南京理工大學(xué) 天線及電波傳播第10次課

第10章天波傳播天波傳播(skywavepropagation)指電波由發(fā)射天線向高空輻射，經(jīng)高空電離層(Ionosphere)反射后到達(dá)地面接收點(diǎn)的傳播方式，又稱電離層傳播。長、中、短波都可以利用天波傳播。其優(yōu)點(diǎn)是傳播損耗小。缺點(diǎn)是短波波段內(nèi)信號(hào)不穩(wěn)定，有較嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。電離層不穩(wěn)定，有時(shí)造成信號(hào)中斷?？萍荚诎l(fā)展，天波傳播仍廣泛用于短波遠(yuǎn)距離通信中。10.1電離層概況高空大氣的電離源：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。太陽輻射的紫外線是主要電離源。圖10-1-1太陽風(fēng)X射線與紫外線紫外線電離層的電子密度與氣體密度及電離能量有關(guān)。氣體密度：上疏下密電離能量：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。D層氣體分子密度大，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)域損耗較大。E層能反射幾兆赫茲的電波。F層空氣極其稀薄，電子密度最大，碰撞概率低。10.1.2電離層變化規(guī)律電離層是一種隨機(jī)的，色散的，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。1.電離層的規(guī)則變化位置變化

赤道附近，太陽光照最強(qiáng)，電子密度最大。高緯度地方，電子密度較小2.電離層的不規(guī)則變化突發(fā)E層（或Es)層有時(shí)在E層中約120km高度會(huì)出現(xiàn)電子密度突增的現(xiàn)象。造成本來可以穿過E層的電波被它反射，使得定點(diǎn)通信中斷。一般Es層僅存在幾小時(shí)。D層突然吸收現(xiàn)象（時(shí)間較短,平均幾分鐘）太陽風(fēng)，速度約幾百上千km/s，到達(dá)地球需要30小時(shí)左右。帶電粒子流的空間分布范圍較窄。電子密度下降的影響是本來F2層反射的電磁波，被穿透，造成信號(hào)中斷。2001年4月多次出現(xiàn)太陽耀斑，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、重慶等電波工作站發(fā)射出去的探測(cè)信號(hào)全頻段消失。10.1.3電離層的等效參數(shù)電子運(yùn)動(dòng)速度電離層的相對(duì)介電常數(shù)er<1，且是頻率的函數(shù)，說明它是色散媒質(zhì)。對(duì)不同的頻率呈現(xiàn)不同的電導(dǎo)率。若n=w,則電離層的電導(dǎo)率最大，若n<<w,則電導(dǎo)率很小，近似為零。n>>w，電導(dǎo)率也很小。n主要取決于大氣分子熱運(yùn)動(dòng)速度及氣體密度，因而它是隨高度而變化的。D層對(duì)短波（3MHz~30MHz)呈現(xiàn)的電導(dǎo)率最大，E層次之。受地磁場(chǎng)影響，電離層具有各向異性的媒質(zhì)特性，即不同的電波傳播方向和不同的極化形式，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)。等效介電常數(shù)具有張量的性質(zhì)。地磁波對(duì)不同極化的電磁波影響不同，（傳播速度，折射率、傳播軌跡），產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。10.2無線電波在電離層中的傳播簡化以便于分析：(1)不考慮地磁場(chǎng)的影響，電離層各向同性。(2)電子密度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反射條件如滿足w2>>n2，將電子質(zhì)量、電子電量、e0的值代入上式，得N變大，則n變小，即隨著高度增加，折射率變小。軌跡：折射角大于入射角。