无线电波传播 第六讲 3 近地区域中性介质内的电波传播
电波传播环境介绍
目前, 人们倾向性的看法是把地球磁场对带电粒子运动起主要 控制作用的那部分电离区域称为磁层。
它是指由于“太阳风”(通常指宁静太阳辐射的带电粒子流) 与地球磁场相互作用, 使得地球磁场变形的那部分区域。
平流层内温度随着高度增加 而上升, 到了50 km左右的高 度, 温度出现最大值约为263 K, 这里就叫做平流层顶。 平流层顶以上就是中层, 中 层内温度随高度增加而迅 速下降, 是一个低温带, 到 了90 km左右的高度, 温度 出现最小值约为183 K左 右, 这就是中层顶。
中层顶以上就是热层, 热层内温度随着高度增加而上升,到了400 km左右的高度, 温度可达上千度。
一、地球及外围空间
地球是太阳系中的一个行星，形状为一略扁的球体，长 半轴约为6378km，短半轴约为6357km，长短半径相 差约为21km，一般取平均半径为6370km。 在电波传播研究中，一般把地球简作为圆球来处理。 根据地震波的传播证明，地球从里到外可分为地核、地 幔和地壳三层
3
地核：半径约为3460km，温度估计高达5000°C左右。地 核的体积只有地球体积的1/6，而质量却几乎占了1/3，这 证明它是由较重的元素（例如铁等）组成的。
地幔:地核的外面厚度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为2850km左右的灼热熔岩。
地壳：地球的表层, 厚度各处不同, 海洋下面较薄, 最薄处 仅5 km左右, 大陆所在的地下比较厚, 最厚处可达60 km, 地壳的平均厚度约为33 km。 地壳的基部是玄武岩, 某些 地区在玄武岩的上面还有花岗岩, 再上面是电导率较大的冲 积 由层于等地。球的内部作用，例如地壳运动、火山爆发等, 以及外 部的风化作用,使得地球的表面形成了高山、深谷、江河、 平原等地形地貌, 再加上人为所创造的城镇等环境, 这些不 同的地形地物和不同的地质结构都在一定程度上影响着无 线电波的传播。
《无线电波的发射、接收和传播》 讲义
《无线电波的发射、接收和传播》讲义一、无线电波的概述在我们生活的这个充满信息的世界里，无线电波扮演着至关重要的角色。
从手机通讯到广播电视，从卫星导航到无线局域网，无线电波无处不在。
那究竟什么是无线电波呢？无线电波是一种电磁波，其频率范围非常广泛，通常被划分为不同的频段。
它们能够在空间中传播，不需要任何有形的介质，这使得它们能够实现远距离的通信和信息传递。
二、无线电波的发射要实现无线电通信，首先要将信息加载到无线电波上并发射出去。
这就涉及到无线电波的发射过程。
无线电波的发射需要一个振荡器，它能够产生高频的交流电流。
这个交流电流通过天线时，会在天线周围产生变化的电磁场，从而向外辐射无线电波。
为了有效地发射无线电波，天线的长度和形状至关重要。
天线的长度通常与所发射无线电波的波长有关。
一般来说，天线的长度为无线电波波长的四分之一时，发射效果较好。
此外，发射的无线电波还需要进行调制。
调制就是把要传递的信息（比如声音、图像等）加载到无线电波上。
常见的调制方式有调幅和调频。
调幅是改变无线电波的振幅来表示信息，而调频则是改变无线电波的频率来表示信息。
在实际的发射系统中，还需要功率放大器来增强信号的强度，以确保信号能够传播到足够远的距离。
三、无线电波的传播无线电波在空间中的传播方式主要有地波传播、天波传播和空间波传播。
地波传播是指无线电波沿着地球表面传播。
这种传播方式适用于中波和长波，它们能够沿着地面绕过障碍物，传播距离较远，但信号容易受到地面吸收和干扰。
天波传播是无线电波被发射到高空的电离层后，被反射回地面的传播方式。
短波主要通过这种方式传播。
电离层的特性会随着时间和季节等因素发生变化，这可能导致信号的不稳定和衰落。
空间波传播则是指无线电波像光线一样直线传播。
这种传播方式适用于超短波和微波，常用于卫星通信、雷达等领域。
但由于是直线传播，其传播距离受到地球曲率的限制，需要通过中继站来延伸传播距离。
此外，无线电波在传播过程中还会受到衰减和干扰。
无线电波的传播特性
