第9章 地面波傳播

第9章地面波傳播

9.0媒質(zhì)對(duì)電波的影響9.1地球表面電特性9.2地面波的傳播特性9.3地面波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算9.4地面不均勻性對(duì)地面波傳播的影響本章內(nèi)容無(wú)線電波傳播的實(shí)際媒質(zhì)包括地球環(huán)境和宇宙空間。主要有兩方面：電波在其中傳播時(shí)受媒質(zhì)的電參數(shù)的影響；電波遇到不同媒質(zhì)交界面的影響媒質(zhì)對(duì)平面波的影響

均勻媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)

為了既反映媒質(zhì)的介電性εr，又反映媒質(zhì)的導(dǎo)電性σ，可采用相對(duì)復(fù)介電常數(shù)其中,ε0＝1/36π×10-9F/m；λ是自由空間波長(zhǎng)。對(duì)極大多數(shù)媒質(zhì)即半導(dǎo)電媒質(zhì)中的電磁波均勻絕緣介質(zhì)中介質(zhì)折射率半導(dǎo)電媒質(zhì)中半導(dǎo)電媒質(zhì)中折射率媒質(zhì)吸收系數(shù)相位常數(shù)衰減常數(shù)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)。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)的現(xiàn)象。電波在半導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播傳播速度媒質(zhì)吸收系數(shù)判斷某種媒質(zhì)是呈現(xiàn)導(dǎo)電性還是介電性

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)。當(dāng)傳導(dǎo)電流比位移電流大得多,即60λσ/εr>>1時(shí)，媒質(zhì)具有良導(dǎo)體性質(zhì)；當(dāng)位移電流比傳導(dǎo)電流大得多,即60λσ/εr<<1時(shí)，可視為電介質(zhì)；而二者相差不大時(shí)，稱為半導(dǎo)電介質(zhì)。不同介質(zhì)分界面上的反射與折射反射波：入射角等于反射角折射波：入射角與折射角與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)n1n2地面波傳播GroundWavePropagation/表面波傳播Surface-WavePropagation

：無(wú)線電沿著地球表面?zhèn)鞑?。適用波段：中波、長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波的遠(yuǎn)距離導(dǎo)航、對(duì)潛通信；短波、超短波的軍事近距離通信、偵察和干擾。優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗小，作用距離遠(yuǎn)；受電離層擾動(dòng)影響小；傳輸情況穩(wěn)定，有較強(qiáng)穿透土壤和海水的能力。缺點(diǎn)：大氣噪聲電平高，工作頻帶窄。9.1地球表面電特性地球結(jié)構(gòu)示意圖

地面對(duì)電波傳播的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：地面的不平坦性，當(dāng)?shù)孛嫫鸱黄降某潭认鄬?duì)于電波波長(zhǎng)來說很小時(shí)，地面可近似看成是光滑地面。對(duì)于長(zhǎng)波和中波傳播，除高山外均可視地面為平坦的。地質(zhì)的情況，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(duì)介電常數(shù)εr）、電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ。地面的電參數(shù)

地質(zhì)導(dǎo)電性與介電性的衡量：60λσ/εr>>1時(shí)，大地具有良導(dǎo)體性質(zhì);60λσ/εr<<1時(shí)，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時(shí)，為半電介質(zhì)。各種地質(zhì)的60λσ/εr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(shí)，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。一方面由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，使電波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并引起電波吸收；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的方式進(jìn)行。地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。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造成電場(chǎng)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。波前傾斜現(xiàn)象xE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(b)E1(a)電場(chǎng)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(chǎng)分量地面波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)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)利用邊界條件，有若地面滿足M.A.列翁托維奇近似邊界條件：利用邊界條件又在空氣中有:在界面大地一側(cè)的電、磁場(chǎng)水平分量之間滿足地面波各場(chǎng)分量

式中地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量若已知E1x地面波傳播特性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。波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實(shí)用意義?？梢圆捎孟鄳?yīng)形式的天線，有效地接收各場(chǎng)強(qiáng)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

波前傾斜角為地面上電場(chǎng)為狹長(zhǎng)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(chǎng)是與橢圓長(zhǎng)軸方向一致的線極化波。地面波在傳播過程中有衰減。沿-x方向傳播的功率流密度頻率越低，地面對(duì)電波的吸收越小。因此地面波傳播方式特別適用于長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波波段。電波的傳輸損耗傳播較穩(wěn)定。由于大地的電特性、地貌地物等不會(huì)隨時(shí)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(hào)穩(wěn)定。有繞射損耗。障礙物越高，波長(zhǎng)越短，則繞射損耗越大。長(zhǎng)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。9.3地面波場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算

千米時(shí)，必須考慮球面地造成的繞射損耗。地面衰減因子輻射功率方向系數(shù)一般計(jì)算E1x有效值的表達(dá)式為

工程應(yīng)用上，常采用國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)（CCIR）推薦的一組曲線（布雷默Bremmer計(jì)算曲線），來計(jì)算E1x。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(jì)算的是E1x的有效值。海水表面?zhèn)鞑デ€濕地表面?zhèn)鞑デ€干地表面?zhèn)鞑デ€當(dāng)Pr≠1kW，D≠3時(shí)，則換算關(guān)系為當(dāng)Pr=1kW，D=3時(shí)9.4地面不均勻性對(duì)地面波傳播的影響

近似計(jì)算方法假設(shè)電波在第2段路徑遭受到的吸收與第1段的吸收無(wú)關(guān)，可以分段計(jì)算。首先按下式計(jì)算B點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng):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(chǎng)強(qiáng)不變，天線輻射功率應(yīng)由原來的Pr調(diào)整到一個(gè)新的數(shù)值P′r，其大小由下式確定:所以式中A2(r1)是地質(zhì)為ε2、σ2，距離為r1的衰減因子?，F(xiàn)在，輻射功率P′r

在完全是第2種地質(zhì)情況下傳播至C點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)就被認(rèn)為是原來的數(shù)值。因而可求得C點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為式中,E1(r1)是電波在第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場(chǎng)強(qiáng);E2(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(chǎng)強(qiáng);E2(r1＋r2)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(chǎng)強(qiáng)。

——不滿足互易原理。

為了補(bǔ)救這一缺點(diǎn)，密林頓（Millington）提出取兩者的幾何平均作為近似解，即接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為

用上述方法計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)雖然不嚴(yán)格，但方法簡(jiǎn)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。

對(duì)電波在不同性質(zhì)地面上的傳播進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果對(duì)于合理選擇收發(fā)兩點(diǎn)的地質(zhì)情況具有重要意義。三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D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

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)射天線和接收天線的地區(qū)，對(duì)地面波的吸收起決定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情況對(duì)整個(gè)路徑衰減的影響不如兩端大?？梢园训孛娌ǖ膫鞑ミ^程和飛機(jī)的飛行相比擬，好像電波是從發(fā)射天線地區(qū)起飛，在離開地表面一定高度上向接收天線方