第10章 天波傳播

第10章天波傳播10.1電離層概況10.2無線電波在電離層中的傳播10.3短波天波傳播10.4中波天波傳播的介紹10.1電離層概況10.1.1電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包圍地球的是厚達(dá)兩萬多千米的大氣層，大氣層里發(fā)生的運(yùn)動(dòng)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10―1―1所示，在離地面約10～12km（兩極地區(qū)為8～10km，赤道地區(qū)達(dá)15～18km）以內(nèi)的空間里，大氣是相互對流的，稱為對流層。由于地面吸收太陽輻射（紅外、可見光及波長大于300nm的紫外波段）能量，轉(zhuǎn)化為熱能而向上傳輸，引起強(qiáng)烈的對流。對流層空氣的溫度是下面高上面低，頂部氣溫約在-50℃左右。對流層集中了約3/4的全部大氣質(zhì)量和90％以上的水汽，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(dòng)，故稱平流層。平流層中水汽與沙塵含量均很少，大氣透明度高，很少出現(xiàn)像對流層中的氣象現(xiàn)象。對流層中復(fù)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。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(fù)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、其它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。從電離層至幾萬千米的高空存在著由帶電粒子組成的兩個(gè)輻射帶，稱為磁層。磁層頂是地球磁場作用所及的最高處，出了磁層頂就是太陽風(fēng)橫行的空間。在磁層頂以下，地磁場起了主宰的作用，地球的磁場就像一堵墻把太陽風(fēng)擋住了，磁層是保護(hù)人類生存環(huán)境的第一道防線。而電離層吸收了太陽輻射的大部分X射線及紫外線，從而成為保護(hù)人類生存環(huán)境的第二道防線。平流層內(nèi)含有極少量的臭氧（O3），太陽輻射的電磁波進(jìn)入平流層時(shí)，尚存在不少數(shù)量的紫外線，這些紫外線在平流層中被臭氧大量吸收，氣溫上升。在離地面25km高度附近，臭氧含量最多，所以常常稱這一區(qū)域?yàn)槌粞鯇?。臭氧吸收了有害人體的紫外線，組成了保護(hù)人類生存環(huán)境的第三道防線。臭氧含量極少，其含量只占該臭氧層內(nèi)空氣總量的四百萬分之一，臭氧的含量容易受外來因素的影響。圖10―1―1地面上空大氣層概況大氣電離的程度以電子密度N（電子數(shù)/m3）來衡量。地面電離層觀測站以及利用探空火箭、人造地球衛(wèi)星對電離層的探測結(jié)果表明，電離層的電子密度隨高度的分布如圖10―1―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10―1―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(qiáng)下弱，因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個(gè)不同的高度上，每一個(gè)最大值所在的范圍叫做一個(gè)層，由下而上我們分別以D、E、F1、F2等符號(hào)來表示，電離層各層的主要數(shù)據(jù)見表10―1―1。表10―1―1電離層各層的主要參數(shù)表中的半厚度是指電子密度下降到最大值一半時(shí)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10―1―3所示。圖10―1―2大氣的分層現(xiàn)象圖10―1―3長、中、短波從不同高度反射D層是最低層，因?yàn)榭諝饷芏容^大，電離產(chǎn)生的電子平均僅幾分鐘就與其它粒子復(fù)合而消失，因此到夜間沒有日照，D層就消失了。D層在日出后出現(xiàn)，并在中午時(shí)達(dá)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(gè)區(qū)域損耗較多的能量。D層變化的特點(diǎn)是在固定高度上電子密度隨季節(jié)有較大的變化。E層是電離層中高度大約在90～150km間的區(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(gè)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，F(xiàn)1與F2合并為一層。F2層的電子密度是各層中最大的，在白可達(dá)2×1012個(gè)/m3，冬天最小，夏天達(dá)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(shí)才與其它粒子復(fù)合而消失。F2層的變化很不規(guī)律，其特性與太陽活動(dòng)性緊密相關(guān)。10.1.2電離層的變化規(guī)律天波傳播和電離層的關(guān)系特別密切，只有掌握了電離層的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，才能更好地了解天波傳播。