无线电波的传播特性无线电波的传播特性传播特性（一）移动通信的一个重要基础是无线电波的传播，无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等.为了更好地说明移动通信的问题，我们先介绍一下电波的各种传播方式：1．表面波传播表面波传播是指电波沿着地球表面传播情况.这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响着电波的传播.当电波紧靠着实际地面--起伏不平的地面传播时，由于地表面是半导体，因此一方面使电波发生变化和引起电波的吸收.另一方面由于地球表面是球型，使沿它传播的电波发生绕射.从物理课程中我们已经知道，只有当波长与障碍物高度可以比较的时候，才能有绕射功能.由此可知，在实际情况中只有长波，中波以及短波的部分波段能绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方.在短波的部分波段和超短波，微波波段，由于障碍高度比波长大，因而电波在地面上不绕射，而是按直线传播.2．天波传播短波能传至地球上较远的地方，这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释.直到1925年，利用在地面上垂直向上发射一个脉冲，并收到其反射回波，才直接证明了高层大气中存在电离层.籍此电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方.我们把经过电离层反射到地面的电波叫天波.电离层是指分布在地球周围的大气层中，60km以上的电离区域.在这个区域中，存在有大量的自由电子与正离子，还可能有大量的负离子，以及未被电离的中性离子.发现电离层后，尤其近三四十年来，随着火箭与卫星技术的发展，利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究.当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分，其研究的空间范围和频段也日益宽广.在电离层中，当被调制的无线电波信号在电离层内传播时，组成信号的不同频率成分有着不同的传播速度.所以波形会发生失真.这就是电离层的色散性.同时，由于自由电子受电波电场作用而发生运动，所以当电波经过电离层，其能量会被吸收一部分.而且，从电离层吸收电波的规律看，若使用电波的工作频率太低，则电离层对电波的吸收作用很强.所以天波传播中有一个最低可用频率，低于这个频率，就会因为电离层对电波的吸收作用太大而无法工作.传播特性（二）1．空间波传播当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线.所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响.空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响.收，发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度.一般地说，视线距离可以达到50km左右.空间波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对流层的影响.移动通信中，电波主要以空间波的形式传播.类似的还有微波传播.2．散射传播大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存在有不规则的，这类似于水流中漩涡的不均匀体.相应的，在电离层中则有电子密度的不均匀性.当天线辐射出去的电波，投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点的这种传播称为散射传播.这种通信方式通信距离可达300－800km,适用于无法建立微波中继站的地区，例如用于海岛之间和跨越湖泊，沙漠，雪山等地区.但是，由于散射信号相当微弱，所以散射传播接收点的接收信号也相当微弱，即传播损耗很大，这样，散射通信必须采用大功率发射机，高灵敏度接收机和高增益天线.3．外层空间传播电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播.由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定.我们可以把电波穿过电离层外面的空间传播，基本上当作自由空间中的传播来研究.至于电波在大气层中传播所受到的影响，可以在考虑这一简单的情况基础上加以修正. 传播特性（三）前面我们对电磁波的各种传播方式做了介绍，在这里，我们简单地介绍一下各个波段的传播特点，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等.