无线电波传播2电离层中的电波传播
(第六章)电波传播概论
式中，h1和h2的单位为米。 视距传播时, 电波是在地球周围的大气中传播的, 大气对电波
产生折射与衰减。 由于大气层是非均匀媒质, 其压力、温度与湿 度都随高度而变化, 大气层的介电常数是高度的函数。
天线 与电波传播
在标准大气压下, 大气层的介电常数εr随高度增加而减小，
并逐渐趋近于1, 因此大气层的折射率n= 随高度的增加而减 小。若将大气层分成许多薄片层, 每一薄层是均匀的, 各薄层的 折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过 每个薄层界面时, 射线都将产生偏折, 因而电波射线形成一条向 下弯曲的弧线， 如图 6-4 所示。
② 当工作波长λ和两天线高度h1和h2都不变时, 接收点场强随
两天线间距的增大而呈波动变化, 间距减小，波动范围减小，如 图6-7所示。
天线 与电波传播
图 6 – 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 6 –7 接收点场强随间距d的变化曲 线
天线 与电波传播
③ 当两天线高度h1和h2和间距d不变时, 接收点场强随工作波
图 6 – 8 接收点场强随工作波长λ的变化曲线
天线 与电波传播
6.3 天波传播
天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层 反射后到达接收点的传播方式, 有时也称电离层电波传播, 主要 用于中波和短波波段。
1. 电离层概况
电离层是地球高空大气层的一部分, 从离地面60km的高度 一直延伸到1000 km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分 布的, 因此, 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四 层, 每一个区域的电子浓度都有一个最大值, 如图 6- 9所示。 电 离层主要是太阳的紫外辐射形成的, 因此其电子密度与日照密 切相关——白天大, 晚间小, 而且晚间D层消失; 电离层电子密 度又随四季不同而发生变化。 除此之外, 太阳的骚动与黑子活 动也对电离层电子密度产生很大影响。
电离层无线电波传播
电离层无线电波传播dianliceng wuxian dianbo chuanbo电离层无线电波传播radio wave propagation in the ionosphere无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早先着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。
基本理论电离层由自由电子正离子负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。
带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。
由于自由电子的质量远小于离子的质量,一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。
但如电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，离子的影响也不能忽略。
由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的（见磁离子理论）。
电离层的形成和结构特性是受太阳控制的，因此它既随时间又随空间变化。
在这样复杂的介质中，分析无线电波传播问题必须建立相对简化的物理模型并根据电波的频率采用相应的理论和方法。
对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数，实验证明相当有效。
为人们普遍接受的磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-哈特里公式,它是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又被称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。
对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。
折射和反射电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。
因为电离层的折射指数小于1,电波在电离层中受到向下折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。
