电波传播基础知识


     无线电波传播(radio wave propagation)

     频率从几十赫(甚至更低)到30000千兆赫左右(波长从几万千米到0.1毫米左右)整个频谱范围内的电磁波,称为无线电波。发射天线或自然源辐射的无线电波,通过介质或受到介质分界面的影响,而到达接收天线的过程,称为无线电波传播。无线电波在介质或介质分界面的影响下,有被折射、反射、散射、绕射和吸收等现象。接收点的无线电信号,也有衰减和干扰出现。为了确定无线电系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比和工作方式等,都需要对无线电波传播特性有所了解。

     根据何种介质或何种介质分界面对电波传播产生主要的影响,可将常遇到的电波传播方式分为:(1)地波传播(电波传播主要受地球表面的影响)。(2)对流层电波传播(电波传播主要受对流层影响)。(3)电离层电波传播(电波传播主要受电离层影响)。(4)地—电离层波导电波传播(电波传播主要受电离层下缘和地面的影响,此外还有埋地天线、地壳中电波传播、火箭喷焰、再入等离子体鞘套和核爆炸等影响)。

     各种频段的无线电波的传播方式和特点及其应用,可见各有关词汇。

      地波传播(propagation of ground wave)

     沿地球表面的无线电波的传播,称为地波传播。其特点是信号比较稳定。在讨论地波传播问题时,一般是将对流层视为均匀介质(有时认为对流层的折射指数垂直梯度为常数),电离层的影响不予考虑,而主要考虑地球表面对电波传播的影响。半导电性地球表面的影响,一方面使地波的垂直方向电场强度远大于水平方向电场强度,并因在地面上产生感应电流,使地波有较大的衰减;另一方面,由于地球是椭球形,在视线距离以外,地波传播可以认为是围绕弧形地球面的绕射传播。垂直偶极子所产生的地波垂直电场E通常表示为

E=E0ν


     其中:E0为理想导电地面上的垂直电场,ν称为衰减因子,它是频率、距离和地面电参数的复杂函数。一般说来,频率愈高,地面电导率愈低,地波随距离衰减就愈快。计算地波,有相应于高天线、低天线、近距离(视线传播)和远距离(超地平传播)的一般解答,但通常是查阅图表。

     在视线传播的情况下,如果收发天线离地高度远大于波长,接收点处的地波,可归结为直射波与地面反射波相干涉的结果。因为这种情况下对流层的折射影响必须考虑,所以将它归入对流层传播。微波中继通信即是这种传播方式。在超地平传播的情况下到达接收点的地波为绕过弧形地面的表面波。中波和长波多利用地波传播,但在一定的条件下,也出现它们的电离层反射波。

     对流层电波传播(tropospheric radio propagation)

     无线电波在对流层与平流层中的传播,简称为对流层电波传播。对流层的折射指数,在20千兆赫以下的频率以及其他大气窗口,与频率无关,因而对流层通常是一种非色散介质。由于折射指数的空间变化,电波射线会因折射而弯曲。在对流层中,气体分子与水汽凝聚物(云、雾、雨、雪等)对电波有吸收与散射作用。波长长于3厘米的电波,所受的吸收十分微弱,计算场强时可不考虑。波长短于3厘米时,需要考虑水汽和氧的吸收。在毫米波与亚毫米波频段,对流层有许多吸收较小的频带,通常称为大气窗口。

     按物理机制或传播情况的不同,对流层电波传播可以分为下列四种传播方式:(1)视线传播,应用于微波中继通信与卫星通信、超短波与微波的定位测速;(2)对流层散射传播,应用于米波与分米波的超地平通信;(3)障碍绕射传播,对于短波高端、超短波和微波无线电通信电路,当电路上存在山峰时,出现障碍绕射传播,在某些情况下还会有障碍增益;(4)大气波导传播,当对流层的折射指数梯度满足一定的条件时,对于米波至厘米波的无线电射线会出现大气波导传播。

     电离层电波传播(ionospheric radio propagation)

     这是指无线电波在电离层中的传播。在这种情况下的电波传播,往往要受地磁场的影响,将电波分裂成寻常波和非常波,此现象称为磁离子分裂。对应于它们二者的折射指数比较复杂,特别还依赖于地磁场强度和传播方向,故电离层是一种各向异性的色散介质。在一定条件下,可以忽略地磁场的影响,这时电离层的折射指数只依赖于电波频率、碰撞频率和电子浓度。在这种情况下电离层是一种各向同性的色散介质。