各个波段的传播特点如下：1．长波传播的特点由于长波的波长很长，地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略.在通信距离小于300km时，到达接收点的电波，基本上是表面波.长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也不大.因而长波的传播比较稳定.虽然长波通信在接收点的场强相当稳定，但是它有两个重要的缺点：①由于表面波衰减慢，发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈.②天电干扰对长波的接收影响严重，特别是雷雨较多的夏季.2．中波传播的特点中波能以表面波或天波的形式传播，这一点和长波一样.但长波穿入电离层极浅，在电离层的下界面即能反射.中波较长波频率高，故需要在比较深入的电离层处才能发生反射.波长在3000－2000米的无线电通信，用无线或表面波传播，接收场强都很稳定，可用以完成可靠的通信，如船舶通信与导航等.波长在2000－200m的中短波主要用于广播，故此波段又称广播波段.3．短波传播的特点与长，中波一样，短波可以靠表面波和天波传播.由于短波频率较高，地面吸收较强，用表面波传播时，衰减很快，在一般情况下，短波的表面波传播的距离只有几十公里，不适合作远距离通信和广播之用.与表面波相反，频率增高，天波在电离层中的损耗却减小.因此可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信.4．超短波和微波传播的特点超短波，微波的频率很高，表面波衰减很大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，所以超短波，微波一般不用表面波，天波的传播方式，而只能用空间波，散射波和穿透外层空间的传播方式.超短波，微波，由于他们的频带很宽，因此应用很广.超短波广泛应用于电视，调频广播，雷达等方面.利用微波通信时，可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰.超短波和微波在传播特点上有一些差别，但基本上是相同的，主要是在低空大气层做视距传播.因此，为了增大通信距离，一般把天线架高.。
无线电波传播
无线电波传播无线电波传播2011-08-11 07：24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频段名称频率范围超长波长波中波短波1,000,000~10,000 10,000~1,000 1,000~100 100~~10 10~1 1~0.1 0.1~0.01 0.01~0.001甚低频低频中频高频甚高频特高频超高频极高频3~30KHz 30~300KHz 300~3,000KHz 3~30MHz 30~300MHz300~3,000MHz 3~30GHz 30~300GHz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。
电波传播
电离层的电子浓度变化具有：
1）昼夜变化规律。
2）季节变化规律。
3）太阳黑子周期（11年）变化规律。
电离层的D层对电波的吸收是很严重的。
因此，当夜晚D层消失时，天波信号将 增强，正是晚上能接受到更多的短波电 台的原因。 电离层中，电波的传播特性与波的频率 有关，下图给出了入射角一定而频率不 同时电波的轨迹。
关于云、
雾、雨、雪等对微波传播 的影响来说，降雨引起的衰减最为 严重。 对10 GHz以上频率的电波，由降雨 引起的衰减在大多数情况下是可观 的。因此在地面和卫星通信线路的 设计中，都要考虑由降雨引起的衰 减。
2.4.3 空间波传播 1. 电离层传播 （1）电离层传播 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。 由于电离层的电子不是均匀分布的，其 电子浓度N随高度与位置的不同而变化， 因此，电离层是非均匀媒质，电波在其 中传播必然有反射、折射与散射等现象 发生。
2.4.1
各种介质中的波 1. 自由空间中的波 在自由空间无源区域，沿 的波，满足波动方程：
2 2 z 2 0 0 t 2 E x 0
色散关系： k 2 2 u 0 0
ˆ方向传播 z
时间平均的矢量功率密度：
E02 ˆ S z 2 0
2.