由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機(jī)變化，電離層是一種隨機(jī)的、色散、各向異性的半導(dǎo)電媒質(zhì)，它的參數(shù)如電子密度、分布高度、電離層厚度等都是隨機(jī)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，這些變化都與太陽有關(guān)。1．電離層的規(guī)則變化太陽是電離層的主要能源，電離層的狀態(tài)與陽光照射情況密切相關(guān)，因此電離層的規(guī)則變化有以下4種：（1）日夜變化。日出之后，電子密度不斷增加，到正午稍后時(shí)分達(dá)到最大值，以后又逐漸減小。夜間由于沒有陽光照射，有些電子和正離子就會(huì)重新復(fù)合成為中性氣體分子，D層由于這種復(fù)合而消失；E層仍然存在，但其高度比白天低，電子密度比白天??；F1層和F2層合并稱為F層且電子密度下降。到拂曉時(shí)各層的電子密度達(dá)到最小。一日之內(nèi)，在黎明和黃昏時(shí)分，電子密度變化最快。（2）季節(jié)變化。由于不同季節(jié)，太陽的照射不同，故一般夏季的電子密度大于冬季。但F2層例外，F(xiàn)2層冬季的電子密度反而比夏季的大，并且在一年的春分和秋分時(shí)節(jié)兩次達(dá)到最大值，其層高度夏季高冬季低。這可能是由于F2層的大氣在夏季變熱向高空膨脹，致使電子密度減小的緣故。F1層多出現(xiàn)在夏季白天。（3）隨太陽黑子11年周期的變化。太陽黑子(Sunspot)是指太陽光球表面有較暗的斑點(diǎn)，其直徑一般有105km或更大。由于太陽溫度極高，它的運(yùn)動(dòng)變化極其猛烈，可以極粗淺地把太陽黑子類比于地球上的火山爆發(fā)，當(dāng)然，黑子運(yùn)動(dòng)的猛烈程度是火山爆發(fā)的億萬倍，從地球上看，當(dāng)中是巨大的旋渦，黑子上巨大的旋風(fēng)將大量帶電粒子向上噴射，體積迅速膨脹因而使溫度下降，比太陽表面一般的溫度低一千多攝氏度。因此看上去中間部分形成凹坑，顏色較暗，故稱黑子。太陽黑子數(shù)與太陽活動(dòng)性之間有著較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，人們常常以黑子數(shù)的多少作為“太陽活動(dòng)”強(qiáng)弱的主要標(biāo)志。黑子數(shù)目增加時(shí)，太陽輻射的能量增強(qiáng)，因而各層電子密度增大，特別是F2層受太陽活動(dòng)影響最大。黑子的數(shù)目每年都在變化，但根據(jù)天文觀測，它的變化也有一定的規(guī)律性，太陽黑子的變化周期大約是11年，如圖10―1―4所示。因此電離層的電子密度也與這11年變化周期有關(guān)。圖10―1―4太陽黑子數(shù)隨年份的變化（4）隨地理位置變化。由于地理位置不同，太陽光照強(qiáng)度也不相同。在低緯度的赤道附近，太陽光照最強(qiáng)，電子密度最大。越靠近南北極，太陽的光照越弱，電子密度也越小。我國處于北半球，南方的電子密度就比北方的大。2．電離層的不規(guī)則變化電離層的不規(guī)則變化是其狀態(tài)的隨機(jī)的、非周期的、突發(fā)的急劇變化，主要有以下3種：（1）突發(fā)E層（或稱Es層）。有時(shí)在E層中約120km高度會(huì)出現(xiàn)一大片不正常的電離層，其電子密度大大超過E層，有時(shí)比正常E層高出幾個(gè)數(shù)量級，有時(shí)可反射50～80MHz的電波。因此當(dāng)突發(fā)E層時(shí)，將使電波難以穿過Es層而被它反射下來，產(chǎn)生“遮蔽”現(xiàn)象，對原來由F層反射的正常工作造成影響，使定點(diǎn)通信中斷。一般Es層僅存在幾個(gè)小時(shí)，在我國夏季出現(xiàn)較頻繁，在赤道和中緯度地區(qū)，白天出現(xiàn)的概率多于晚上，而高緯度地區(qū)則相反。另外，在黑子少的年份里，突發(fā)E層多。圖10―1―5電離層騷擾時(shí)電子密度增大（2）電離層突然騷擾(SuddenIonosphericDisturbances)。太陽黑子域常常發(fā)生耀斑爆發(fā)，即太陽上“燃燒”的氫氣發(fā)生巨大爆炸，輻射出極強(qiáng)的X射線和紫外線，還噴射出大量的帶電微粒子流。當(dāng)耀斑發(fā)生8分18秒左右，太陽輻射出的極強(qiáng)X射線到達(dá)地球，穿透高空大氣一直達(dá)到D層，使得各層電子密度均突然增加，尤其D層可能達(dá)到正常值的10倍以上，如圖10―1―5所示。突然增大的D層電子密度將使原來正常工作的電波遭到強(qiáng)烈吸收，造成信號(hào)中斷。由于這種現(xiàn)象是突然發(fā)生的，有時(shí)又稱它為D層突然吸收現(xiàn)象。圖10―1―5一般電離層騷擾發(fā)生在白天，由于耀斑爆發(fā)時(shí)間很短，因此電離層騷擾持續(xù)時(shí)間不超過幾分鐘，但個(gè)別情況可持續(xù)幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)。（3）電離層暴(IonosphericStorm)。太陽耀斑爆發(fā)時(shí)除輻射大量紫外線和X射線外，還以很高的速度噴射出大量帶電的微粒流即太陽風(fēng)，速度約幾百上千km/s，到達(dá)地球需要30h左右。當(dāng)帶電粒子接近地球時(shí)，大部分被擋在地球磁層之外繞道而過，只有一小部分穿過磁層頂?shù)竭_(dá)磁層。