     短波段的电波,在电离层中受到折射和吸收,在一定条件下能在电离层反射,回到地面。中频段的电波,通常在电离层的D层(70~90公里)和E层(100~120公里)中受到吸收,在F层中反射。甚高频段电波,基本能透过电离层,少数情况在一定条件下,也能在电离层反射,它在电离层中发生的散射现象能加以利用。微波段电波能透过电离层,它的折射很小。长波、超长波波段的电波,大部分在电离层低层的下缘被反射。

     依据物理机制的不同,电离层电波传播可以分为下列三种传播方式:(1)短波经电离层反射的传播,这是应用很久而且很广的传播方式,用于通信、广播和超地平雷达等;(2)甚高频经电离层不均匀体散射传播;(3)甚高频经流星余迹反射的传播,后两种传播方式,已经用来建立通信电路。

     此外电离层电波传播的各种效应,可作为探测电离层结构的各种手段,如脉冲反射,法拉第旋转、多普勒频移、非相干散射、部分反射等。

     还有一些实际问题,如核爆炸产生的附加电离区对电波的作用、火箭喷焰与再入等离子体鞘套对电波的影响等,都与电离层电波传播紧密相关。

     地--电离层波导电波传播(radio propagation in the earth-ionosphere waveguide)

     以低电离层下缘和地面为两壁,构成的同心球壳形波导,称为地--电离层波导, 在其中的电波传播称为地--电离层波导传播。长波以及波长更长的无线电波,当它们的辐射源处于地与低电离层之间时,辐射的电磁波能量,基本上限制在地--电离层波导中传播,能以较小的衰减绕过弯曲地面。它们的传播机理,可用“波跳”和“波导模”两种理论加以解释:“波跳”理论认为电波在地与低电离层之间是以地波和天波方式传播的,波的总场可表为地波与各跳天波的各场分量的级数和;“波导模”理论则认为电波在地--电离层波导之间的传播与微波在金属波导中的传播有些类似,波的总场可表为代表各阶波导模的各场分量的级数和。在某些情况下,两种级数和可以等效。考虑到级数解只有当它具有快收敛特性时才具有实用意义,因此,波跳理论多用于长波,波导模理论多用于甚低频、音频以及极低频的电波传播。

     地--电离层波导的传播方式,用于远距离可靠通信、远距离无线电导航、标准频率与时间信号的广播以及对电离层的研究等。

      极低频与音频电波传播(propagation of extremely low frequency (ELF) and voice frequency (VF) radio wave)

     频率从30赫到300赫(波长从10000千米到1000千米)的无线电波称为极低频无线电波,频率从300赫到3000赫(波长从1000千米到100千米)的无线电波称为音频无线电波。此两频段的无线电波以横电磁(TEM)波模方式在地--电离层波导中传播,无多模干涉现象,传播衰减随频率降低而减小,在100赫左右时,衰减率仅有1~2分贝/千公里;可以穿透电离层以哨声模方式沿地磁力线在地面上的两个磁共轭点间多次往返传播,或偏离地磁力线在外层空间传播;在低频端,因波长可与地球周长相比,将产生地--电离层空腔谐振(舒曼谐振)现象。

     这两频段的主要特点是:由于频率低,在海水中的衰减比其他频段都小,故透入海水最深,但是天线很大,设备很昂贵。音频电波可用于水下核潜艇的指挥通信;利用雷电辐射的音频电波,可以研究电离层与外层空间的结构。

     甚低频电波传播(propagation of very low frequency (VLF) radio wave)

     频率从3千赫到30千赫(波长从100千米到10千米)的无线电波称为甚低频无线电波或超长波。

     在此频段内,辐射的电磁波能量,除了在低频端有一部分可穿透电离层以哨声模方式传播以外,基本上都限制在地面和低电离层下缘所构成的地--电离层波导之中,其传播机理多用波导模的概念来解释,但对高频端的近距离传播,用天、地波的概念有时也可得到有效解释。根据传播的不同特点,其全球性的作用区可分为四种传播区域:(1) 地波区;(2) 多模干涉区(在此区内同时存在几个模)。(3) 单模区(仅存在一个最低衰减模)。(4) 长短大圆路径干涉区(同时存在长、短大圆路径两种信号)。波导模的传播衰减率与相速取决于频率、地面电导率、太阳天顶角、传播方向与地磁场水平分量间的夹角、地磁纬度和太阳活动性等因素。

     此频段的优点是:(1) 传播衰减小,作用距离远甚至达到全球;(2) 传播相位较稳定,且有良好的可预测性;(3) 受电离层扰动的影响小,传播情况稳定;(4) 透入海水能力较强。此频段的缺点是:(1) 因频率低,数据率比较低,通常约每分钟15~60个字;(2) 大气噪声干扰大;(3) 需要大的发射天线,设备较贵。

