第12章天波传播

0
sinθ0 = εn = 1− 80.8Nn / f
2
讨论（重点）
sinθ0 = εn = 1− 80.8Nn / f
2
1.电波频率越低，越易反射；
f1<f2<f3
sinθ0 = εn = 1− 80.8Nn / f
2.入射角越大，越易反射；
2
θ1
θ2
θ3
θ1< θ2< θ3
3.存在最高频率fmax──以一定θ0 入射，能从电离层反射回来的频率。 受到Nmax限制。
第12章 天波传播
12.1 电离层概况 12.2 无线电波在电离层中的传播 12.3 短波天波传播
适用：长、中、短波， 尤其适合短波的远距离通信； 优点：损耗小，从而可用较小的 功率进行远距离通信； 缺点：信号很不稳定。
12.1 电离层概况
一．电离层的结构特点 二、电离层的变化 三、电离层的等效电参数
sinθ0 = εn = 1− 80.8Nmax / f max
2
f max =
80 .8 N max 2 cos θ 0
θ0=00垂直入射时，电离层能反 射的最高频率——临界频率fc
f c = 80.8N max
fmax = fc secθ0
与射线仰角Δ相联系
sinθ0 sin(90 + Δ) = R R+h
12.3.2 工作频率的选择
fLUF <f< fMUF
在能反射回来的条件下,尽量把频 率选得高些,减少电离层对电波能量的 吸收； 不能把频率选在fMUF,因电离层不 取最佳工作频率fOWF＝85％fMUF
稳定, 当N变小时,电波可能穿出电离层。
一日之内适时改变工作频率
10
f(兆赫)
9 8 7
OWF f=7.7兆赫
12.3.1 传输模式──传播的途径 1F 2F 1E
F区 E区
多径传输现象
当电波以与地球表面相切的方 向即射线仰角为零度的方向发射时, 可以得到电波经电离层一次反射 (称一跳)时最长的地面距离。
E反射,一跳2000km; F反射,一跳4000km； 通信距离<4000km,往往通过F层一次反 射来实现,1F模式。 通信距离>4000km,不可能有单跳模式。
3）随太阳黑子11年周期的变化
300 太 阳 200 黑 子 数 100
0
1900
1920
1940
1960
1980
2000
年份
4）随地理位置变化 纬度低,N↑,南方电子密度>北方 2．电离层的不规则变化 1)突发E层（或Es层） 2)D层突然吸收现象(电离层骚扰) 3)电离层暴
400 300 正常情况 F F
Hale Waihona Puke Baidu
12.3.4 短波天波传播的特点
（1）能以较小的功率进行远距离传播。例如， 发射功率为150瓦的电台，用64米双极天线，通 信距离可达1000多千米。 （2）白天和夜间要更换工作频率。 （3）传播不太稳定，衰落严重。
（4）天波传播由于随机多径效应严重，多径时延τ较 大，多径传输媒质的相关带宽较小，因此对传输的 信号带宽有较大的限制。 （5）电台拥挤、干扰大。尤其是夜间，由于电离层 吸收减弱，干扰更大。
2
吸收规律（重点）： 1.电子密度大，吸收大; 2.对短波,主要是D层的吸收(非偏移 吸收); 3.白天的吸收大于夜晚; 4.频率低，吸收大。 ∴在能反射回来的前提下，尽量选 择较高的工作频率。
12.3 短波天波传播
12.3.1 传输模式 12.3.2 短波天波传播工作频率的选择 12.3.3 短波天波传播的几个主要问题 12.3.4短波天波传播的特点
太阳发生 耀斑爆发
高 度 km 200 100 D 109
电离层骚扰时 E D 1010 1011 1012 1013 N(个/m3) E
108
电离层骚扰时电子密度增大
三、电离层的等效电参数
Ne εr = 1 − 2 2 ε 0m (ω + ν ) N ≈ 1 − 80 . 8 2 < 1 f Ne ν σ = 2 2 m (ω + ν )
2 2
12.2 无线电波在电离层中的传播
一、反射条件（重点） 二、电离层的吸收
一、反射条件