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)和地球磁場相互作用使地球磁場產(chǎn)生變動(dòng)，比較顯著的變動(dòng)稱作磁暴。帶電粒子穿過磁層到達(dá)電離層，使電離層正常的電子分布發(fā)生劇烈變動(dòng)，稱之為電離層暴，其中F2層受影響最大，它的厚度擴(kuò)展，有時(shí)電子密度下降，有時(shí)卻使電子密度增加，最大電子密度所處高度上升。當(dāng)出現(xiàn)電子密度下降的情況時(shí)，將使原來由F2層反射的電波可能穿過F2層而不被反射，造成信號(hào)中斷。電離層暴的持續(xù)時(shí)間可從幾小時(shí)到幾天之久。由于太陽耀斑爆發(fā)噴射出的帶電粒子流的空間分布范圍較窄，因此在電離層騷擾之后不一定會(huì)隨之發(fā)生電離層暴。電離層的異常變化中對電波傳播影響最大的是電離層騷擾和電離層暴。例如2001年4月份多次出現(xiàn)太陽耀斑爆發(fā)，發(fā)生近年來最強(qiáng)烈的X射線爆發(fā)，出現(xiàn)極其嚴(yán)重的電離層騷擾和電離層暴，造成我國滿洲里、重慶等電波觀測站發(fā)射出去的探測信號(hào)全頻段消失，即較高頻率部分的信號(hào)因電子密度的下降而穿透電離層飛向宇宙空間，較低頻率部分的電波因遭受電離層的強(qiáng)烈吸收而衰減掉。其它電波觀測站的最低起測頻率比正常值上升3～5倍，臨界頻率下降了50%。電離層暴致使短波通信、衛(wèi)星通信、短波廣播、航天航空、長波導(dǎo)航、雷達(dá)測速定位等信號(hào)質(zhì)量大大下降甚至中斷。10.1.3電離層的等效電參數(shù)在電波未射入電離層之前，電離層中的中性分子和離子與電子一起進(jìn)行著漫無規(guī)律的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電波進(jìn)入電離氣體時(shí)，自由電子在入射波電場作用下作簡諧運(yùn)動(dòng)。一般情況下，運(yùn)動(dòng)中的電子還將與中性分子等發(fā)生碰撞，將它由電波得來的能量轉(zhuǎn)移給中性分子，變成熱能損耗，這種損耗叫做媒質(zhì)的吸收損耗。設(shè)v為電子運(yùn)動(dòng)速度，e為電子電量，m為電子質(zhì)量，υ為碰撞頻率(υ表示一個(gè)電子在1秒鐘內(nèi)與中性分子的平均碰撞次數(shù))，并設(shè)碰撞時(shí)電子原有動(dòng)量全部轉(zhuǎn)移給中性分子，故每秒鐘動(dòng)量的改變?yōu)閙vυ，則電子運(yùn)動(dòng)方程為對于諧變電磁場，上式可改寫為由此可得(10―1―1)(10―1―2)(10―1―3)因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)形成的運(yùn)流電流密度為(10―1―4)所以電離層中的麥克斯韋第一方程為(10―1―5)式中(10―1―6)(10―1―7)(10―1―8)當(dāng)考慮地磁場的影響時(shí)，電子不僅受到入射電場的作用，還要受到地磁場的作用，其作用力為(10―1―9)

FB稱為洛侖茲力。式中，v為電子的運(yùn)動(dòng)速度；B0為地磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由上式可知，當(dāng)電子沿入射波電場方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，若電場方向與地磁場方向一致，則FB=0，地磁場對電子運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生任何影響。若電場方向與地磁場方向垂直，則FB值最大，電子將圍繞地磁場的磁力線以磁旋角頻率ωH=eB0/m作圓周運(yùn)動(dòng)。顯然，不同的電波傳播方向和不同的極化形式，都會(huì)引起不同的電子運(yùn)動(dòng)情況，表現(xiàn)出不同的電磁效應(yīng)。這時(shí)電離層就具有各向異性的媒質(zhì)特性，等效介電常數(shù)具有張量的性質(zhì)。向任意方向傳播的一個(gè)無線電波可以看成是兩個(gè)無線電波的疊加：一個(gè)電波的電場與地磁場平行，另一個(gè)電波的電場與地磁場垂直，因?yàn)榈卮艌鰧λ鼈兊挠绊懖煌?，使它們的傳播速度也變得不同，因而這兩個(gè)波在電離層中有不同的折射率和不同的傳播軌跡，這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。10.2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(shí)，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(rèn)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。10.2.1反射條件當(dāng)不考慮地磁場影響時(shí)，電離層等效相對介電常數(shù)為一標(biāo)量εr，若滿足ω2>>υ2條件，同時(shí)將代入式（10―1―7），得(10―2―1)式中,N為電子密度（1/m3）;f為頻率（Hz）。電離層的折射率n為(10―2―2)假設(shè)電離層是由許多厚度極薄的平行薄片構(gòu)成的，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以下空域，各薄片層的電子密度依次為則相應(yīng)的折射率為如圖10―2―1所示，當(dāng)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(shí)折射一次，當(dāng)薄片層數(shù)目無限增多時(shí)，電波的軌跡變成一條光滑的曲線。根據(jù)折射定理，可得