在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率就等于电子的等离子体频率。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式电离层对电波传播的影响面对二十多个业余波段，究竟该用哪一段?春夏秋冬阴晴雨雪对通信会有什么影响?当你对这些问题打算亲自体验一番之前，应该对无线电波的传播规律及各业余波段的特点等等先做些“调查研究”，这样才能事半功倍。
一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1)地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2)天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3)空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4)散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1.电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2）天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1．电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
在太阳紫外线强烈照射下，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成了自由电子和离子，即电离层。
由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。
无线电波传播理论
电离层传播模型需要考虑电离层 的结构、成分、电子密度等参数 ，以及电离层对电波的吸收和反 射等作用。
地面对无线电波的吸收
地面对无线电波的吸收是指电波在传 播过程中，由于地面物质的吸收作用 而导致的能量损耗。
VS
地面对无线电波的吸收与地面的物质 成分、湿度、温度等因素有关，不同 的地面类型对电波的吸收程度不同。
对流层传播模型
对流层传播模型适用于电波在对流层中的传播，由于对流层的气象条件复杂多变，电波传播受到大气 折射、散射、吸收等因素影响。
对流层传播模型需要考虑大气温度、湿度、气压等参数，以及气象条件对电波传播的影响。
电离层传播模型
01
电离层传播模型适用于电波在电 离层中的传播，电离层对电波的 折射、反射、散射等作用会影响 电波的传播路径和强度。
、雷达等领域。
无线电波的产生与传播
产生
无线电波可以通过电子运动、振荡器 、天线等设备产生。
传播
无线电波在传播过程中会受到多种因 素的影响，如大气、地形、建筑物等 ，其传播方式和距离也会因此而有所 不同。
02 无线电波传播方式
直射传播
直射传播是指无线电波直接从发射天线沿直线到达接收设备 ，不经过其他介质或物体的反射、折射或散射。直射传播的 路径损耗较小，信号质量较好，但受地形、建筑物等遮挡物 的影响较大。
自由空间传播模型
自由空间传播模型适用于电波在自由 空间中的传播，其假设电波在均匀介 质中沿直线传播，不受地球曲率、大 气折射等因素影响。
自由空间传播模型的公式为：$d = frac{c}{2pi f sqrt{epsilon}}$，其中 $d$为电波传播距离，$c$为光速，$f$ 为电波频率，$epsilon$为介电常数。
无线电波传播特性与频段的划分
无线电波传播特性与频段的划分
1.3 无线电管理
2、无线电管理的内容
（1）无线电台设置和使用管理 设置、使用无线电台（站）的单位或个人，必须
提出书面申请，办理设台审批手续，领取电台执 照。
（2）频率管理 国家无线电管理机构对无线电频率实行统一划分
和分配。频率使用期满，需要继续使用，必须办理 续用手续。
天 波 传 播
无线电波传播特性与频段的划分
1.2 无线电波的传播特性 (4)散射传播 :包括对流层散射传播和电离层散射传播两种模
式
无线电波传播特性与频段的划分
1.2 无线电波的传播特性 (5)地空传播:穿透电离层的直射传播模式称为地空传播 模式
无线电波传播特性与频段的划分
1.2 无线电波的传播特性
高频电子技术
无线电波传播特性与频段的划分
1.1 无线电频段和波段的划分 按频率高低划分的称为频段，按波长划分的称为波段。
无线电波传播特性与频段的划分
1.1 无线电频段和波段的划分
各个频段无线电波的应用范围也有所不同，下 表给出了不同频段无线电波的主要应用。
无线电波传播特性与频段的划分
1.2 无线电波的传播特性 1、无线电波的传播模式：
