第12章天波传播

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
12.3.1 传输模式──传播的途径 1F 2F 1E
F区 E区
多ห้องสมุดไป่ตู้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。
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
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。
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
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。
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↓
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 )
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。
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。
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
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。
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
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
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；
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。
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。