θ2 ' θ0 ' θ 1 θ0 Δ θ1 ' θ 2
n3 n2 n1 n0
n = ε r = 1 − 80.8 N / f
2
εr 0 sin θ0 = εr1 sin θ1 = εr 2 sin θ2 = L = εrn sin 90
Ne εr = 1 − 2 2 ε0m(ω + ν )
⎣
2
Ne ν σ= 2 2 m(ω + ν )
2
μ 0ε 0 ⎡ 2 2 α =ω ε r + (60λσ ) − ε r ⎤ ⎢ ⎥
2 ⎦
对于短波，衰减系数
σ μ 60πσ = α≈ = 2 ε εr 60πNe v 2 2 ε r m( ω + v )
11.3.3 短波天波传播的几个主要问题 1．衰落现象严重 衰落现象是接收点信号振幅忽 大忽小不规则变化的现象。
慢衰落：周期从几分钟到几小时甚 至更长，吸收型衰落，由电离层的 吸收变化引起，有年月、季节、昼 夜的变化。 快衰落：周期在十分之几秒到几秒 之间,干涉型衰落,由多径效应引起。
近距离衰落：地波与天波干涉； 远距离衰落：由不同反射次数的天波干涉 形成； 漫射现象引起的衰落：由于电离层的不 均匀性； 双折射效应引起的衰落；
0
h Δ
θ0
2h sin Δ + R cos2 θ0 ≈ 1 + 2h / R
2
R
80.8Nmax(1+ 2h / R) fmax = 2 sin Δ + 2h / R
二、电离层的吸收 非偏移吸收（穿透吸收）：D层吸 收（通常包括E层吸收）； 偏移吸收（反射吸收）：在E层或 F层反射点附近产生的吸收。
MUF
6 f=6.5兆赫 5 0 4 8 12 16 20 本地时间（小时）
24
通常在电子密度急剧变化的黎 明和黄昏时刻适时地改变工作频率。 例如在清晨时分，若过早地将 夜频换为日频，则电子密度仍较小， 致使电波穿出电离层而使通信中断。 若太晚，则电子密度已很大， 致使吸收太大，接收点信号电平过 低，从而不能维持通信。
极化衰落：由于电离层各向异性， 线极化平面波经电离层反射后为 一椭圆极化波，主轴方向及轴比 随N改变。 波长越短，相位差的变化越大， 衰落现象越严重。 克服办法：采用分集式接收
2.多径时延效应 多径时延：多径传输中最大的传输 时延（到达接收点的时间延迟称时 延）与最小的传输时延之差，以τ 表示，与工作距离、频率等有关。
一、电离层的结构特点 F层 8×1011~ 2×1012/m3 E层 2.5×1011/m3 D层 2.5×109/m3 170～300km 90～150km 60~90km
二、电离层的变化
1．电离层的规则变化 1）日夜变化 白天电子密度>夜晚 中午电子密度>早晚 夜间:D层消失──复合 E层高度降低/电子密度降低; F1F2层合并成F层,N↓到拂晓时最小； 2）季节变化 夏季电子密度>冬季 F2层例外:夏季电子密度<冬季， 因为夏天气体膨胀，所以N↓
3.静区
电离 层
))) )))))) )))))) r1 地面波
静区
r2
4.电离层暴的影响 太阳表面突然出现耀斑时，辐射出强大的 紫外线和大量的带电粒子，使电离层的正常 结构遭到破坏，特别是对于最上面的 F2 层影 响最大，因而可能造成信号突然中断。
进行电离层暴的预测预报，以便事先采取 适当措施；选择较低工作频率，当信号突然中 断时，立即使用较低工作频率利用 E 层反射； 增大发射机功率，使反射回地面的电波增强； 在电离层暴最严重时刻，若利用以上方法尚不 能恢复正常时，可采用转播方法以绕过暴变地 区。
多径时延（毫秒）
多径时延τ与工作距离的关系 ——萨拉曼实验曲线
10 8 6 4 2 0 102 2 3 4 5 103 2 3 4 5 104 2 3 4 5 105 通信距离（千米）
由于 N 的变化，造成多径时延随着时 间而变化。在日出日落时刻，N 剧烈变化， 多径时延现象最严重最复杂，而中午和子 夜时多径时延一般较小且较稳定。多径时 延不仅随日时变化，而且在零点几秒～几 秒时间内都会有变化。