2、介质对无线电波传播的影响 (1)金属对于无线电波的屏蔽作用
金属是良导体，电磁波在金属中传播时会感应 出传导电流，这一电流在金属中流动时发热，电 磁波能量转化为热能，无线电波很快衰减。因此， 无线电波不能在金属等良导体介质中传播。根据 这个道理，用金属板围成一个密闭的房间，外面 的无线电信号就无法进入这个房间，这表明金属 对于无线电波有屏蔽作用。
管理的主要内容有以下三个方面：Biblioteka 无线电波传播特性与频段的划分
电离层物理与电波传播2
时间常数
在复杂的问题中，估计和比较两种不同的过程的时间常数，可以判断哪 种过程起控制作用。 比如，在电离层中，化学过程和扩散过程都具有潜在的重要性。不过， 在某些高度上，化学过程比输运过程慢得多，对这样的区域，可以只考 虑输运过程而忽略化学过程，在顶部电离层，情况大致如此；反之，化 学过程输运过程的时间常数相比，化学过程的时间常数短得多，可以只 考虑化学过程而忽略程输运过程，在 E 层和 F1 层，情况大致是如此。 影响电离层中化学反应速率的因素有多种。一般地讲，参与反应的成分 和密度与反应速率直接有关。此外，参与反应的成分的运动速率和温度 或碰撞频率也影响反应速率。获得反应速率定量的信息相当困难。
z 是约化高度， z ( h hm,o ) / H 。 将 ne( z )对 z 求导数，忽略 的高度变化，可以得到，当
ez cos
时，电子密度取极大值 nm nm,o cos1 / 2 ，
可见，电子密度极大以 cos1 / 2 的形式随天顶角变化。一个具有 这样性质的层称作 -Chapman 层。 在电离层中，E 层和 F1 层的属性最接近 -Chapman 层。
q=(1+)eNeNe=(1+)eNe2 由此可见，存在负离子时，生成率平方根仍然正比于平衡态电子密度， 仅仅数量上有变化。因子(1+)(e+i)常常称为等效复合系数。=0 对应不存在负离子的情况。
E 层和 F1 层
E 层电子密度峰值大约出现在 105 到 110km 高度。
E 层的形成与穿透较深、吸收不是很强的那部分太阳辐射有关。在
无线电波段划分及传播方式
无线电波段划分及传播方式频率从几十Hz（甚至更低）到3000GHz左右(波长从几十Mm 到0.1mm左右)频谱范围内的电磁波，称为无线电波。
电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播,有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。
发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程,就称为无线电波的传播。
无线电波的频谱，根据它们的特点可以划分为表所示钓几个波段.根据频谱和需要，可以进行通信、广播、电视、导航和探测等，但不同波段电波的传播特性有很大差别.光速÷频率=波长无线电波波段划分波段名称波长范围（m)频段名称频率范围超长波长波中波短波1,000，000~10,00010，000~1,0001，000~100100～~1010～11~0。
10.1~0。
010.01～0。
001甚低频低频中频高频甚高频特高频超高频极高频3~30KHz30~300KHz300~3,000KHz 3～30MHz30~300MHz 300～3，000MHz 3～30GHz30～300GHz超短波米波分米波厘米波毫米波电波主要传播方式电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播,也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层,飞向遥远的宇宙空间。
任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。
传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。
根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种:地表传播对有些电波来说,地球本身就是一个障碍物。
当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。
那些走直线的电波就过不去了。
无线电波传播
无线电波传播无线电波通过介质或在介质分界面的连续折射或反射，由发射点传播到接收点的过程。
无线电通信是利用无线电波的传播特性而实现的。
因此，研究无线电波的传播特性和模式，是提高无线电通信质量的重大课题。
传播模式通常指电磁波在各种介质中传播的一些典型方式。
在地球上，无线电波的传播介质有地壳、海水、大气等。
根据物理性质，可将地球介质由下而上地分为地壳高温电离层、地壳介质岩层、地壳表面导电层、大气对流层、高空电离层。
