《電磁場、微波技術(shù)與天線》課件-第13章

第13章電波傳播13.1引言13.2自由空間電波傳播13.3地面波傳播13.4天波傳播13.5視距傳播

13.1引言

13.1.1電磁波譜人類正在觀測研究和利用的電磁波,其頻率低至千分之幾赫茲(地磁脈動),高達1030赫茲量級(宇宙射線),相應的波長從1011(m)縮至10-20(m)以下。按序排列的頻率分布稱為波譜(或頻譜),在整個電磁波譜中,無線電波頻段(Radio-frequencyBand)的劃分見表13-1-1。

從電波傳播特性出發(fā),并考慮到系統(tǒng)技術(shù)問題,頻段的典型應用如下:

超低頻:典型應用為地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測,電離層與磁層研究,對潛通信,地震電磁輻射前兆檢測。超低頻由于波長太長,所以輻射系統(tǒng)龐大且效率低,人造系統(tǒng)難于建立,主要由太陽風與磁層相互作用、雷電及地震活動所激發(fā)。近年來在此頻段高端已有人造發(fā)射系統(tǒng)用于對潛艇發(fā)射簡單指令和地震活動中深地層特性變化的檢測。

極低頻:典型應用為對潛通信、地下通信、極穩(wěn)定的全球通信、地下遙感、電離層與磁層的研究。由于頻率低,因而信息容量小,信息速率低(約為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。

甚低頻:Omega(美)、α(俄)超遠程及水下相位差導航系統(tǒng),全球電報通信及對潛指揮通信,時間頻率標準傳遞,地質(zhì)探測。該波段難于實現(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。

低頻:Loran-C(美)及我國長河二號遠程脈沖相位差導航系統(tǒng),時間頻率標準傳遞,遠程通信廣播。該頻段不易實現(xiàn)定向天線。

中頻:廣播、通信、導航(機場著陸系統(tǒng))。采用多元天線可實現(xiàn)較好的方向性,但是天線結(jié)構(gòu)龐大。

高頻:遠距離通信廣播,超視距天波及地波雷達,超視距地空通信。

米波:語音廣播,移動(包括衛(wèi)星移動)通信,接力(約為50km跳距)通信,航空導航信標。容易實現(xiàn)具有較高增益系數(shù)的天線系統(tǒng)。

分米波:電視廣播,飛機導航、著陸,警戒雷達,衛(wèi)星導航,衛(wèi)星跟蹤、數(shù)傳及指令網(wǎng),蜂窩無線電。

厘米波:多路語音與電視信道,雷達,衛(wèi)星遙感,固定及移動衛(wèi)星信道。

毫米波:短路徑通信,雷達,衛(wèi)星遙感。此波段及以上波段的系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)有待進一步發(fā)展。

亞毫米波:短路徑通信。

13.1.2電波傳播的主要方式

電波傳播特性同時取決于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和電波特征參量。對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)勢的傳播方式。常用的電波傳播方式分為以下幾種:

(1)地面波傳播。如圖13-1-1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波、長波、中波和短波波段,地面對電波的傳播有著強烈的影響。這種傳播方式的優(yōu)點是傳播的信號質(zhì)量好,但是頻率越高,地面對電波的吸收越嚴重。圖13-1-1地面波傳播

(2)天波傳播。如圖13-1-2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接收點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)點是能以較小的功率進行可達數(shù)千千米的遠距離傳播。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變化的特點,因此天波信號的衰落現(xiàn)象也比較嚴重。圖13-1-2天波傳播

(3)視距傳播。如圖13-1-3所示,電波依靠發(fā)射天線與接收天線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方向性并且有足夠高的架設(shè)高度。信號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、建筑物和樹木等對電磁波的散射和繞射作用變得更加顯著。圖13-1-3視距傳播

(4)散射傳播。除了上述三種基本的傳播方式外,還有散射傳播。如圖13-1-4所示,散射傳播是利用低空對流層、高空電離層下緣的不均勻的“介質(zhì)團”對電波的散射特性以達到傳播目的。散射傳播的距離可以遠遠超過地地視距傳播的視距。對流層散射主要用于100MHz~10GHz頻段,傳播距離r<800km;電離層散射主要用于30~100MHz頻段,傳播距離r>1000km。散射通信的主要優(yōu)點是距離遠,抗毀性好,保密性強。圖13-1-4散射傳播

在各種傳播方式中,媒質(zhì)的電參數(shù)(包括介電常數(shù),磁導率與電導率)的空間分布和時間變化及邊界狀態(tài),是傳播特性的決定性因素。

13.2自由空間電波傳播

13.2.1自由空間傳播損耗計算如圖13-2-1所示,有一天線置于自由空間A處,其輻射功率為Pr,方向系數(shù)為D,在最大輻射方向上距離為r的點M處產(chǎn)生的場強振幅為圖13-2-1自由空間的電波傳播

自由空間傳播損耗(FreeSpacePropagationLoss)的定義是:當發(fā)射天線與接收天線的方向系數(shù)都為1時,發(fā)射天線的輻射功率Pr