     甚低频广泛应用于远距离的可靠通信(这时数据率低不是主要的,而可靠性是主要的),还应用于远距甚至全球的无线电导航;标准频率和时间信号的广播;对水下潜艇的通信等。同时也可用于低电离层研究和雷爆定位等。

     低频电波传播(propagation of low frequency (LF) radio wave)

     频率从30千赫到300千赫(波长从10千米到1千米)的无线电波称为低频无线电波或长波。

     长波以地波和天波两种方式进行传播,地波作用距离可达2000~3000公里,天波在白天经D层反射。而在夜间经E层反射,经一跳或多跳传播,作用距离可达几千公里以至上万公里。一般说,在200~300公里以内地波占优势,2000~3000公里以上天波占优势,在两者之间,天地波同时存在。在某些应用中,天波通常被视为有害干扰,但在此波段,可根据天地波脉冲相对时延,采用区分天、地波技术以排除天波影响。从而使地波作用距离得到充分的利用。

     长波主要用于远距离精密无线电导航,标准频率与时间信号的广播、可靠通信、低电离层的研究等。

     中频电波传播(propagation of medium frequency (MF) radio wave)

     频率从300千赫到3兆赫(波长从1000米到100米)的无线电波称为中频无线电波或中波。

     中波可以用天波和地波的方式传播。使用地波传播时,因为波长较短,地面损耗较大,绕射能力较差,所以传播的有效距离比长波近,但比短波远,一般为几百公里。又因中波的频率在电离层临界频率以下,电离层能反射中频天波,但白天因D、E层的吸收作用大,故天波不能有效反射;在晚上,D、E层的吸收显著减小,天波显著增强,且作用距离可大大超过地波。由于天、地波或各跳天波间的干涉,在夜间远距离上产生明显的衰落现象。中波电离层传播还存在独特的交叉调制效应。

     中波主要用于近距离广播与无线电导航,535~1605千赫是国际规定的中波广播段。还可用它的交叉调制效应研究低电离层。

     高频电波传播(propagation of high frequency (HF) radio wave)

     频率从3赫到30兆赫(波长从100米到10米)的无线电波,称为高频无线电波,又称短波。

     通常短波是经电离层的反射而到达地面。所以短波广泛应用于各种距离的定点通信、国际通信及广播、船岸间的航海移动通信和飞机地面间的航空移动通信等。

     车辆移动电台和军用战术小型电台,也有用短波的地波传播方式通信的,因为短波段的地波,随距离增大而衰减很快,故只用于近距。

     短波波段的优点:相对长、中波段而言,得到相同传输效果,其发射功率较小,设备较简单,成本较低。电波经电离层反射或电离层地面间多次反射,可实现远距离(数千到万公里)的通信。但是短波也有严重的缺点:(1)通信不稳定。国为电离层传播有跳距现象,选择工作频率时有最高可用频率的限制。为了适应电离层的日变化、季变化和11年太阳黑子周期的变化,必需在不同的时间选用不同的频率。如果通信距离较近(数百公里),还应考虑射仰角随电离层的变化。选频不适当和天线仰角不适当,常是通信中断的原因。电离层骚扰和核爆炸的影响,也可造成通信中断。(2)短波电台过分拥挤,互相干扰。这个由于历史造成的问题,日益严重。当前解决的办法是采用单边带制,并把不是必需在本波段的业务,移到别的波段去。(3)短波有严重的衰落,通常采用各种分集接收来克服。

     甚高频电波传播(propagation of very high frequency (VHF) radio wave)

     频率从30兆赫到300兆赫(波长从10米到1米)的无线电波,称为甚高频无线电波,又称米波或超短波。除了这频段的低端还有可能被电离层反射外(在太阳活动高年及Es层),一般来说,它将穿透电离层而不被反射。因此这一频电波主要传播方式是视线传播以及对流层和电离层的散射传播。在一定条件下,也可采用障碍绕射传播。这一频段主要应用于调频广播、电视广播、陆上移动通信、航空移动通信、海上移动通信、定点散射通信、雷达、射电天文学等方面。

     微波传播(propagation of microwave)

     频率从300兆赫到300千兆赫(波长从100厘米到1毫米)的无线电波(即分米波、厘米波及毫米波)称为微波。微波与其他频段的电波相比有如下的特点:微波天线的辐射波束可做得很窄,因而天线的增益较高,有利于定向传播。其次微波的频率很高,信道容量很大。这一波段的传播方式,主要是视线传播,低端部分也有用对流层散射传播的。

     由于微波具有上述特点,目前应用的范围很广,如用于定点及移动通信、导航、雷达定位测速、卫星通信、中继通信、气象以及天文学方面等。