不同频率的无线电波，在各层介质中传播的折射率n和吸收衰减常数ɑ各不相同。
因而各种频段的无线电波在介质中传播均有其衰减较小的传播模式。
适于通信的传播模式主要有以下九种。
地壳波导传播以地壳表面导电层和地壳高温电离层为界面，以地壳介质岩层为介质形成地壳波导的传播模式。
超长波或更长波段的电波可以在地壳波导中传播到千余公里。
但由于深入地下数公里的天线难以建造，现在还不能实际应用于通信。
水下传播无线电波在海水中传播的传播模式。
电波在海水中的吸收衰减随频率升高而增大，目前仅用于超长波水下通信。
地表波传播无线电波沿地壳表面传播的传播模式，又称地波传播。
地面吸收衰减导致波阵面前倾，使单位距离吸收衰减率随传播距离的增大而增大。
地面吸收衰减随频率升高而增大。
地波传播无线电波传播无线电波传播用于中频（中波）以下频段。
电离层传播利用电离层和地面对电磁波的一次或多次反射进行传播的传播模式，又称天波传播。
电离层按高度由下而上地分为D、E、F1和F2等几个主要层次。
各个层次中部的电子密度最大值由下而上逐层增加，而电子和中性气体分子的单位时间碰撞次数则逐层减少。
电离层的高度和电子密度均随季节、昼夜和太阳黑子活动而变化（见图）。
无线电波只能在折射率n值随高度递减的区域开始折返地面，电波途径最高点处的折射率n值等于电波入射角θ0的正弦函数。
对应于某一折射角，存在一个最高频率，其传播途径的最高点可以达到F2层的最大电子密度区。
此频率称为最高可用频率MUF。
无线电波传播的基础知识
无线电波传播的基础知识要了解电磁辐射，那么对于无线电波的电波传播相关的基础知识就要有所了解，只有基于对电波了解、熟悉的基础上才能更好采取合适的电磁辐射的防护措施！一、无线电波的传播特性及信号分析甚低频：VLF，3-30KHz、超长波、波长1KKm-100Km、以空间波为主，主要用于海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航；低频：LF，30-300KHz、长波、波长10Km-1Km、以地波为主主要用于越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航；中频：MF，0.3-3MHz、中波、波长1Km-100m、以地波与天波为主，主要用于船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航；高频：HF，3-30MHz、短波、波长100m-10m、天波与地波,主要用于远距离短波通信；国际定点通信；甚高频：VHF，30-300MHz、米波、波长10m-1m、空间波主要用于电离层散射(30-60MHz)通信；流星余迹通信；人造电离层通信(30-144MHz)；对空间飞行体通信；移动通信等超高频：UHF，0.3-3GHz、分米波、波长1m-0.1m、空间波，主要用于小容量微波中继通信；(352-420MHz)；对流层散射通信(700-10000MHz)；中容量微波通信(1700-2400MHz)；特高频：SHF，3-30GHz、厘米波，波长10cm-1cm、空间波，主要用于大容量微波中继通信(3600-4200MHz)；大容量微波中继通信(5850-8500MHz)；数字通信；卫星通信；国际海事卫星通信(1500-1600MHz)等；ELF：极低频3~30Hz SLF：超低频30~300Hz ULF：特低频300~3000Hz VLF：甚低频3~30kHz LF：低频30~300kHz中波，长波MF：中频300~3000kHz、波长100m~1000m、中波主要用于AM广播HF：高频3~30MHz波长10~100m、短波主要用于短波广播VHF：甚高频30~300MHz波长1~10m、米波主要用于FM广播UHF：特高频300~3000MHz波长0.1~1m、分米波SHF：超高频3~30GHz波长1cm~10cm、厘米波EHF：极高频30~300GHz波长1mm~1cm、毫米波二、无线电波的传播无线电波按传播途径可分为以下四种：天波-由空间电离层反射而传播；地波-沿地球表面传播；直射波-由发射台到接收台直线传播；地面反射波-经地面反射而传播。
无线电波的传播和接收方式
无线电波的传播和接收方式随着技术的进步，无线电波已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
在这个信息时代，无线电信号传输已经成为了必备项。
因为，利用无线电通信技术可以实现无线电视、无线电话、无线宽带上网、电子邮件、短消息传输服务、卫星定位系统等等应用。
但是无线电波传播的方式千奇百怪，面对如此多的传播方式，你是否有些懵懂呢？这就需要我们来了解无线电波传播的方式和接收技术。
1. 电离层反射电离层是指地球大气圈中，紫外线、X射线和伽马射线等产生的电离作用所形成的电离带。