與接收天線的最佳接收功率PL

的比值,記為L0,即

D=1的無方向性發(fā)射天線產(chǎn)生的功率密度為

D=1的無方向性接收天線的有效接收面積為

所以該接收天線的接收功率為

于是自由空間傳播損耗為

或

雖然自由空間是一種理想介質(zhì),是不會吸收能量的,但是隨著傳播距離的增大導致發(fā)射天線的輻射功率分布在更大的球面上,因此自由空間傳播損耗是一種擴散式的能量自然損耗。從上式可見,當電波頻率提高一倍或傳播距離增加一倍時,自由空間傳播損耗分別增加6dB。對于波長λ=100m,傳播距離r=50km而言,L0=76dB是一個不小的數(shù)字。

考慮了上述路徑帶來的衰減以后,為了表明傳輸路徑的功率傳輸情況,常常引入路徑傳輸損耗(或稱為基本傳輸損耗),記為Lb,即

如果發(fā)射天線的輸入功率為Pin,增益系數(shù)為Gr,接收天線的增益系數(shù)為GL,則相應的功率密度和最佳接收功率分別為

對于這樣實際的傳輸電道,定義發(fā)射天線輸入功率與接收天線輸出功率(滿足匹配條件)之比為該電道的傳輸損耗(PropagationLoss)L,即

或

在路徑傳輸損耗Lb

為客觀存在的前提下,降低傳輸損耗L的重要措施就是提高收、發(fā)天線的增益系數(shù)。

例13-2-1設(shè)微波中繼通信的段距r=50km,工作波長為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。

解首先利用式(13-2-7)求出自由空間傳播損耗為

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L為

因發(fā)射天線的輸入功率為Pin=10(W)=40(dBm)(注:dBm為分貝毫瓦),于是收信電平即接收天線的輸出功率為

13.2.2菲涅爾區(qū)概念

如圖13-2-2所示,空間A處有一球面波源,為了討論它的輻射場的大小,根據(jù)惠更斯菲涅爾原理,可以做一個與之同心、半徑為R的球面,該球面上所有的同相惠更斯源對于遠區(qū)觀察點P來說,可以視為二次波源。如果P點與A點相距d=R+r0,為了計算方便起見,我們將球面S分成許多環(huán)形帶Nn(n=1,2,3,…),并使相鄰兩帶的邊緣到觀察點的距離相差半個波長(物理學上稱這種環(huán)帶為菲涅爾帶),即圖13-2-2菲涅爾半波帶

上式給了我們一個重要的啟示,盡管在自由空間從波源A輻射到觀察點P的電波,從波動光學的觀點看可以認為是通過許多菲涅爾區(qū)傳播的,但起最重要作用的是第一菲涅爾區(qū)。作為粗略近似,只要保證第一菲涅爾區(qū)的一半不被地形地物遮擋,就能得到自由空間傳播時的場強。所以在實際的通信系統(tǒng)設(shè)計中,對第一菲涅爾區(qū)的尺寸非常關(guān)注,下面我們就來求出第一菲涅爾區(qū)半徑。

令第一菲涅爾區(qū)的半徑為F1,則當各參數(shù)如圖13-2-3所示時,根據(jù)第一菲涅爾區(qū)半徑的定義有

通常d1?F1、d2?F1,因此將上式作一級近似,可得

顯然,該半徑在路徑的中央d1=d2=d/2處達到最大值,即圖13-2-3第一菲涅爾區(qū)半徑

實際上,劃分菲涅爾半波帶的球面是任意選取的,因此當球面半徑R變化時,盡管各菲涅爾區(qū)的尺寸也在變化,但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定義恰恰就是以A、P兩點為焦點的橢圓定義。如圖13-2-4所示,如果考慮到以傳播路徑為軸線的旋轉(zhuǎn)對稱性,不同位置的同一菲涅爾半波帶的外圍輪廓線應是一個以收、發(fā)兩點為焦點的旋轉(zhuǎn)橢球。我們稱第一菲涅爾橢球為電波傳播的主要通道。圖13-2-4菲涅爾橢球

由于電波傳播的主要通道并不是一條直線,所以即使某凸出物并沒有擋住收、發(fā)兩點間的幾何射線,但是已進入了第一菲涅爾橢球,此時接收點的場強已經(jīng)受到影響,該收、發(fā)兩點之間不能視為自由空間傳播。而當凸出物未進入第一菲涅爾橢球,即電波傳播的主要通道,此時才可以認為該收、發(fā)兩點之間被視為自由空間傳播,說得更通俗一點,才可以用式(13-2-1)計算接收點的場強振幅。

如圖13-2-5所示,即使在地面上的障礙物遮住收、發(fā)兩點間的幾何射線的情況下,由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住,因此接收點仍然可以收到信號,此種現(xiàn)象被稱為電波具有繞射能力。在地面上的障礙物高度一定的情況下,波長越長,電波傳播的主要通道的橫截面積越大,相對遮擋面積就越小,接收點的場強越大,因此頻率越低,繞射能力越強。圖13-2-5不同波長的繞射能力