地面波的极化 地面波的极化选择，在地面通信系 统的设计中是一个很重要的参数。 由于水平分量在地面上会引起较大 的传导电流，从而增加功率损失。 地面对水平极化波吸收大，因此， 表面波多采用垂直极化波。 为此，表面波需要采用垂直于地面 的直立天线。
谢谢观赏
电离层通信具有， 电波将穿透电离层射向太空。频率太低， 电离层吸收太大，以至于不能保证必要 的信噪比。 （2）电离层传播的随机多径效应严重， 多径时延较大，信道带宽较窄，因此， 它对传输信号的带宽有很大限制。
无线电传播理论
视距传播对于导航信号而言是一种优秀的传播方式,获 得了非常广泛的应用。目前,民用航空所使用的绝大部分 导航系统,如VOR、DME、ILS、MLS、LRRA以及GNSS 等,均采用了这种传播方式。
4.三种传播方式特点的比较及导航信号的传播方式
导航信号的传播方式有三种。 ➢ 地波传播、 ➢ 视距传播、 ➢ 波导模传播（OMEGA系统）
图 地波传播（Ground-Wave Propagation）
地波传播的优点和缺点可以看出,地波传播是适合传播导航 信号的,但对于要求苛刻的航空用户而言,相比于视距传播, 地波传播并不是一种优秀的传播方式。采用地波传播的导 航系统主要有奥米加导航系统、罗兰-A和罗兰-C以及 ADF-NDB,但对于民用航空使用的奥米加导航系统和ADFNDB来讲,ICAO已在20世纪90年代停止使用奥米加导航系 统,ADF-NDB尽管还在使用,但只能作为辅助导航系统。
2.天波传播（Ionospheric Propagation）
天波传播是指电波由发射天线向高空辐射,在高空被电离 层连续折射或散射而返回地面接收点的传播方式,有时也 称为电离层电波传播,如图2-x所示。长、中、短波都可 以利用电离层反射传播,但以短波为主。
电离层是地球高空大气层的一部分,高度从60km一直 延伸到1000km左右。在此范围内,主要由于太阳的紫 外辐射和高能微粒辐射,也受其他星体紫外辐射的影响, 使大气分子部分游离,形成了自由电子、正负离子和中 性分子、原子等组成的等离子体。
3.视距传播（Direct-Wave Propagation）
视距传播是指在发射天线和接收天线之间能相互“看 见”的距离内,电波直接从发射点传播到接收点的一种传 播方式,也常称为直达波传播,如图2-x所示。这种传播方 式主要发生在甚高频(VHF)以及VHF以上各频段信号的 传播。
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。
电波传播基础PPT课件
S
PtGt
4 d 2
A2
W m2
Pr
4 d
2
A2GtGr Pt
W
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(9) (10)
传输媒质对电波传播的影响
对于某一传输电路，发射天线输入功率与接收天线
输入功率（满足匹配条件）之比，定义为该电路的传输
损耗L，即
L
Pt Pr
4 d
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传输媒质对电波传播的影响
❖多径传输 当电波以两个或两个以上不同长度的路径传播到达
接收地点时，则接收天线捡拾的信号是由几个不同路径 传来的电场之和。因路径长度有差别，它们到接收地点 的时间延迟（简称时延）不同。若以τ表示最大传输时 延与最小传输时延之差，若τ值太大就会引起较明显的 信号失真。图2(a)示出了接收点场强是由两条路径传来 的、振幅不等的、相位差φ=ωτ的两个电场叠加。
当接收天线与来波极化匹配并与负载阻抗匹配时，
其接收功率为
Pr
SAe
Pt Gt
4 d 2
2 4
Gr
4 d
2
PtGtGr
(W)
(3)
式中S为坡印廷矢量（W/m2）, Ae为接收天线的有 效面积（m2），Pt为发射天线的输入功率（W），Gt和 Gr分别是发射天线和接收天线的增益，λ为自由空间电 波的波长（m）。
设一天线置于自由空间，在其最大辐射方向上、距 离为d的接收点处产生的场强为
E0
60PtGt d
V m
(1)
pt为发射天线输入功率（W），Gt为发射天线增益， d为距离（m），E0为自由空间场强振幅值。为便于实用， 或写成：
第8页/共33页
无线电波传播的基础知识.课件
无线电波在传播过程中会受到介质的吸收作用，导致能量逐渐衰减。不同的介质 具有不同的衰减系数，因此会影响无线电波的传播距离和信号强度。
04
无线电波的应用领域
通信领域
无线电波在通信领域有着广泛的应用，包括长波通信、中波 通信、短波通信、微波通信等。