n0sinθ0=n1sinθ1=n2sinθ2=…=nnsinθn

(10―2―3)圖10―2―1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(dāng)電波深入到電離層的某一高度hn時(shí)，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(shí)電波軌跡到達(dá)最高點(diǎn)。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(huì)形成電波向下彎曲的傳播軌跡，繼續(xù)應(yīng)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變化是連續(xù)的，因此電波傳播的軌跡是一條光滑的曲線。將n0=1，θn=90°代入上式，可得電波從電離層內(nèi)反射下來的條件式：式中Nn是反射點(diǎn)的電子密度。上式表明了電波能從電離層返回地面時(shí)，電波頻率f、入射角θ0和反射點(diǎn)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(shí)，電波頻率越低，越易反射。(10―2―4)因?yàn)楫?dāng)頻率越低時(shí)，所要求的反射點(diǎn)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10―2―2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(jìn)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，但在白天D層對電波的吸收較大，故中波僅能在夜間由E層反射；短波將在F層反射；而超短波則穿出電離層。圖10―2―2（2）電波在電離層中的反射情況還與入射角θ0有關(guān)。當(dāng)電波頻率一定時(shí)，入射角越大，越易反射。這是因?yàn)槿肷浣窃酱?，則相應(yīng)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10―2―3所示。圖10―2―3當(dāng)電波垂直向上發(fā)射即θ0=0°時(shí)，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（10―2―4），可得臨界頻率為(10―2―5)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上兩式可得(10―2―6)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：(10―2―7)圖10―2―4上式稱為電離層的正割定律，如圖10―2―4所示。它表明當(dāng)反射點(diǎn)電子密度一定時(shí)（fv一定時(shí)），通信距離越大（即θ0越大），允許頻率越高。臨界頻率是一個(gè)重要的物理量，所有頻率低于fc的電波，都能從電離層反射回來。而f>fc的電波，若入射角大于式（10―2―4），或者f小于式(10―2―6)最高頻率，則能從電離層反射下來，否則穿出電離層。通?？偸且砸欢ㄑ鼋莵硗渡潆姴?，由于地球曲率關(guān)系，入射角θ0與射線仰角Δ的關(guān)系參見圖10―2―5，設(shè)R為地球半徑，h為電離層高度，由正弦定律得(10―2―8)(10―2―9)（3）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。在仰角為Δ的條件下，電離層能反射的最高頻率為(10―2―10)圖10―2―510.2.2電離層的吸收在電離層中，除了自由電子外還有大量的中性分子和離子的存在，它們都處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)受電場作用的電子與其它粒子相碰撞時(shí)，就將從電波得到的動(dòng)能傳遞給中性分子或離子，轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象稱為電離層對電波的吸收。電離層吸收可分為偏移吸收和非偏移吸收。非偏移區(qū)是指電離層中折射率n接近1的區(qū)域，在這個(gè)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(dāng)電波由F2層反射時(shí)，D、E、F1層便是偏移區(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和離子，碰撞頻率υ很高，因此電波通過D層時(shí)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。計(jì)算非偏移吸收，可根據(jù)電磁場理論，已知有耗媒質(zhì)的εr和σ，則衰減常數(shù)α為(10―2―11)對于短波傳播，通常滿足σ/(ωε)<<1，則(10―2―12)在非偏移區(qū)通常有εr≈1，電波在電離層內(nèi)傳播時(shí)總衰減可按e-∫αdl求出，其中l(wèi)是電波在電離層中所經(jīng)的路徑。