短波的电波传播特点和工作频率选择

科技信息2013年第1期

ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

短波通信利用电离层折射，可以不依赖任何中继系统与数百千米到数千千米外的地方建立通信联络，短波通信按传播途径可分成地波和天波两种基本传播途径，由于电离层不断变化，使通过天波传播的短波信道并不稳定，影响短波通信的效果。只有透彻认识和运用短波电波的传播特点，才能发挥短波通信的应有效能，建立稳定可靠的通信联系。在短波电台灵敏度和发射功率、天线架设、地形地物均已确定的情况下，工作频率成为决定通信质量的唯一可选因素。本文主要就短波通信特别是短波天波通信的电波传播特点和工作频率选择问题作简要的探讨。

1短波的地波通信与工作频率选择

地波是指沿地球表面传播的电波，基本不受昼夜、季节等条件影响，因此信号稳定。地波传播时在大地产生感应电荷，这些电荷随电波前进而形成地电流。由于大地有一定的电阻，地电流流过时要消耗能量，形成大地对电波的吸收。地电阻的大小与电波频率有关，频率越高，吸收作用越明显。地波的场强与传播距离成反比，距离越远，信号强度越弱，远至一定距离，信噪比将降低到无法保证可靠通信的程度，导致通信中断。短波地波传播的噪声主要来自大气的天电和周围工业设备的电气干扰。

短波电台可利用地波传播方式在几千米至几十千米距离内建立稳定可靠的通信联络，其有效距离主要取决于短波电台的发射功率、天线的架设方式、传播路径上的地形地物影响及使用的工作频率。鉴于频率越低，大地对电波的吸收作用越小，短波电台利用地波传播方式进行通信联络宜选用短波频率的低段（3-6MHz）。

2短波的天波通信与工作频率选择

天波是指地面发出的经电离层折射返回地面的电波。电离层随昼夜、季节、年度而变化，导致天波传播状况随时变化，直接影响着不同频率短波电波的传播。

（1）电离层对电波的折射和反射

太阳辐射使地球大气中的氮、氧原子失去电子，形成离子，进而这些电离化的气体形成所谓电离层，其分布高度距地面几十千米至上千千米。有了电离层对于短波信号的折射作用，才使远距离通信成为可能。电离层可看成具有一定介电常数的媒质，电波进入电离层会发生折射。折射率与电子密度和电波频率有关，电子密度越高，折射率越大；电波频率越高，折射率越小。电离层电子密度随高度的分布是不均匀的，随高度的增加电子密度逐渐加大，折射率亦随之加大。可以将电离层划分为许多薄层，电波在通过每一薄层时都要折射一次，折射角依次加大，当电波射线达到电离层的某一点时，该点的电子密度值恰使其折射率为90°，此时电波射线达到最高点，尔后沿折射角逐渐减小的轨迹由电离层深处折返地面。当频率一定时，电波射线入射角越大，则越容易从电离层反射回来。当入射角小于一定值时，由于不能满足90°的折射角的条件，电波将穿透电离层进入太空不再返回地面。当入射角一定时，频率越高，使电波反射所需的电子密度越大，即电波越深入电离层才能返回。当频率升高到一定值时，亦会因不能满足90°折射角的条件而使电波穿透电离层进入太空，不再返回地面。

（2）电离层对电波的吸收

当电波通过电离层时，电离层中的自由电子在电波的作用下作往返运动，互相碰撞，消耗的能量来自电波，即为电离层对电波的吸收。吸收效果主要与电子密度和电波频率有关，电子密度越高、电波频率越低，吸收越大，反之则低。当吸收作用大到一定程度时，电波强度将不能满足短波电台的信噪比要求，导致通信中断。太阳耀斑期间，电波在电离层遭到强烈的吸收，以至接收不到由电离层反射的短波信号，造成短波通信中断。