长波通信主要用于海底电缆、大地导电等场合，中波通信主 要用于广播、导航等，短波通信主要用于远程通信、广播、 电视等，而微波通信则主要用于现代移动通信、卫星通信等 。
01
02
03
04
无线电波可以在各种介质中传 播，包括空气、水、土壤等。
无线电波的传播速度等于光速 ，不受介质影响。
无线电波的传播距离受发射功 率、天线高度、频率等因素影
响。
无线电波易受到干扰，如其他 电磁波、雷电等。
02
无线电波的传播介质
电离层
01
电离层概述
电离层是地球大气的一个区域，其中包含自由电子和离子。它对于长波
雷达领域
无线电波在雷达领域的应用主要包括 雷达测距、雷达测速和雷达测角等。
雷达通过发射无线电波并接收回波， 可以实现对目标物体的距离、速度、 角度等参数的测量，广泛应用于军事 、航空、气象等领域。
导航领域
01
无线电波在导航领域的应用主要 包括航海导航、航空导航和卫星 导航等。
02
航海导航主要利用长波和超长波 ，航空导航主要利用中波和短波 ，而卫星导航则主要利用微波无 线电波进行定位和导航。
信号相对稳定，但易受到干扰。
无线电波的分类
短波：频率在30-300MHz之间，波长在10-1m之间。 主要用于短距离通信和广播。
信号传输稳定，但传输速率较慢。
无线电波的分类
无线电波传播方式与各频段的利用
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。
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。
无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测，会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。
为了保证无线电通信用户的通信质量，确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可靠程度，必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。
第6章无线电波传播
无线电波传播
引言
无线电波在自由空间的传播 介质对平面波的影响 地波传播 天波传播 视距传播 散射传播 波导传播
无线电波传播
无线电波传播
• 熊皓 2000年，电波22所所庆 • 是我国电波传播领域的一本大型的、系统的、 内容全面、学术性较强的实用专业书籍，全书 涵盖了整个无线电频段的电波在各种环境媒质 中的传播及有关工程应用。它融知识性和资料 性为一体，既有简明的理论阐述，又有大量的 实用资料，其中包括了国内外电波传播领域的 最新研究成果。
无线电波传播
目录
• • • • • • • • • • • 第一篇 第二篇 第三篇 第四篇 第五篇 第六篇 第七篇 附录一 附录二 附录三 附录四 绪论 理论基础 地面及地下电波传播 对流层电波传播 电离层电波传播 宇宙空间电波传播 环境遥感与无线电探测 常用数学公式、物理常数 名词索引 人名中-英文对照表 常用符号表
无线电波传播 2. 天波传播 无线电波自发射天线向天空辐射，在电离层内经过连续 折射，返回地面到达接收点，如图2所示，这种传播方式称为 天波传播。 它主要适用于短波(高频)波段。
无线电波传播
图 2 天波传播
无线电波传播 3. 视距传播 视距传播指电波在发射天线和接收天线相互“看”得见的
视线距离内传播。对地面通信而言，这时天线架设的高度比波
(6-14)
解此方程组，可求出
1 2 2 n ( r (60 ) r ) 2
1 2
(6-15)
1 2 2 p ( r (60 ) r ) 2
1 2
(6-16)
无线电波传播 在这种情况下， 式(6-12)中的α 也成为复数， 可写为
电波传播
150～1500MHz 30 ～200m 1 ～10m 1 ～20km
无线电波传播模型
COST231-Hata模型
Lp＝46.3＋33.9×log(f)-13.82×log(hb)-a(hm)+ [44.9-6.55×log(hb)]×Log(d)+Cm
无线电波基本原理
电波的各种传播方式 • 散射传播 当天线辐射出去的电波，投射到那些不均匀体的时候， 类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一 部分能量传播到接收点，这种传播称为散射传播。 • 空间波传播－（移动通信的主要方式） 电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经 地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直 接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面 反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形 的影响。