一般來說，這個(gè)吸收比較小，由電離層參數(shù)的中值計(jì)算結(jié)果表明，電離層吸收損耗僅為幾個(gè)分貝，通常是在10dB以下。偏移區(qū)主要是指接近電波反射點(diǎn)附近的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)射線軌跡彎曲，故稱為偏移區(qū)，其電離層中折射率n很小，F(xiàn)層或E層反射點(diǎn)附近的吸收就稱為偏移吸收（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。因此，在工程計(jì)算中，通常把該項(xiàng)吸收和其它一些隨機(jī)因素引起的吸收合在一起進(jìn)行估算。綜上所述，電離層對電波的吸收與電波頻率、電波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，電離層對電波的吸收就越大。這是由于總的碰撞機(jī)會(huì)增多則吸收也就越大。一般而言，夜晚電離層對電波的吸收小于白天的吸收。（2）電波頻率越低，吸收越大。這是由于電波的頻率越低，其周期（T=1/f）就越長，自由電子受單方向電場力的作用時(shí)間越長，運(yùn)動(dòng)速度也就越大，走過的路程也更長，與其它粒子碰撞的機(jī)會(huì)也越大，碰撞時(shí)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(shí)，在能反射回來的前提下，盡量選擇較高的工作頻率。10.3短波天波傳播短波利用天波傳播時(shí)，由于電離層的吸收隨著頻率的升高而減小，故能以較小功率借助電離層反射完成遠(yuǎn)距離傳播，可以傳播到幾百到一二萬千米的距離，甚至環(huán)球傳播。這一節(jié)介紹短波天波傳播的規(guī)律、主要特點(diǎn)及傳輸損耗的計(jì)算等。10.3.1傳播模式所謂傳播模式，就是電波從發(fā)射點(diǎn)輻射后傳播到接收點(diǎn)的傳播路徑。由于短波天線波束較寬，射線發(fā)散性較大，同時(shí)電離層是分層的，所以在一條通信電路中存在著多種傳播路徑，也即存在著多種傳播模式。當(dāng)電波以與地球表面相切的方向即射線仰角為零度的方向發(fā)射時(shí)，可以得到電波經(jīng)電離層一次反射（稱一跳）時(shí)最長的地面距離。按平均情況來說，從E層反射的一跳最遠(yuǎn)距離約為2000km，從F層反射的一跳最遠(yuǎn)距離約為4000km。若通信距離更遠(yuǎn)時(shí)，必須經(jīng)過幾跳才能到達(dá)。通信距離小于2000km時(shí)，電波可能通過F層一次反射到達(dá)接收點(diǎn)，也可能通過E層一次反射到達(dá)接收點(diǎn)，前者稱1F傳輸模式，后者稱1E傳輸模式，當(dāng)然也可能存在2F或2E模式等，如圖10―3―1所示。對某一通信電路而言，可能存在的傳輸模式是與通信距

離、工作頻率、電離層的狀態(tài)等因素有關(guān)。表10―3―1列出了各種距離可能存在的傳輸模式。圖10―3―1傳輸模式示意圖表10―3―1傳輸模式通常，若通信距離小于4000km，主要傳播模式為1F模式。但即使是1F模式，一般也存在著兩條傳播路徑，如圖10―3―2所示，其射線仰角分別為Δ1和Δ2，低仰角射線由于以較大的入射角投射電離層，故在較低的高度上就從電離層反射下來。圖10―3―21F模式的兩條傳播路徑短波傳播在某特定條件下存在遠(yuǎn)距離滑行傳播(SlidingPropagation)模式，當(dāng)電波頻率介于臨界頻率和最高頻率之間時(shí)，電波可在電離層中滑行傳播，如圖10―2―2所示，通過滑行傳播可到達(dá)很遠(yuǎn)距離，有可能實(shí)現(xiàn)離地面站很遠(yuǎn)的、在電離層極大電子密度以上或以下的衛(wèi)星與地面站之間的通信。以上現(xiàn)象說明，對于一定的傳播距離，電波傳播可能存在幾種傳輸模式和幾條射線路徑，這種現(xiàn)象稱為多徑傳輸。加之電離層的隨機(jī)變異性，使接收電平有嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，引起傳輸失真。10.3.2短波天波傳播工作頻率的選擇根據(jù)前面所討論的電離層對電波的反射和吸收來看，工作頻率的選擇是影響短波通信質(zhì)量的關(guān)鍵性問題之一。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(qiáng)烈吸收。一般來說，選擇工作頻率應(yīng)根據(jù)下述原則考慮：（1）不能高于最高可用頻率fMUF（MaximumUsableFrequency）。fMUF是指當(dāng)工作距離一定時(shí)，能被電離層反射回來的最高頻率。最高可用頻率與電離層的電子密度及電波入射角有關(guān)。電子密度越大，fMUF值越高。而電子密度隨年份、季節(jié)、晝夜、地點(diǎn)等因素而變化，所以fMUF也隨這些因素變化。其次，對于一定的電離層高度，通信距離越遠(yuǎn)，fMUF就越高。這是因?yàn)橥ㄐ啪嚯x越遠(yuǎn)，其電波入射角θ0就越大，由正割定律知頻率可以用得高些。圖10―3―3表示在不同的通信距離，fMUF的晝夜變化的一般規(guī)律，從圖可以看出，白天的fMUF高于夜晚的fMUF。圖10―3―3（2）不能低于最低可用頻率fLUF（LowestUsableFrequency）。在短波天線傳播中，頻率越低，電離層吸收越大，接收點(diǎn)信號(hào)電平越低。由于在短波波段的噪聲是以外部噪聲為主，而外部噪聲——人為噪聲、天電噪聲等的噪聲電平卻隨著頻率的降低而增強(qiáng)，結(jié)果使信噪比變壞。通常定義能保證所需的信噪比的頻率為最低可用頻率，以fLUF表示。