當(dāng)qn=90o時(shí)，電波經(jīng)折射后傳播方向成了水平的，等相位面與地面垂直，這時(shí)電波軌跡達(dá)到最高點(diǎn)。由于等相位面的高處相速大，低處相速小，造成電波向下彎曲的傳播軌跡。繼續(xù)使用折射定律，電波沿著折射角逐漸減小的軌跡折回。反射條件（1）電離層反射電波的能力與電波頻率有關(guān)。入射角一定，f越低，要求的N越小，所以越易反射。f大到一定程度，超過電子密度的最大值，電波將穿透電離層。長波在D層反射。中波在E層反射，但是白天D層吸收較大。短波F層反射；超短波則穿出電離層。電離層反射電波的能力與入射角有關(guān)。Page214同一N處的斜入射頻率f電離層的正割定律：入射角越大，通信距離越大，允許頻率越高3、日夜10.2.2電離層的吸收基本規(guī)律：1.電離層的碰撞頻率越大，或電子密度越大，電離層對(duì)電波的吸收就越大。一般而言，夜晚電離層對(duì)電波的吸收小于白天的吸收。2.電波頻率越低，吸收越大。（自由電子受單方向電場(chǎng)力的作用時(shí)間越大，移動(dòng)的路程更長，碰撞的機(jī)會(huì)越大，消耗的能量就越大，電離層對(duì)電波的吸收就越大。所以短波天波工作時(shí)，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)，電離層的吸收隨著頻率的升高而減小，所以能以較小的功率借助電離層反射完成遠(yuǎn)距離傳播。可以傳播幾百到一二萬千米的距離，甚至環(huán)球傳播。10.3.1傳播模式同一模式不同路徑：滑行傳播(SlidingPropagation)電波頻率介于臨界頻率和最高頻率之間時(shí)，可出現(xiàn)電波在電離層滑行傳播，傳到很遠(yuǎn)的距離。多徑傳輸：對(duì)于一定的距離，電波傳播可能存在幾種傳輸模式和幾條射線路徑。再加上電離層的隨機(jī)變異性，接收時(shí)就存在嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象，引起傳輸失真。10.3.2短波天線傳播工作頻率的選擇頻率太高，雖然電離層的吸收小，但電波容易穿出電離層；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。（1）不能高于最高可用頻率(fMUF)fMUF與電離層的電子密度及電波入射角有關(guān)。N越大，fMUF越高電波頻率為最高可用頻率時(shí)，可能電波穿出電離層。2）不能低于最低可用頻率(fLUF)保證所需的信噪比的頻率為fLUF，由電離層的吸收、噪聲決定。晚上fLUF低，白天高最佳工作頻率fowF3）日頻、夜頻10.3.3短波天波傳播的幾個(gè)主要問題1.衰落現(xiàn)象嚴(yán)重3.靜區(qū)4.環(huán)球回波現(xiàn)象5.電離層暴10.3.4傳輸損耗的估算10.4中波天波傳播的介紹11.視距傳播超短波以上波段，電離層對(duì)其是透明的。直接、對(duì)視的傳播方式，稱為視距傳播。(PropagationOvertheLineofSight)傳播媒質(zhì)、地面11.1地面對(duì)視距傳播的影響忽略方向系數(shù)差異、忽略強(qiáng)度上的差異，B處的總場(chǎng)強(qiáng)為：反射系數(shù)與電波的投射角、電波的極化和波長及地面的電參數(shù)有關(guān)。GHzGHz水平極化時(shí)，地面的反射較接近理想導(dǎo)電地。特別是波長較長時(shí)。垂直極化時(shí)，低投射角，地面的反射較接近理想導(dǎo)電地。Brewster角GHz2地面上的有效反射區(qū)2光滑地面的判別準(zhǔn)則表11-1-1Dh的實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)11.1.2光滑球面地的情況1、視線距離球面的曲率對(duì)視線距離的影響視距距離的意義實(shí)際的視距傳播應(yīng)滿足亮區(qū)條件。否則繞射損失會(huì)加大電波傳播的總損耗。2.天線的等效高度H1,H2不等時(shí)，如何確定d1和d2則比較復(fù)雜，通常需要查表3.球面地的擴(kuò)散因子11.2對(duì)流層大氣對(duì)視距