普通大气中没有电离，而电离层中的气体分子或原子被电离后，它们中的电子和游离氧原子中的自由电子形成了电子云层，层内电离度比较高，具有导电性。
当发射天线向电离层海拔较高处发送无线电波时，发射的无线电波被电离层反射后，向地面传送。
此时，反射的电离层电平决定了反射波的电平。
2. 折射当无线电波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的密度不同，无线电波的传播速度也会随之改变。
此时，无线电波为遵循折光定律而改变方向，这种现象叫做折射。
而且，无线电波的频率越大，波长越短，传播速度越快。
因此，高频无线电波的折射效应更显著。
3. 散射散射是指无线电波在碰到物体时，按照原来的方向反射，但是散射后的无线电波将分散到几个方向，而不是集中反射到一个方向。
其中，散射现象最常见的就是水雾的散射，此时，水滴会将无线电波分散到各个方向，再返回天线。
4. 多径传播多径传播是指多条路径的电磁波在混合后传到接收器处，破坏了原有信号的规律性，使得接受信号在时间和空间上产生了随机性。
这种现象常见于城市、山区或直升飞机等障碍物多的地方。
接下来我们来了解无线电波接收方式：1. 无线电接收机无线电接收机，是利用振荡电路、放大电路、检波电路等电路组成的电子设备，它的作用是将无线电波转换成音频信号。
而无线电波接收的效果，主要由以下四个因素决定：1、接收机的灵敏度2、接收机的选择性3、抗干扰能力4、接收机的随机变化因素2. 手机接收手机的无线电波接收是比较常见的，它利用了无线电波经历折射、反射、散射等方式传播的特性。
无线电波传播方式与各频段利用
⽆线电波传播⽅式与各频段利⽤⽆线电波传播⽅式与各频段的利⽤⽆线电通信是利⽤电磁波在空间传送信息的通信⽅式。
电磁波由发射天线向外辐射出去，天线就是波源。
电磁波中的电磁场随着时间⽽变化，从⽽把辐射的能量传播⾄远⽅。
⽆线电波共有以下七种传播⽅式（附图为⽆线电波传播⽅式⽰意图）。
（1）波导⽅式当电磁波频率为30kHz以下（波长为10km以上）时，⼤地犹如导体，⽽电离层的下层由于折射率为虚数，电磁波也不能进⼊，因此电磁波被限制在电离层的下层与地球表⾯之间的空间内传输，称为波导传波⽅式；（2）地波⽅式沿地球表⾯传播的⽆线电波称为地波（或地表波），这种传播⽅式⽐较稳定，受天⽓影响⼩；（3）天波⽅式射向天空经电离层折射后⼜折返回地⾯（还可经地⾯再反射回到天空）的⽆线电波称为天波，天波可以传播到⼏千公⾥之外的地⾯，也可以在地球表⾯和电离层之间多次反射，即可以实现多跳传播。
（4）空间波⽅式主要指直射波和反射波。
电波在空间按直线传播，称为直射波。
当电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界⾯时，还会像光⼀样发⽣镜⾯反射，称为反射波。
（5）绕射⽅式由于地球表⾯是个弯曲的球⾯，因此电波传播距离受到地球曲率的限制，但⽆线电波也能同光的绕射传播现象⼀样，形成视距以外的传播。
（6）对流层散射⽅式地球⼤⽓层中的对流层，因其物理特性的不规则性或不连续性，会对⽆线电波起到散射作⽤。
利⽤对流层散射作⽤进⾏⽆线电波的传播称为对流层散射⽅式。
（7）视距传播指点到点或地球到卫星之间的电波传播。
附表给出了从甚低频（VLF）⾄极⾼频（EHF）频段的电波传播⽅式、传播距离、可⽤带宽以及可能形成的⼲扰情况。
序号频段名称频段范围传播⽅式传播距离可⽤带宽⼲扰量利⽤4 甚低频（VLF）3-30kHz 波导数千公⾥极有限宽扩展世界范围长距离⽆线电导航5 低频30-300kHz 地波数千公⾥很有宽扩长距离⽆线电民航战在确定⽆线电系统实际通信距离、覆盖范围和⽆线电⼲扰影响范围时，⽆线电传播损耗是⼀个关键参数。
无线电波传播基础知识
RD4 朱宁
目录
1 概述 2 电波传播频段的典型应用 3 几种主要的电波传播方式 4 自由空间电波传播 5 惠更斯—菲涅耳原理 6 电波传播的菲涅尔区 7 极限直视距离 8 理想的户外测试环境
1 概述
人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千分之几赫（地磁 脉动），高达1030Hz量级（宇宙射线），相应的波长从1011m短 至10-20m以下。
– 功率单位 与P（瓦特）换算公式： – (10*P)dBm=(10*P)dB-30dB (P:瓦 ) 纯计数单位 – 首先， DB 是一个纯计数单位：对于功率，dB = 10*lg(A/B)。对
于电压或电流，dB = 20*lg(A/B).dB的意义其实再简单不过了，就 是把一个很大（后面跟一长串0的）或者很小（前面有一长串0的 ）的数比较简短地表示出来。如：
不均匀 介质
4 自由空间电波传播
不同的电波传播方式反映在不同传输媒质对电波传播的影响不同，带 来的损耗不同。