fLUF也與電子密度有關(guān)，白天電離層的電子密度大，對電波的吸收就大，所以fLUF就高些。另外fLUF還與發(fā)射機(jī)功率、天線增益、接收機(jī)靈敏度等因素有關(guān)。圖10―3―4給出了某電路最高可用頻率和最低可用頻率的典型日變化曲線。由以上討論可知，工作頻率應(yīng)低于最高可用頻率,以保證信號(hào)能被反射到接收點(diǎn)，而高于最低可用頻率，以保證有足夠的信號(hào)強(qiáng)度，即

fLUF<f<fMUF(10―3―1)圖10―3―4在保證可以反射回來的條件下，盡量把頻率選得高些，這樣可以減少電離層對電波能量的吸收。但是，不能把頻率選在fMUF，因?yàn)殡婋x層很不穩(wěn)定，當(dāng)電子密度變小時(shí)，電波很可能穿出電離層。通常選擇工作頻率為最高可用頻率的85%，這個(gè)頻率稱為最佳工作頻率，用fOWF表示，即fOWF＝85%fMUF(10―3―2)（3）一日之內(nèi)適時(shí)改變工作頻率。由于電離層的電子密度隨時(shí)變化，相應(yīng)地，最佳工作頻率也隨時(shí)變化，但電臺(tái)的工作頻率不可能隨時(shí)變化，所以實(shí)際工作中通常選用兩個(gè)或三個(gè)頻率為該電路的工作頻率，選用白天適用的頻率稱為“日頻”，夜間適用的頻率稱為“夜頻”。顯然，日頻高于夜頻。對換頻時(shí)間要特別注意，通常是在電子密度急劇變化的黎明和黃昏時(shí)刻適時(shí)地改變工作頻率。例如在清晨時(shí)分，若過早地將夜頻換為日頻，則有可能由于頻率過高，而電離層的電子密度仍較小，致使電波穿出電離層而使通信中斷。若改頻時(shí)間過晚，則有可能頻率太低，而電離層電子密度已經(jīng)增大，致使對電波吸收太大，接收點(diǎn)信號(hào)電平過低，從而不能維持通信。為了適應(yīng)電離層的時(shí)變性特點(diǎn)，使用技術(shù)先進(jìn)的實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)即時(shí)地確定信道的最佳工作頻率，可極大地提高短波通信的質(zhì)量。10.3.3短波天波傳播的幾個(gè)主要問題短波天波傳播時(shí)，電波比較深入地進(jìn)入電離層，受電離層的影響較大，信號(hào)不穩(wěn)定。即使工作頻率選擇得正確，有時(shí)也難以正常工作。下面簡單介紹影響短波天波傳播正常工作的幾個(gè)主要問題。1.衰落現(xiàn)象嚴(yán)重衰落(Fading)現(xiàn)象是指接收點(diǎn)信號(hào)振幅忽大忽小，無次序不規(guī)則的變化現(xiàn)象。衰落時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度有幾十倍到幾百倍的變化。通常衰落分為快衰落和慢衰落兩種。慢衰落的周期從幾分鐘到幾小時(shí)甚至更長，是一種吸收型衰落，主要由電離層電子密度及高度變化造成電離層吸收的變化而引起的?？朔ヂ涞挠行Т胧┲皇窃诮邮諜C(jī)中采用自動(dòng)增益控制?？焖ヂ涞闹芷谠谑种畮酌氲綆酌胫g，是一種干涉型衰落，產(chǎn)生的原因是發(fā)射天線輻射的電波是由幾條不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的（即多徑效應(yīng)），由于電離層狀態(tài)的隨機(jī)變化，天波射線路徑隨之改變，造成在接收點(diǎn)各條路徑間的相位差隨之變化，信號(hào)便忽大忽小。如圖10―3―5所示，圖（a）是地面波與天波同時(shí)存在造成的衰落，因只發(fā)生在離發(fā)射天線不遠(yuǎn)處，這種衰落稱為近距離衰落；圖（b）是由不同反射次數(shù)的天波干涉形成的衰落，稱為遠(yuǎn)距離衰落；圖（c）是由于電離層的不均勻性而產(chǎn)生的漫射現(xiàn)象引起的衰落；圖（d）是由于地磁場影響而出現(xiàn)的雙折射效應(yīng)引起的衰落。此外，還有極化衰落，由于受地磁場的影響，電離層具有各向異性的性質(zhì)，線極化平面波經(jīng)電離層反射后為一橢圓極化波，當(dāng)電離層電子密度隨機(jī)變化時(shí)，使得橢圓主軸方向及軸比隨之相應(yīng)地改變，從而影響接收點(diǎn)場強(qiáng)的穩(wěn)定性。圖10―3―5干涉性衰落綜上所述，由于電離層電子密度N及高度不斷變化，使得多條路徑傳來的電波不能保持固定的相位關(guān)系，因此接收點(diǎn)場強(qiáng)振幅總是不斷地變化著，這種變化是隨機(jī)的，而且變化很快，故稱為快衰落。波長越短，相位差的變化越大，衰落現(xiàn)象越嚴(yán)重。