（3）电离层的变化规律

电离层中电子密度呈层状分布，对短波通信影响大的有D层、E 层、F1层、F2层，各层之间没有明显的分界线，电子密度D层＜E层＜F1层＜F2层。由于电离层的形成主要是太阳辐射的结果，因此电离层的电子密度与阳光强弱密切相关，随地理位置、昼夜、季节和年度变化而变化，其中昼夜变化的影响最大。

D层是电离层中最靠近地面的一层。它在中午的时候电离程度最高，但离子很容易丢失，所以D层中午电子密度最大，入夜后很快消失。这一层只是吸收电波的能量，而不反射它们。D层电离化的程度越高，吸收电波的能力越强。

跟D层类似，没有阳光照射的时候E层失去离子的速度很快，因此它主要在白天影响传播。白天电子密度增加，晚上相应减少。但是E 层不像D层那样吸收较低频率的电波的能量而让较高频率的通过，E 层可以把电波反射回地面。在晚上E层非常弱，电波都能穿透它。

F1和F2层合称为F层，F1层中午电子密度最大，入夜后很快消失；F2层下午达到最大值，入夜逐渐减少，黎明前最小。对于远距离短波通信来说F层是最为重要的，F层在白天和晚上都存在，只是在晚上F层比较薄。因此F层在白天能把比较高频率的电波反射回地面，而到了晚上就让较高频率的电波通过。一般来说，在晚上可以把10～15MHz的信号反射回地面。

夜间D层消失，E层也变得很弱，F1和F2层合到了一起。由于没有D层的吸收作用，我们可以使用较低频率的无线电信号，这也是我们可以在晚上听到很多国外中波广播的原因。而那些在白天可以被反射的电波，在晚上则穿过了不够厚的F层。

能被F层反射的最高频率被称为最高可用频率。工作频率选择接近最高可用频率是一个较好的选择。因为低于这个频率的将被吸收得多，而高于这个频率的又容易穿透电离层。有时最高可用频率甚至降到了5MHz以下，这是由于电离层的扰动或者是F层过于稀薄。同样，太阳周期的最低点也会造成这种情况。太阳黑子可以使电离层的反射短波信号的能力增强。而太阳流又会使电离层扰动导致电磁暴，骚动的电离层会吸收电波。

（4）短波天波通信的工作频率选择

由于电离层的高度及电子密度主要随日照强弱昼夜变化，因此工作频率的选择是影响短波通信质量的关键。这就决定了为取得良好的通信效果，短波通信的工作频率必须随电离层的变化而改变。我们应在通信距离和天线架设、地形地物等因素确定的情况下，根据通信时段、气象条件等因素在一定范围内对工作频率进行调整，选择最佳频率，避开干扰频率，以达到最佳通信质量。

一般来说，选择工作频率应考虑以下原则：

（1）不能高于最高可用频率

当通信距离一定时，可以被电离层反射回来的最高频率叫最高可用频率，通信频率不能高于最高可用频率，否则电波将（下转第88页）

浅谈短波的电波传播特点和工作频率选择

张太福韩宇

（中国人民武装警察部队新疆总队司令部通信站，新疆乌鲁木齐830063）

表1

时段频率

距离

500千米1000千米2000千米

0时最高可用频率 5.4MHz7MHz11.5MHz 最佳工作频率 4.6MHz6MHz10MHz

4时最高可用频率 5.3MHz 5.9MHz7MHz 最佳工作频率 4.5MHz5MHz6MHz

8时最高可用频率8.3MHz11.8MHz21MHz 最佳工作频率7MHz10MHz18MHz

12时最高可用频率18.8MHz23MHz33MHz 最佳工作频率16MHz20MHz30MHz

16时最高可用频率16MHz21MHz32MHz 最佳工作频率14MHz18MHz28MHz

20时最高可用频率9.5MHz11.8MHz18MHz 最佳工作频率8MHz10MHz16MHz

24时最高可用频率 5.4MHz7MHz11.6MHz 最佳工作频率 4.6MHz6MHz10MHz

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