但是即使在自由空间传播，电波在传播的过程中的功率密度也不断衰 减。为了便于对各种传播方式进行定量的比较，有必要先进行电波在 自由空间传播的讨论。
M
Pr
r
A
dBm的概念: dBm即分贝毫瓦。
甚低频
– 典型应用为Omega(美)、α（俄）超远程及水下相位差导航系统，全 球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。
低频
– 典型应用为Loran C（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系 统，时间频率标准传递，远程通信广播。
中频
– 用于广播、通信、导航（机场着陆系统）
高频
– 用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。
电离层对电波传播的影响
电离层对电波传播的影响电离层是地球大气层中的一层，它由高能太阳辐射和宇宙射线引起的电离作用形成。
电离层对电波传播有着重要的影响，特别是对于无线电通信和卫星导航等应用来说，了解电离层的特性和影响是非常重要的。
电离层的特性电离层主要由电离气体和自由电子组成，其密度和结构随时间和地点的不同而变化。
电离层的高度大约在50公里到1000公里之间，其中最重要的层是F层、E层和D层。
F层的高度在200公里到400公里之间，是最重要的反射层，可以反射高频电波；E层的高度在100公里到150公里之间，可以反射中频电波；D层的高度在60公里到90公里之间，可以吸收较高频率的电波。
电离层对电波传播的影响电离层对电波传播的影响主要表现在以下几个方面：1. 折射和反射：电离层可以折射和反射电波，从而使电波在地球表面和电离层之间来回传播。
这种现象被广泛应用于无线电通信和卫星导航等领域。
2. 吸收：电离层中的自由电子可以吸收电波的能量，特别是在D层，这种吸收作用会导致电波的衰减和失真。
3. 多径传播：电离层中的电波可以沿着不同的路径传播，这种现象被称为多径传播。
多径传播会导致电波的干扰和衰减，特别是在高频电波的传播中。
4. 散射：电离层中的自由电子可以散射电波，从而使电波的传播方向发生变化。
这种现象被广泛应用于雷达和无线电定位等领域。
如何应对电离层对电波传播的影响为了应对电离层对电波传播的影响，我们可以采取以下措施：1. 选择合适的频率和天线：不同频率的电波在电离层中的传播特性不同，选择合适的频率可以减少电波的衰减和失真。
同时，选择合适的天线也可以提高电波的传播效率。
2. 优化信号处理算法：针对电波传播中的多径传播和干扰等问题，我们可以采用优化的信号处理算法来提高信号的质量和可靠性。
3. 加强监测和预测：通过加强电离层的监测和预测，我们可以及时了解电离层的变化情况，从而采取相应的措施来应对电波传播中的问题。
总结电离层对电波传播有着重要的影响，了解电离层的特性和影响是非常重要的。
天波传播天波传播
2、Cost231-Hata模型
Cost231-Hata模型是Hata模型在1500~2000MHz频段的扩展模型, 该模型适用范围为：
（一）无线电波的方式
4、散射传播 散射传播，就是利用大气层对流层和电离层的不均匀性来散射 电波，使电波到达视线以外的地方。如图9-3-1中4所示。对流层 在地球上方约10英里处，是异类介质，反射指数随着高度的增加 而减小。
（一）无线电波的方式
5、外层空间传播 外层空间传播，就是无线电在对流层，电离层以外的外层空间 中的传播方式。如图9-3-1中的5所示。这种传播方式主要用于卫 星或以星际为对象的通信中，以及用于空间飞行器的搜索，定位 ，更踪等。自由空间波又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和 外部空间的通信，以及陆地上的视距传播。视线距离通常为50km 左右。
•适用频段：1500~2000MHz •基站天线高度：30~200m •移动台天线高度：1~10m •覆盖距离：1~20km
2、Cost231-Hata模型
Cost231-Hata可以用式（9-3-2）、（9-3-3）和（9-3-4）表示：
城市区域：
Lp = 46.3 + 33.9 lgf - 13.82lghb + (44.9 – 6.551ghb)lgd - Ahm + Cm
表9-3-1 几中常用的传播模型
（三）传播模型的应用
1、Okumura-Hata模型
Okumura-Hata模型是依据在日本东京地区城市实际的平均测量 数据进行统计分析得出的中值路径损耗预测模型，由Hata整理为计 算公式。
无线电波传播手册
无线电波传播手册第一章无线电波传播原理1.1 无线电波的产生无线电波是一种由电磁场产生的电磁波，其产生过程基于电磁感应定律。
1.2 无线电波的特性无线电波具有波长、频率、速度等特性，其传播受到地形、天气、电离层等因素的影响。