克服干涉性快衰落方法之一是采用分集接收(DiversityReceiving)。顧名思義，“分集”二字就含有“分散”與“集合”的兩重含義，一方面將載有相同信息的兩路或幾路信號(hào)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)特性相互獨(dú)立的途徑分散傳輸，另一方面設(shè)法將分散傳輸后到達(dá)接收的幾路信號(hào)最有效地收集起來，以降低信號(hào)電平的衰落幅度，具有優(yōu)化接收的含義。較普遍使用的分集方式有空間分集、頻率分集、時(shí)間分集和極化分集等，其中空間分集使用尤為廣泛，就是設(shè)置多個(gè)接收點(diǎn)，分布在相距若干個(gè)波長（5～10）λ的地方，則同一工作頻率的信號(hào)在這些接收點(diǎn)的衰落并不同時(shí)發(fā)生，這時(shí)因?yàn)閭鬏斔ヂ涞碾S機(jī)特性，在兩個(gè)足夠分散的點(diǎn)上同時(shí)衰落的概率是很小的，這就有可能在兩個(gè)以上的點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行接收，并采用相應(yīng)的接收方法后，互相補(bǔ)償信號(hào)電平，即可極大地減小在接收機(jī)輸出端的信號(hào)衰落深度。2.多徑時(shí)延效應(yīng)短波天波傳播中，隨機(jī)多徑傳輸現(xiàn)象不僅引起信號(hào)幅度的快衰落，而且使信號(hào)失真或使信道的傳輸帶寬受到限制。多徑時(shí)延(MultipathTimeDelay)是指多徑傳輸中最大的傳輸時(shí)延與最小的傳輸時(shí)延之差，以τ表示，其大小與通信距離、工作頻率、時(shí)間等有關(guān)。1)多徑時(shí)延τ與工作距離有較明顯的關(guān)系圖10―3―6為薩拉曼（Salaman）依據(jù)實(shí)驗(yàn)資料作出的多徑時(shí)延與通信距離的關(guān)系曲線，由圖可見，在200～300km的短程電路上，多徑時(shí)延可達(dá)8ms，這主要是因?yàn)樵趲装偾椎亩坛屉娐飞希ǔ６际褂萌醴较蛐蕴炀€如雙極天線等，電波傳播模式較多，射線仰角相差不大，吸收損耗也相差不大，故在接收到的信號(hào)分量中，各種模式都有相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)，這樣在短程電路中就會(huì)造成嚴(yán)重的多徑時(shí)延。在2000～5000km的距離上，可能存在的傳輸模式較少，多徑時(shí)延3ms左右。而在5000～20000km的長程電路上，由于不可能有單跳模式，可能存在2E、2F、1E1F等傳輸模式，傳輸情況更為復(fù)雜，因此多徑時(shí)延又逐漸增加到6ms左右。圖10―3―6多徑時(shí)延與通信距離的關(guān)系2)多徑時(shí)延與工作頻率有關(guān)當(dāng)頻率接近最高可用頻率時(shí)，多徑時(shí)延最小，特別是在中午，D、E層吸收較大，多跳難以實(shí)現(xiàn)，容易得到真正的單跳傳播。當(dāng)頻率降低時(shí)，傳播模式的種類就會(huì)增加，因而多徑時(shí)延增大。當(dāng)頻率進(jìn)一步降低時(shí)，由于電離層吸收增強(qiáng)，某些模式遭到較大的吸收而減弱，可以忽略不計(jì)，多徑時(shí)延有可能減小。因此，要減小多徑時(shí)延，必須選用比較高的工作頻率。在短波數(shù)字通信中，多徑時(shí)延會(huì)引起碼元畸變，增大誤碼率，因此選用工作頻率一般要比短波模擬通信時(shí)略高一些才更有利。3)多徑時(shí)延隨時(shí)間變化由于電離層電子密度的變化，造成多徑時(shí)延隨著時(shí)間而變化。在日出日落時(shí)刻，電離層電子密度劇烈變化，多徑時(shí)延現(xiàn)象最嚴(yán)重、最復(fù)雜，而中午和子夜時(shí)多徑時(shí)延一般較小且較穩(wěn)定。多徑時(shí)延不僅隨日時(shí)變化，而且在零點(diǎn)幾秒～幾秒時(shí)間內(nèi)都會(huì)有變化。3.靜區(qū)在短波電離層傳播的情況下，有些地區(qū)天波和地波都收不到，而在離發(fā)射機(jī)較近或較遠(yuǎn)的地區(qū)均可收到信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為越距，收不到任何信號(hào)的地區(qū)稱為“靜區(qū)”(SilentZone)，也稱“啞區(qū)”，如圖10―3―7所示，靜區(qū)是一個(gè)圍繞發(fā)射機(jī)的某一環(huán)行地帶（設(shè)發(fā)射天線水平面是無方向性的）。圖10―3―7短波傳播的靜區(qū)產(chǎn)生靜區(qū)的原因是：一方面短波的地面波傳播因受地面吸收，隨距離的增加衰減較快，設(shè)其能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離為r1；另一方面對天波傳播來說，則因距離太近，射線仰角太大，電波穿出電離層而沒有天波到達(dá)。出現(xiàn)天波的最近距離，就是靜區(qū)的外邊界r2。

頻率越低，地面波能傳播更遠(yuǎn)的距離，天波可以到達(dá)更近的距離，因而靜區(qū)范圍縮小。增大發(fā)射功率，也可以使地面波傳播更遠(yuǎn)的距離，使靜區(qū)范圍縮小。對于短波小功率近距離通信（0～300km），通常選用較低的工作頻率，并采用主要向高空輻射的天線（又稱高射天線）。4.環(huán)球回波現(xiàn)象我們知道，無線電波傳播速度c=3×108m/s，一條長6000km的通信線路，電波只要20ms即可到達(dá)?？墒?，有時(shí)候電波由發(fā)射點(diǎn)出發(fā)要經(jīng)過一百多毫秒才能到達(dá)接收點(diǎn)，這種奇怪的現(xiàn)象該如何解釋呢？經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，電波可經(jīng)電離層多次反射，或者在地面與電離層之間來回反射，可能環(huán)繞地球再度出現(xiàn)，如圖10―3―8所示，稱為環(huán)球回波。環(huán)球回波有反向回波和正向回波兩種。