實際上電磁信號在各種特定的媒質(zhì)中傳播的過程,除了具有以上所介紹的基本特性之外,還可能具有衰落、反射和折射、極化偏移、干擾和噪聲、時域和頻域畸變等效應,并因此而具有復雜的時空頻域變化特性。這些媒質(zhì)效應對信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性常常產(chǎn)生嚴重的影響,因此各種媒質(zhì)中各頻段電磁波的傳播效應是電波傳播研究的主要對象。鑒于本書篇幅有限,將只對地面波傳播、天波傳播和視距傳播進行初步的探討。至于更深入的研究,讀者除了查閱有關(guān)電波傳播的專著之外,還可查閱國際無線電咨詢委員會(CCIR)的有關(guān)報告或建議等專門的資料。

13.3地面波傳播

無線電波沿地球表面?zhèn)鞑?稱為地面波傳播(GroundWavePropagation)或表面波傳播(Surface-WavePropagation)。當天線低架于地面上(天線的架設(shè)高度比波長小得多),電波主要沿地球表面輻射,這時主要是地面波傳播,例如使用直立的鞭狀天線時就是這種情況。這種傳播方式,信號穩(wěn)定,基本上不受氣象條件、晝夜及季節(jié)變化的影響。

但隨著電波頻率的增高,傳播損耗迅速增大,因此這種傳播方式一般只適用于中波、長波和超長波傳播。在軍事中,地面波傳播也常用于短波、超短波,作幾十千米以內(nèi)或幾千米內(nèi)的近距離通信、偵察和干擾。

由于地面的性質(zhì)、地貌、地物等情況都會影響電波傳播,因此要了解地面波的傳播,首先必須了解地球表面與電磁現(xiàn)象有關(guān)的物理性能。

13.3.1地球表面電特性

地球形似一略扁的球體,平均半徑為6370km。地球從里到外可分為地核、地幔和地殼三層,如圖13-3-1所示。表層70~80km厚的堅硬部分,稱為地殼。地殼各處的厚度不同,海洋下面較薄,最薄處約5km,陸地處的地殼較厚,總體的平均厚度約33km。地殼的表面是電導率較大的沖積層。由于地球內(nèi)部作用(如地殼運動、火山爆發(fā)等),以及外部的風化作用,使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌,再加上人為所創(chuàng)建的城鎮(zhèn)田野等,這些不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地形地物,在一定程度上影響著無線電波的傳播。圖13-3-1地球結(jié)構(gòu)示意圖

由于地面波是沿著空氣與大地交界面?zhèn)鞑サ?因此傳播情況主要取決于地面條件。概括地說,地面對電波傳播的影響主要表現(xiàn)為兩個方面:

(1)地面的不平坦性。當?shù)孛嫫鸱黄降某潭认鄬τ陔姴úㄩL來說很小時,地面可近似看成是光滑地面。對于長波和中波傳播,除高山外均可視地面為平坦的。

(2)地質(zhì)的情況,我們主要研究它的電磁特性。描述大地電磁特性的主要參數(shù)是:介電常數(shù)ε(或相對介電常數(shù)εr)、電導率σ和磁導率μ。根據(jù)實際測量,絕大多數(shù)地面介質(zhì)(磁性體除外)的磁導率都近似等于真空中的磁導率μ0,表13-3-1給出了幾種不同地質(zhì)的電參數(shù)。

為了既反映媒質(zhì)的介電性εr,又反映媒質(zhì)的導電性σ,可采用相對復介電常數(shù),表示為

怎樣判斷某種地面介質(zhì)是呈現(xiàn)導電性還是介電性呢?通常把傳導電流密度Jf與位移電流密度JD之比

作為衡量標準。當傳導電流比位移電流大得多即60λσ/εr?1時,則大地具有良導體性質(zhì);反之,當位移電流比傳導電流大得多即60λσ/εr?1時,可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時,稱為半電介質(zhì)。表13-3-2給出了各種地質(zhì)中60λσ/εr隨頻率的變化情況。

由表13-3-2可見,對海水來說,在中、長波波段是良導體,只有到微波波段才呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì);濕土和干土在長波波段呈良導體性質(zhì),在短波以上就呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì);而巖石則幾乎在整個無線電波段都呈現(xiàn)介質(zhì)性質(zhì)。

13.3.2波前傾斜現(xiàn)象

地面波傳播的重要特點之一是存在波前傾斜現(xiàn)象。波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場向傳播方向傾斜的一種現(xiàn)象,如圖13-3-2所示。波前傾斜現(xiàn)象可作如下解釋。圖13-3-2波前傾斜現(xiàn)象

設(shè)有一直立天線沿垂直地面的x軸放置,輻射垂直極化波,電波能量沿z軸方向即沿地表面?zhèn)鞑?其輻射電磁場為E1x

和H1y,如圖13-3-2(a)所示。當某一瞬間E1x

位于A點時,在地面上必然會感應出電荷。當波向前傳播時,便產(chǎn)生了沿z方向的感應電流,由于大地是半導電媒質(zhì),有一定的地電阻,故在z方向產(chǎn)生電壓降,也即在z方向產(chǎn)生新的水平分量E2z。根據(jù)邊界電場切向分量連續(xù)即存在E1z,這樣靠近地面的合成場E1就向傳播方向傾斜。