1.3 无线电波的传播方式无线电波的传播方式主要有直线传播、地面传播、天波传播、散射传播等。
第二章空中传播2.1 直射传播直射传播是指无线电波直接从发射天线到达接收天线的传播方式，适用于开放空旷地区。
2.2 折射传播折射传播是指无线电波在穿过不同介质界面时，由于光速的改变而发生弯曲的传播方式。
2.3 绕射传播绕射传播是指无线电波在遇到屏障或障碍物时，在其周围或边缘绕过的传播方式。
2.4 天波传播天波传播是指无线电波在特定频段通过电离层反射和折射后传播到地面的方式。
第三章地面传播3.1 地波传播地波传播是指无线电波在地面与天线之间的接触面上沿地球曲率传播的方式。
3.2 多径传播多径传播是指无线电波由于地面反射、散射等产生多条传播路径，到达接收天线的方式。
3.3 衍射传播衍射传播是指无线电波在遇到障碍物边缘时弯曲传播的方式，适用于山谷、城市建筑密集区等地形。
第四章天波传播4.1 电离层基本概念电离层是指地球大气中电离分子和自由电子较为密集的区域，对无线电波的传播有重要影响。
4.2 太阳活动与天波传播太阳活动引起的电离层变化会对天波传播产生显著影响，太阳黑子数量与无线电通信质量存在关联。
4.3 天波传播相关参数天波传播的状况可通过参数如电离层频率、MUF（最高可用频率）等进行描述和预测。
第五章散射传播5.1 散射现象及机制散射传播是指无线电波在穿越大气中的气体、雾霾、云层等微粒时发生分散传播的现象。
5.2 散射传播的影响因素散射传播的影响因素主要包括频率、信号强度、物体粒径和散射角度等。
5.3 散射传播在通信中的应用散射传播在通信中常用于障碍物背后的信号传输、城市建筑物信号强化等。
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题包括：
1. 介质特性：电离层是由高度电离的气体组成，其电磁波传输特性与常规的空气或真空介质不同。
电离层中存在的离子和自由电子可以对电波的传播速度、传播方向和极化状态产生影响。
2. 折射和反射：电离层中的离子和自由电子可以使电波产生折射和反射。
表面反射和天线朝向的角度也可以影响电波的传输。
3. 大气异常传播：电离层中的等离子体密度分布与地球表面物理区域分布的不均匀性相结合，会导致一些异常传播现象，例如超视距和多路径传播等。
4. 色散和吸收：电离层中不同频率的电波对等离子体的折射率有不同的响应，从而产生了色散现象。
同时，在高频率下，电离层的吸收也非常显著，这将限制电波的传播距离。
综上所述，电离层中电波传播的物理问题非常复杂，需要对空间中等离子体的物理特性、电磁波的传输特性、落地大气的情况等多方面进行综合研究。
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2
h( f p )
2 0
h' (
f
p
sin
)d
（6-41）
arcsin f f p
（2）克尔索（Kalso）方法
令
2 0
h' (
f
p
sin
)d
h' ( f p sin i )i
i
i 取 0 到 π/2内的多个间隔时，多项式
有最佳近似。
引入 fi f p sin i
得到
h( f p )
Ionogram’s characteristics
例：设电离层中，对于h > h0 的高度处的等离子
体频率为fp2= (h-h0)， 是常数，试计算出电离
层的虚高h‘，真高hr和相 高hp，并比较它们的大 小。
相高 < 真高 < 虚高
三、垂直电离图分析
1、模型法（比较法）
以抛物模型为例。
Nm Ne Nm
• The frequencies at which this occurs are called the critical frequencies. The critical frequency of each layer is scaled from the asymptote, and the virtual height of each layer is scaled from the lowest point on each curve
6 Nmax
跳距、高／低角射线
5 4
This page reports the real time ionograms recorded in Gibilmanna by the new Advanced Ionospheric Sounder (AIS). The critical frequency foF2 and MUF(3000)F2 are scaled by Autoscala program. The AIS and Autoscala were developped at the INGV. This page is updated every 15 minutes.