圖10―3―8環(huán)球回波（a）反向回波；（b）正向回波滯后時(shí)間較大的回波信號(hào)將使接收機(jī)中出現(xiàn)不斷的回響，影響正常通信，故應(yīng)盡可能地消除回波的發(fā)生。采用單方向性輻射的收發(fā)天線可以消除反向回波，去除正向回波比較困難，可以通過適當(dāng)降低輻射功率和選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率來防止回波的發(fā)生。5.電離層暴的影響在收聽短波信號(hào)時(shí)，即使收、發(fā)設(shè)備都正常，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)突然中斷現(xiàn)象，這往往是由于電離層暴或電離層騷擾引起的。當(dāng)太陽表面突然出現(xiàn)耀斑時(shí)，太陽輻射出強(qiáng)大的紫外線和大量的帶電粒子，使電離層的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞，特別是對于最上面的F2層影響最大，因而可能造成信號(hào)突然中斷。為了防止電離層暴的影響，通常可采取的措施是：進(jìn)行電離層暴的預(yù)測預(yù)報(bào)，以便事先采取適當(dāng)措施；選擇較低工作頻率，當(dāng)發(fā)生信號(hào)突然中斷時(shí)，立即使用較低工作頻率利用E層反射；增大發(fā)射機(jī)功率，使反射回地面的電波增強(qiáng)；在電離層暴最嚴(yán)重時(shí)刻，若利用以上方法尚不能恢復(fù)正常時(shí)，可采用轉(zhuǎn)播方法以繞過暴變地區(qū)。10.3.4傳輸損耗的估算短波天波的傳輸損耗如圖10―3―9所示，其中基本傳輸損耗Lb通常是指電波在實(shí)際媒質(zhì)中傳輸時(shí)，由于能量擴(kuò)散和媒質(zhì)對電波的吸收、反射、散射等作用而引起的電波能量衰減，這里主要介紹基本傳輸損耗Lb。圖10―3―9短波天波傳輸損耗框圖基本傳輸損耗Lb可分成四部分，其中最主要的一項(xiàng)是自由空間基本傳輸損耗Lbf，第二項(xiàng)是電離層吸收損耗La，第三項(xiàng)損耗是多跳傳輸時(shí)地面反射所產(chǎn)生的大地反射損耗Lg，除此之外還有一些額外系統(tǒng)損耗Lp。若各項(xiàng)損耗均用分貝表示，則天波傳播的基本傳輸損耗Lb為

Lb=Lbf+La+Lg+LpdB(10―3―3)它們是工作頻率、傳輸模式、通信距離和時(shí)間的函數(shù)。1.自由空間基本傳輸損耗Lbf由于電波在傳播過程中，隨著距離的增大，能量擴(kuò)散到愈來愈大的球面上，從而引起功率流密度的下降，形成電波場強(qiáng)的“擴(kuò)散衰減”，其計(jì)算公式已由式（8―2―7）給出，即

Lbf=32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)dB(10―3―4)式中r為電波傳播的實(shí)際路徑長度，應(yīng)根據(jù)傳輸模式、通信距離和電離層高度進(jìn)行計(jì)算。Lbf是主要的傳輸損耗分量。2.電離層吸收損耗La電離層吸收損耗是天波傳輸損耗中的第二位因素，對短波而言，主要是指電波穿過電離層時(shí)由D層、E層引起的吸收損耗，即非偏移吸收。電離層的吸收損耗可近似按e-∫αdl求出，其中衰減系數(shù)由式（10―2―12）求出，即(10―3―5)3.大地反射損耗Lg這種損耗是在多跳傳輸時(shí)地面反射產(chǎn)生的，它與電波的極化、頻率、射線仰角以及地質(zhì)情況等因素有關(guān)。由于電波經(jīng)電離層反射后極化面旋轉(zhuǎn)且隨機(jī)變化，入射地面時(shí)的電波是雜亂極化的，因此，嚴(yán)格計(jì)算Lg值是有困難的，工程上處理的辦法是對圓極化波進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)入射電波是圓極化波，即水平極化分量和垂直極化分量相等，則地面反射損耗為(10―3―6)式中RV和RH分別是垂直極化和水平極化的地面反射系數(shù)，由下式給出:(10―3―7)(10―3―8)式中Δ為射線仰角。4.額外系統(tǒng)損耗Lp額外系統(tǒng)損耗Lp包括除上述三種損耗以外的其它所有原因引起的損耗，例如偏移吸收、Es層附加損耗、極化損耗、電離層非鏡面反射損耗等。圖10―3―9中的聚焦與散焦是指實(shí)際電離層等效反射面往往是彎曲的，當(dāng)這個(gè)面類似凹面反射鏡時(shí)，電波經(jīng)電離層反射到達(dá)地面的功率流密度，就比電離層為平面時(shí)反射的功率流密度要大，這就是電離層聚焦。通常電離層可能或多或少地出現(xiàn)這種情況。當(dāng)電離層等效反射面類似于凸面反射鏡時(shí)，電波經(jīng)電離層反射到達(dá)地面的功率流密度就比平面時(shí)反射的小，這就是電離層散焦。電離層的聚焦和散焦效應(yīng)，可使天波傳輸損耗產(chǎn)生5～10dB左右的變化。

Lp是一項(xiàng)綜合估算值，它是由大量電路實(shí)測的天波傳播損耗數(shù)據(jù)，扣除已指明的三項(xiàng)損耗后而得到的。Lp值與反射點(diǎn)的本地時(shí)間T（小時(shí)）有關(guān)，可按下述數(shù)值估算:Lp=18.0dB22＜T≤04Lp=16.6dB04＜T≤10Lp=15.4dB10＜T≤16Lp=16.6dB16＜T≤22(10―3―9)10.3.5