從能量的角度看,由于地面是半導電媒質(zhì),電波沿地面?zhèn)鞑r產(chǎn)生衰減,這就意味著有一部分電磁能量由空氣層進入大地內(nèi)。坡印廷矢量的方向不再平行于地面而發(fā)生傾斜,如圖13-3-2(b)所示,而是出現(xiàn)了垂直于地面向地下傳播的功率流密度S1x,這一部分電磁能量被大地所吸收。由電磁場理論可知,坡印廷矢量是與等相位面即波前垂直的,故當存在地面吸收時,在地面附近的波前將向傳播方向傾斜。顯然,地面吸收越大,S1x越大,傾斜將越嚴重,只有沿地面?zhèn)鞑サ腟1z分量才是有用的。

可以根據(jù)邊界條件求得水平分量E1z與垂直分量E1x之間的關(guān)系為

式中

13.3.3地面波傳播特性

根據(jù)前面的討論,可以得出地面波傳播的一些重要特性。

(1)地面波傳播采用垂直極化波。地面波的傳播損耗與波的極化形式有很大關(guān)系,計算表明,電波沿一般地面介質(zhì)傳播時,水平極化波比垂直極化波的傳播損耗要高數(shù)十分貝。所以地面波傳播采用垂直極化波,天線則多采用直立天線的形式。

(2)波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實用意義?？梢圆捎孟鄳问降奶炀€,有效地接收各場強分量。

在一般地質(zhì)的條件下,電場的垂直分量遠大于水平分量;在地面下,則電場的水平分量遠大于其垂直分量。因此,地面上接收時,宜采用直立天線,接收天線附近地質(zhì)宜選用濕地。若受條件限制,也可采用低架或水平鋪地天線接收,并且接收天線附近地質(zhì)宜選用εr和σ較小的干地。還可采用水平埋地天線接收,由于地下波傳播隨著深度的增加,場強按指數(shù)規(guī)律衰減,因此天線的埋地深度不宜過大,淺埋為好,附近地質(zhì)宜選用干地。

(3)地面上電場為橢圓極化波,如圖13-3-3所示,這是由于緊貼地面大氣一側(cè)的電場橫向分量E1x遠大于縱向分量E1z,且相位不等,合成場為一狹長橢圓極化波。

在短波、超短波段E1z雖較大,但相位差由式(13-3-4)可見趨于零,所以可近似認為電場是與橢圓長軸方向一致的線極化波。圖13-3-3中波前傾斜角為圖13-3-3地面上傳播橢圓極化波

(4)地面波在傳播過程中有衰減。地面波沿地表傳播時,由于大地是半導電媒質(zhì),對電波能量的吸收產(chǎn)生了電場縱向分量E1z,相應地沿-x方向傳播的功率流密度

代表著電波的傳輸損耗。地面電導率越大,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。

(5)傳播較穩(wěn)定。這是由于大地的電特性、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。

(6)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,中波次之,短波較弱,而超短波繞射能力最弱。

從工程應用的觀點,本節(jié)介紹國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的一組曲線:ITU-RP.368-9頻率在10kHz和30MHz間的地波傳播曲線,現(xiàn)摘錄其中部分內(nèi)容,如圖13-3-4~圖13-3-6所示的一組稱為布雷默(Bremmer)計算曲線,用以計算E1x。其使用條件是:

(1)假設(shè)地面是光滑的,地質(zhì)是均勻的;

(2)發(fā)射天線使用短于λ/4的直立天線(其方向系數(shù)D≈3),輻射功率Pr=1kW;

(3)計算的是E1x的有效值。圖13-3-4地面波傳播曲線1(海水:σ=4S/m,εr=80)

將Pr=1kW、D=3代入式(13-3-6),得

圖13-3-4~圖13-3-6中衰減因子A值已計入大地的吸收損耗及球面地的繞射損耗。從圖中可以看出,對于中波和長波,傳播距離超過100km后,場強值急劇衰減,這主要是繞射損耗增大所致。

當Pr≠1kW、D≠3時,換算關(guān)系為圖13-3-5地面波傳播曲線1(陸地:σ=10-2S/m,εr=4)圖13-3-6地面波傳播曲線2(陸地:σ=10-4S/m,εr=4)

13.4天波傳播天波傳播(SkyWavePropagation)是指電波由發(fā)射天線向高空輻射,經(jīng)高空電離層反射后到達地面接收點的傳播方式,也稱為電離層傳播(IonosphericPropagation)。但由于電離層的經(jīng)常變化,在短波波段內(nèi)信號很不穩(wěn)定,有較嚴重的衰落現(xiàn)象,有時還因電離層暴等異常情況造成信號中斷。近年來,由于科學技術(shù)的發(fā)展,特別是高頻自適應通信系統(tǒng)的使用,大大提高了短波通信的可靠性,因此天波傳播仍廣泛地應用于短波遠距離通信中。