（2）谐振
等离子体谐振 磁回旋谐振
fp
1
2
Nee2
0 me
fH
1
2
eB0 me
上混合He
§6.4 斜向传播
斜向传播——无线电波以同垂直方向成一定角 度（非零）斜向入射到电离层后的传播称为斜向 传播。
可用频段——能利用电离层进行斜向传播的无 线电波的频率范围。其上限由电离层的最大电子 密度决定，下限由D区吸收、噪声电平和干扰等 因素决定。
§6.3 垂直传播中的几个问题
二、电离层垂直探测
1、探测原理
1) 0 点为反射点 2) 与N, f 等量有关 3) h' 1 c
2 4)h' ~ f
2、频高图
h' ~ f的函数 曲线称为频高图。
Ionospheric Station of Gibilmanna
Latitude 37.9 N XXXX Longitude 14.0 E Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)
hm Ym
h
2
或
2
Ne Nm
1
hm Ym
h
Nm : 最大电子浓度 hm : 最大电子浓度对应的高度 Ym : 层的半厚度
由推导的结果可得：
hm h' f 0.834 fc
以及
hm
1 2
Ym
h' (0.648 fc )
1 hm 2 Ym h' (0.925 fc ) 即
Ym h' (0.925 fc ) h' (0.648 fc )
Characteristics
• Each ionospheric layer shows up as an approximately smooth curve, separated from each other by an asymptote at the critical frequency of that layer.
2、空间分辨率与频率分辨率
• 近地轨道上卫星的水平速度近似为5－10km/s • 脉冲重复频率为30Hz的顶探器，在两脉冲之间时 间间隔内可移动160－330m.
3、顶部电离层图
（1）低截止频率与等离子体频率的关系
o波
f p fos
x波
f p f xs ( f xs fH )
z波
f p fzs ( fzs fH )
• The upwardly curving sections at the beginning of each layer are due to the transmitted wave being slowed by, but not reflected from, underlying ionisation which has a plasma frequency close to, but not equal to the transmitted frequency. For frequencies approaching the level of maximum plasma frequency in a layer, the virtual height tends to infinity, because the pulse must travel a finite distance at effectively zero speed.
2、直接积分法
（1）积分反演表达式
h'( f )
hr 0
'dh(
f
p
)
（6-38）
h'( f ) hr
hr 0
(
'
1)dh(
f
p
)
hr
Nr '1 dN
0 dN
dh
（6-39）
可将 μ’ 的主要特性表示为：
'
M
1
Ne
Nr
1
2
（6-40）
通常M=1，这时，方程（6-38）是阿贝尔方 程，其解是
1 n
n i 1
h'( fi )
（6-42）
再由公式
Ne
4
2 0 me
e2
f p2 1.24 1010 f p2
计算出Ne随高度的变化值，即得到电离层 的电子浓度剖面。
[m3 ]
例：用直接反演法求电子浓度。
四、顶部电离层探测
1、顶部电离层探测的内容
主要探测电离层峰到卫星（或火箭）探测器之间 的空间的电子浓度分布。