-0.6。.角度間隔設(shè)為0.0得到表面波導(dǎo)下傳播跡如圖5所示圖中的2條虛線是以穿透角（士.3。）為發(fā)射仰角的射線從計算結(jié)果可以看出頻率為3OMHz的電磁波沒有形成波導(dǎo)傳播，而發(fā)射頻率越高傳播損耗的變化趨勢與射線傳播軌跡越為相像電磁波越容

12、易受到波導(dǎo)的影響這是因為射線追蹤技術(shù)的理論依據(jù)是幾何光學(xué)理論它的假設(shè)前提是頻率為無窮大,因此雷達工作頻率越大，就越符合幾何光學(xué)理論基本條件。從射線軌跡圖可以看出,發(fā)射仰角在穿透角以內(nèi)（-.3.3。）的射線均被波導(dǎo)捕獲沿著距離方向形成超視距傳播。發(fā)射仰角絕對值越小越容易被波導(dǎo)獲。另方面由于部分射線被獲在波導(dǎo)內(nèi)傳播使得在波導(dǎo)頂定空間內(nèi)很少有射線穿過因而形成向外擴展的電磁盲區(qū)如圖5所示為了有效地說明盲區(qū)對雷達探測的影響可以分別計算不同距離點處時延和傳播損耗隨高度的變化信號的時延是多徑效應(yīng)產(chǎn)生的當電波以多于1條的路徑到達接收點時接收信號是多條不同路徑傳來的電場的疊加。不同長度路徑到達接收點的時延不同，

13、導(dǎo)致信號失真。文中時延計算方法是利用射線追蹤技術(shù)計算到達同位置處的各條射線光學(xué)路徑之差射線光學(xué)路徑用式表示裂裝備環(huán)境工程時延太大會引起比較明顯的信號失真。分別選取2、0O、203km這個距離點計算時延和傳播損耗隨高度變化，結(jié)果如圖、圖7所示時延,圖6各距離點處時延隨高度的變化Fig.6Timedlaydierntpintsvrsushight2種計算模型，可以有效地分析電磁波在不同的雷達系統(tǒng)參數(shù)、不同類型導(dǎo)中幅度特性和傳播過程經(jīng)過分析可知：大氣導(dǎo)一方面可以使波在波導(dǎo)內(nèi)實現(xiàn)超視距傳播擴大位于波導(dǎo)內(nèi)的探測、通信、電子對抗等電子系統(tǒng)的有效作用距離為遠距離探測、預(yù)警和實現(xiàn)超視距作戰(zhàn)提供條件另方面也產(chǎn)生

14、了電磁盲區(qū)。電磁盲區(qū)限制了雷達系統(tǒng)對位于盲區(qū)內(nèi)目標探測能力。對于防御者而言波導(dǎo)頂?shù)拿^(qū)是其防御薄弱部位應(yīng)積極采取措施進行補盲；對于進攻者而言，敵方電子系統(tǒng)盲區(qū)是隱蔽接敵、實施奇襲的最佳路徑另外波導(dǎo)在延伸了探測距離的同時其區(qū)域內(nèi)的多徑效應(yīng)也有可能導(dǎo)致信號明顯失真因此只有充分了解大氣波導(dǎo)的各種傳播特性才能更好地應(yīng)用到實際不同的通信和探測系統(tǒng)中去，提高我軍防衛(wèi)體系的實戰(zhàn)性能。、側(cè)袒蘭三重廿，尹爹多萬嘴；、氣頁)扳二玉東井二-轟垂鑫爵仲20km-一.1)km一一100km萬們kmSi130140ISO160170傳播損耗/dB圖7各距離點處傳播損耗隨高度的變化g7Ppagatosodfentp0svr

15、useght從圖中以看出在高度約60-20m、距離約50km以外的盲區(qū)由于沒有射線出現(xiàn)因此得不到時延的值，而這區(qū)域相同離處的傳播損耗明顯大于高度60m以下波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的損耗另外波導(dǎo)內(nèi)部多條射線的干涉也會引起信號的衰落從圖中可以直觀地看出于時延的不同導(dǎo)致傳輸損耗在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生強烈的不規(guī)則起伏變化而且隨著離的增加時延和損耗也呈增大趨勢4結(jié)論拋物方程模型和射線追蹤技術(shù)是目前國際上展得比較成熟的計算波導(dǎo)傳播特性的方法。利用這參考文獻劉成國蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境特性和傳播特性及其應(yīng)用研究DI西安：西安電子科技大學(xué)(博士)203劉成國，潘中偉中國低空大氣波導(dǎo)的極限頻率和穿透角ii通信學(xué)報，1998,19(10):91一5.王紅光，張蕊，康士峰，等大氣波導(dǎo)傳播的拋物方程模型研究綜述J.裝備環(huán)境工程，008,5(1):11-15.孫方，王紅光，康士峰，等大氣波導(dǎo)環(huán)境下的射線追蹤算法J.電波科學(xué)學(xué)報，2008,23(1)179-183