13.4.1電離層概況

1.電離層的結(jié)構(gòu)特點

包圍地球的是厚達兩萬多千米的大氣層,大氣層里發(fā)生的運動變化對無線電波傳播影響很大,對人類生存環(huán)境也有很大影響。地面上空大氣層概況如圖13-4-1所示,在離地面約10~12km(兩極地區(qū)為8~10km,赤道地區(qū)達15~18km)以內(nèi)的空間里,大氣是相互對流的,稱為對流層。幾乎所有的氣象現(xiàn)象如下雨、下雪、打雷閃電、云、霧等都發(fā)生在對流層內(nèi)。離地面大約10~60km的空間,氣體溫度隨高度的增加而略有上升,但氣體的對流現(xiàn)象減弱,主要是沿水平方向流動,故稱平流層。對流層中復雜的氣象變化對電波傳播影響特別大,而平流層對電波傳播影響很小。圖13-4-1地面上空大氣層概況

從平流層以上直到1000km的區(qū)域稱為電離層,是由自由電子、正離子、負離子、中性分子和原子等組成的等離子體。使高空大氣電離的主要電離源有太陽輻射的紫外線、X射線、高能帶電微粒流、為數(shù)眾多的微流星、其他星球輻射的電磁波以及宇宙射線等,其中最主要的電離源是太陽光中的紫外線。該層雖然只占全部大氣質(zhì)量的2%左右,但因存在大量帶電粒子,所以對電波傳播有極大影響。

大氣電離的程度以電子密度N(電子數(shù)/m3)來衡量,根據(jù)地面電離層觀測站的間接探測和利用探空火箭、衛(wèi)星等進行直接探測的結(jié)果證實,電離層的電子密度隨高度的分布如圖13-4-1所示。電子密度的大小與氣體密度及電離能量有關(guān),氣體在90km以上的高空按其分子的重量分層分布,如在300km高度上面主要成分是氮原子,在離地面90km以下的空間,由于大氣的對流作用,各種氣體均勻混合在一起,如圖13-4-2所示。

對每層氣體而言,氣體密度是上疏下密,而太陽照射則上強下弱,因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個不同的高度上,每一個最大值所在的范圍叫做一個層,由下而上我們分別以D、E、F1、F2等符號來表示,電離層各層的主要數(shù)據(jù)見表13-4-1。

圖13-4-2大氣的分層現(xiàn)象

表13-4-1中的半厚度是指電子密度下降到最大值一半時之間的厚度,臨界頻率是指垂直向上發(fā)射的電波能被電離層反射下來的最高頻率。各層反射電波的大致情況如圖13-4-3所示。圖13-4-3長波、中波、短波從不同高度反射

D層是最低層,因為空氣密度較大,電離產(chǎn)生的電子平均僅幾分鐘就與其他粒子復合而消失,因此到夜間沒有日照時D層就消失了。D層在日出后出現(xiàn),并在中午時達到最大電子密度,之后又逐漸減小。由于該層中的氣體分子密度大,被電波加速的自由電子和大氣分子之間的碰撞使電波在這個區(qū)域損耗較多的能量。D層變化的特點是在固定高度上電子密度隨季節(jié)有較大的變化。

E層是電離層中高度在90~150km的區(qū)域,可反射幾兆赫的無線電波,在夜間其電子密度可以降低一個量級。

F層在夏季白天又分為上下兩層,170~200km高度為F1層,200km高度以上稱F2層。在晚上,F1與F2合并為一層。F2層的電子密度是各層中最大的,在白天可達2×1012/m3,冬天最小,夏天達到最大。F2層空氣極其稀薄,電子碰撞頻率極低,電子可存在幾小時才與其他粒子復合而消失。F2層的變化很不規(guī)律,其特性與太陽的活動性緊密相關(guān)。

由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機變化,電離層是一種隨機、色散、各向異性的半導電媒質(zhì),它的參數(shù)如電子密度、分布高度、厚度等都是隨機量。電離層的變化可以區(qū)分為規(guī)則變化和不規(guī)則變化兩種情況,這些變化都與太陽上發(fā)生的各種過程、地球相對太陽運動、地球磁場等因素有關(guān)。由于電離層各層的化學結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)不同,各層的變化情況也不盡相同。

電離層的規(guī)則變化包括:日夜變化、季節(jié)變化、隨太陽黑子11年周期變化和隨地理位置變化。在電離層中除了上述幾種規(guī)則變化外,有時還會發(fā)生一些電離狀態(tài)隨機的、非周期的、突發(fā)的急劇變化,稱這些變化為不規(guī)則變化或異常變化。電離層的不規(guī)則變化主要包括:突發(fā)E層、電離層騷擾和電離層暴等。出現(xiàn)不規(guī)則變化時,往往會造成通信中斷。

2.電離層的等效電參數(shù)

電離層是弱電離的等離子體,由電子、正離子和中性分子等組成。在電波未入射到電離層之前,它們一起進行著無規(guī)則的熱運動。一旦電波進入電離層,受電場的作用,在不規(guī)則的運動上會疊加由電波電場所給予的強迫振蕩運動(注:由于正離子的質(zhì)量遠大于電子的質(zhì)量,可以忽略離子的運動)。這樣當電波通過電離層時,除引起位移電流外,還有由于電子運動所引起的徙動電流。

同時,運動中的電子還會與氣體中的中性分子碰撞消耗部分能量(注:由于弱電離,可以忽略電子與離子的碰撞),使電波能量受到吸收損耗。因此電離層的等效電參數(shù)與半導電媒質(zhì)的電參數(shù)相似,具有復數(shù)形式,參見3.3節(jié)。

為了簡明,可省略數(shù)學推導,直接給出在忽略地磁場的影響時等效相對復介電常數(shù)的表達式:

式中:εr是等效相對介電常數(shù);σ是等效電導率;e為電子電量;m為電子質(zhì)量;υ為碰撞頻率,表示電子每秒與中性分子的平均碰撞次數(shù)。

在高頻(HF)以上頻段通常滿足ω?υ,式(13-4-2)與式(13-4-3)可以近似為

根據(jù)以上兩式可知,電離層的等效相對介電常數(shù)εr<1,并且是頻率和電子密度的函數(shù),而電子密度又是高度的函數(shù),因此可以預計,頻率一定的電波在電離層不同高度傳播時將具有不同的相速,射線將發(fā)生彎曲,這就是天波傳播的物理基礎(chǔ);等效電導率的存在表明電波在電離層中傳播時將遭受吸收,吸收的大小不僅和路徑長度有關(guān),還和電子密度、碰撞頻率以及電波頻率有關(guān)。

如果考慮地磁場的影響(這是客觀存在的),則情況將復雜一些。對于不同傳播方向的電波,電離層將具有不同的等效電參數(shù),即電離層呈現(xiàn)各向異性。此時向任意方向傳播的一個無線電波可以看成是兩個無線電波的疊加:一個的電場與地磁場平行,另一個的電場與地磁場垂直,因為地磁場對它們的影響不同,使它們的傳播速度也變得不同,因而這兩個波在電離層中有不同的折射率和傳播軌跡,這種現(xiàn)象稱為雙折射。

13.4.2無線電波在電離層中的傳播

在討論無線電波在電離層中的傳播問題時,為了使問題簡化而又能建立起基本概念,可作如下假設(shè):

①不考慮地磁場的影響即認為電離層是各向同性媒質(zhì);

②電子密度N隨高度h的變化較之沿水平方向的變化大得多,即認為N只是高度的函數(shù);

③在各層電子密度最大值附近,N(h)分布近似為拋物線狀。

1.反射條件

電離層的折射率為

假設(shè)電離層是由許多厚度極薄的平行薄片構(gòu)成,每一薄片內(nèi)電子密度是均勻的。設(shè)空氣中電子密度為零,而后由低到高,在Nmax以下的空域,各薄片層的電子密度依次為

則相應的折射率為

如圖13-4-4所示,當頻率為f的無線電波以一定的入射角θ0由空氣射入電離層后,電波在通過每一薄片層時折射一次,當薄片層數(shù)目無限增多時,電波的軌跡變成一條光滑的曲線。根據(jù)折射定理,可得圖13-4-4電波在電離層內(nèi)連續(xù)折射

由于隨著高度的增加n值逐漸減小,因此電波將連續(xù)地沿著折射角大于入射角的軌跡傳播。當電波深入到電離層的某一高度hn時,恰使折射角θn=90°,即電波經(jīng)過折射后其傳播方向成了水平的,它的等相位面成為垂直的,這時電波軌跡到達最高點。在等相位面的高處相速大,而在等相位面的低處相速小,這就會形成電波向下彎曲的傳播軌跡,繼續(xù)應用折射定律,射線沿著折射角逐漸減小的軌跡由電離層深處逐漸折回。由于電子密度隨高度的變化是連續(xù)的,所以電波傳播的軌跡是一條光滑的曲線。

將n0=1,θn=90°代入式(13-4-7),可得電波從電離層內(nèi)反射下來的條件為

式中,Nn是反射點的電子密度。上式表明了電波能從電離層返回地面時,電波頻率f、入射角θ0和反射點的電子密度Nn之間必須滿足的關(guān)系。由該式可得出如下結(jié)論:

(1)電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。在入射角θ0一定時,電波頻率越低,越易反射。因為當頻率越低時,所要求的反射點電子密度就越小,因此電波可以在電子密度較小處得到反射。與此相反,頻率越高,反射條件要求的Nn越大,電波需要在電離層的較深處才能折回,如圖13-4-5所示。如果頻率過高,致使反射條件所要求的Nn大于電離層的最大電子密度Nmax值,則電波將穿透電離層進入太空而不再返回地面。一般而言,長波可在D層反射下來,在夜晚由于D層消失,長波將在E層反射;中波將在E層反射,但白天D層對電波的吸收較大,故中波僅能夜間由E層反射;短波將在F層反射;而超短波則穿出電離層。圖13-4-5不同頻率的電波傳播軌跡(入射角相同)

(2)電波在電離層中的反射情況還與入射角θ0有關(guān)。當電波頻率一定時,入射角越大,越易反射。這是因為入射角越大,則相應的折射角也越大,稍經(jīng)折射電波射線就能滿足θn=90°的條件,從而使電波從電離層中反射下來,如圖13-4-6所示。圖13-4-6不同入射角時電波的軌跡(電波頻率相同)

當電波垂直向上發(fā)射即θ0=0°時,能從電離層反射回來的最高頻率稱為臨界頻率(CriticalFrequency),用fc表示。將θ0=0°,Nn=Nmax代入式(13-4-8),可得臨界頻率為

對于以某一θ0斜入射的電波,能從電離層最大電子密度Nmax處反射回來的最高頻率由式(13-4-8)和式(13-4-9)可得

對于一般的斜入射頻率f及在同一N處反射的垂直入射頻率fv之間,也有類似的關(guān)系

上式稱為電離層的正割定律,如圖13-4-7所示。它表明當反射點電子密度一定時(fv

一定時),通信距離越大(即θ0越大),允許頻率越高。

(4)由于電離層的電子密度有明顯的日變化規(guī)律,白天電子密度大,臨界頻率高,則允許使用的頻率就高;夜間電子密度小,則必須降低頻率才能保證天波傳播。圖13-4-7正割定律

2.電離層的吸收

非偏移區(qū)是指電離層中折射率接近1的區(qū)域,在這個區(qū)域電波射線幾乎是直線,故得名非偏移區(qū)。例如,在短波波段,當電波由F2層反射時,D、E、F1層便是非偏移區(qū)。在D層、E層和F層下緣,特別是D層,雖然電子密度較低,但存在大量中性分子,碰撞頻率很高,因此電波通過D層時受到的吸收較大,也就是說,D層吸收對非偏移吸收有著決定性的作用。

偏移區(qū)主要是指接近電波反射點附近的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)電波射線彎曲,故稱偏移區(qū),其折射率很小,F層或E層反射點附近的吸收就是偏移吸收(又稱反射吸收)。對于短波天波傳播,通常在F層反射,該層碰撞頻率很低,因此它比非偏移吸收小得多。

綜上所述,電離層對電波的吸收與頻率、入射角及電離層電子密度等有關(guān),其基本規(guī)律總結(jié)如下:

(1)電離層的碰撞頻率越大或者電子密度越大,則電離層對電波的吸收越大。這是因為總的碰撞機會增多則吸收也就越大。一般而言,夜晚電離層對電波的吸收要小于白天的吸收。

(2)電波頻率越低,吸收越大。這是因為電波的頻率越低,其周期就越長,自由電子受單方向電場力的作用時間越長,運動速度也就越大,走過的路程也更長,與其他粒子碰撞的機會也越大,碰撞時消耗的能量也就越多,因此電離層對電波的吸收就越大。所以短波天波工作時,在能反射回來的前提下,盡量選擇較高的工作頻率。

13.4.3短波天波傳播

1.傳播模式

因為短波天線波束較寬,射線發(fā)散性較大,同時電離層呈多層結(jié)構(gòu),所以由發(fā)射點發(fā)出的同一電波波束經(jīng)電離層反射到達一定距離的接收點存在著多種傳播路徑或傳播模式(PropagationMode),通常以mXnY形式標記,其中X、Y代表反射層,m、n代表不同層的反射次數(shù)。例如,1F表示F層1跳模式,1E2F表示E層1跳F層2跳的混合模式。到達接收點的不同模式電波有不同的時延和相位,這是引起短波場強衰落的主要原因之一。

短波傳播在特定的條件下存在遠距離滑行傳播,如圖13-4-5所示。呂保維院士于1961年在關(guān)于衛(wèi)星式飛船與地面間短波無線電聯(lián)絡(luò)中傳播問題的研究中,創(chuàng)造性地提出并建立了天地短波超視距通信的“滑行波”模式理論,是我國學者在電波傳播理論上作出的突出貢獻。

2.工作頻率的選擇

對于短波天波傳播,需正確選擇工作頻率。若選用頻率太高,雖然電離層的吸收小,但電波容易穿出電離層;若選用頻率太低,雖然能被電離層反射,但電波將受到電離層的強烈吸收。

選用工作頻率時,既不能高于最高可用頻率fMUF,也不能低于最低可用頻率fLUF,即

式中:fMUF是指當工作距離一定時,能被電離層反射回來的最高頻率;fLUF是指能保證通信所需的信噪比的頻率。

應盡量接近電波能折回的最高頻率,通常取最高頻率的80%~90%作為工作頻率,稱為最佳工作頻率fOWF,即

這樣,一方面避免了當電離層變化時電波有穿過電離層的可能;另一方面,頻率若取得太高,電波深入電離層的距離加大,有時反而會使總吸收增大,也不一定恰當。

3.可能存在靜區(qū)

對于短波通信,在有些地區(qū)可能收不到信號,而在離發(fā)射機較近或較遠的地區(qū)卻都可以收到信號,這種現(xiàn)象稱為越距;收不到信號的地區(qū)稱為靜區(qū)(SilentZone)。短波靜區(qū)形成的原因并不深奧。

短波可以通過地波和天波兩個途徑傳播。內(nèi)陸地區(qū)地面電導率小,對電波吸收很強,所以在我國北方,地波傳播不到20km就損耗殆盡;而在南方水網(wǎng)地區(qū)能傳播稍遠一些。而天波傳播,通信距離越近,要求電波射線的仰角越大,當距離太近時,仰角過大,電波將穿出電離層。通常從發(fā)射點到天波最近落地點的距離約為80~120km,可見在20~120km這個區(qū)間內(nèi),地波和天波都覆蓋不到,形成短波通信的靜區(qū)。

頻率越低,地波能傳播更遠的距離,天波也能到達更近的落地點,因而靜區(qū)范圍縮小。增大發(fā)射功率,地波也可以傳播更遠的距離,使靜區(qū)范圍縮小。

短波天波傳播受電離層的影響大,信號不穩(wěn)定。即使工作頻率選擇正確,有時也難以正常工作。影響其正常工作的主要問題還包括:多徑效應導致信號衰落現(xiàn)象嚴重、電離層騷擾和電離層暴使電離層正常結(jié)構(gòu)遭到破壞可能造成通信中斷等。

13.5視距傳播

圖13-5-1視線距離

2.光滑平面地上接收場強的計算

如圖13-5-2所示,當滿足亮區(qū)條件以及收發(fā)點之間無障礙物遮擋時,收、發(fā)點之間除了有直接波(DirectWave)外還有地面反射波,接收點B處場強應為直接波與地面反射波的疊加。為了簡化討論,首先假設(shè)地面為光滑平面地來討論地面對視距傳播的影響,盡管只有在極少數(shù)的情況下才可以這樣認為,但是其分析的結(jié)論卻有著普遍意義。圖13-5-2平面地的反射

假設(shè)發(fā)射天線A的架高為h1,接收點B的高度為h2。直接波的傳播路徑為r1,地面反射波的傳播路徑為r2且與地面之間的投射角為Δ,收發(fā)兩點間的水平距離為d。在傳播路徑遠大于天線架高的情況下,兩路波在B處的場強視為相同極化。在實際問題中,如果沿r1路徑在B處產(chǎn)生的場強振幅為E1,沿r2路徑在B處產(chǎn)生的場強振幅為E2,在忽略方向系數(shù)的差異,忽略強度上的差異后,B處的總場強為

圖13-5-3和圖13-5-4分別計算了海水和陸地的反射系數(shù)(圖中V代表垂直極化,H代表水平極化)。由此圖中的計算曲線可以看出,水平極化波反射系數(shù)的模在低投射角約為1,相角幾乎可以被看作180°常量,也就是說,對于水平極化波來講,實際地面的反射比較接近于理想導電地Γ=-1,特別是在波長較長或投射角較小的區(qū)域更是如此。因此在估計地面反射的影響時,可粗略地將實際地面等效為理想導電地。

但是對于垂直極化波情況就比較復雜。垂直極化波反射系數(shù)的模存在著一個最小值,對應此值的投射角稱為布魯斯特角(Brewster),記作ΔB。在ΔB兩側(cè),反射系數(shù)的相角發(fā)生180°突變。盡管垂直極化波的反射系數(shù)隨投射角的變化起伏較大,但在很低投射角時,仍然可以將其視為-1。

圖13-5-3海水的反射系數(shù)Γ=|Γ|e-jφ(εr=80,σ=4)圖13-5-4干土的反射系數(shù)Γ=|Γ|e-jφ(εr=4,σ=0.001

當Δ很小時,將式(13-5-7)代入式(13-5-6)中,則合成場可以做如下簡化:

綜合以上分析,不論是式(13-5-6)和簡化公式(13-5-9)均反映了直接波與地面反射波的干涉情況,由于這兩束波之間存在著相位差,而相位差又與天線的架高、電波波長以及傳播距離有關(guān),所以波的干涉體現(xiàn)在隨著上述三個參量的變化干涉。圖13-5-5以E/E1為縱坐標計算了垂直極化波在海平面上的干涉效應,在實際的視距傳播分析中,應該考慮到這種效應。圖13-5-5垂直極化波在海平面上的干涉效應(εr=80,σ=4)

則得到維建斯基反射公式為

例13-5-1某通信線路,工作頻率λ=0.05m,通信距離d=50km,發(fā)射天線架高H1=100m。若選接收天線架高h2=100m時,在地面可視為光滑平面地的條件下,此時接收點的E/E1是多少?今欲使接收點場強為最大值,而調(diào)整后的接收天線高度是多少(應使調(diào)整范圍最小)?

3.光滑平面地的判別準則

如圖13-5-6所示,假設(shè)地面的起伏高度為Δh,對于投射角為Δ方向的反射波,在凸出部分(c處)反射的電波a與原平面地(c'處)反射的電波b之間具有相位差:圖13-5-6不平坦地面的反射

上式即為判別地面光滑與否的依據(jù),也叫瑞利準則。當滿足這個判別條件時,地面可被視為光滑;當不滿足這個判別條件時,地面被視為粗糙,反射具有漫散射特性,反射能量呈擴散性。如表13-5-1計算所示,波長越短,投射角越大,越難視為光滑地面,地面起伏高度的影響也就越大。

有效反射區(qū)的大小可以通過鏡像法及電波傳播的菲涅爾區(qū)來決定。如圖13-5-7所示,認為反射波射線由天線的鏡像A'點發(fā)出,根據(jù)電波傳播的菲涅爾區(qū)概念,反射波的主要空間通道是以A'和B為焦點的第一菲涅爾橢球體,而這個橢球體與地平面相交的區(qū)域為一個橢圓,由這個橢圓所限定的區(qū)域內(nèi)的電流元對反射波具有重要意義,這個橢圓也被稱為地