无线电波传播特性
多普勒频移 在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基 站时，频率变低，即 “多普勒效应” 。 最大多普勒频移 fm 与载波频率 fc 及接收机最大移动速度 vm相关： fm= fc vm /C，其中C为无线电波传播速度。 如发射机的载波频率为910MHz， • 以步行速度1.33m/s移动由此引起的最大多普勒频移为 ±4Hz； • 以60英里/小时的速度移动，则多普勒频移将增加到能的几个主要指标：
• 传送的功率指的是发射机所发射的能量。拥有较高的传输功 率将有助于压制它的频带内其他的干扰信号，但是有较高传 输功率的设备也可能耗电较多，同时对别的信号的干扰也加 强。 • 灵敏性指的是在信道中可以被接收机接受的最弱信号的测量 值。数值愈低的那台接收机的设备就愈好，前提要求所有的 制造商和标准都用相同的参考值（如包丢失率）来定义灵敏 度。 • 信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象 比喻，信道有一定的带宽，同时也有信道质量的衡量。
无线电波的传播
无线电波的传播在介绍无线电波传播方式之前先了解一下对无线电波传播有极大影响的电离层状况。
电离层是距地面50～300公里处的空气分子由于受到阳光、字宙射线等作用发生电离而形成的，这些电离层特殊是其中自由电子的密度,是影响无线电波传播的主要因素。
电离层的厚度和高度随昼夜及季节的不同而变化。
电磁波长不同，电离层对它的反射和汲取也不同。
一般而言，波长愈长愈简单产生反射，但电离层对其能量汲取也愈大，反之，波长愈短愈不简单产生反射，然而电离层对其能量汲取也愈小。
无线电波从天线辐射出来，传到接收点，主要有三种不同的传播方式：（1）地面波，见图Z1001 (a)，这种波利用地面的传导作用。
沿地面推动；（2）空间波,它包括由放射点直接到达接收点的直射波和经地面反射而到达接收点的反射波,见图Z1001（b）；（3）天波，靠电离层的反射作用，、使无线电波返回地面而到达接收点，如图Z1001（c）。
由于大地和空间对无线电波传播的影响，打算了各种不同波段的传播特性和应用范围。
一、长波及中波的传播长波及中波是指波长在100m 以上的无线电波。
其中波长在100m 至1000m 范围内为中波；波长在1000m以上的为长波。
长波和中波在电离层中均因受到剧烈地反射而折向地面，然而,由于电离层对其汲取太强，因此只有在晚上或冬天，电离层中自由电子密度较低时，才能收到这种空间波。
在白天，它们主要是依靠地面波传播的,强度随着地面距离的增大而减小，而且频率越高，对其强度的衰减越大，这就打算了长波、中波在白天传播距离是不会很远的.它主要用来作无线电广播、导航、通讯之用。
二、短波的传播前面已经指出，地面波在高频时衰减很快,在短波范围内不能到达远处。
因此，短波主要是依靠电离层传播的。
短波在传播时，既可以通过电离层的一次反射到达接收点，又可以经过电离层及地面的多次反射而到达接收点，而且电离层的高度又是变化着的，这就使接收点的信号状况相当简单。
有时信号强度会因电离层的高度转变而突然变得很小，这种现象称为"衰落现象"，它是短波传播的一个严峻缺点。
第6章无线电波的基本知识ppt课件
（1）
解：
EE v &( x , evy xE, &z 0,t ) R e [ e v x E 0 e j x e j t] e v xE 0c o s(tx)
（解2：）E v ( E & x , y ev , x z , jE t ) 0 eR jkze [ e v x E 0 e j ( 2 k z ) e j t ] evxE0cos(tkz2)
2
》正弦量的积分
设i i：d d t t i 的相II cc 量oo ss 形(( 式tt 为 ：ii)) d t jI&R e 1I & Ie j ti d t2 R e jI & e j t
将正弦时间函数转换为相量形式的意义：一切运算变得简单， 因为信号变换后仍为同频信号，所以相量运算可以不考虑时 间t的影响，只作与时间无关的相量运算，所以在交流电路 中我们常采用相量法将微积分方程简化为线性代数方程进行 计算。
I & I & 1 I & 2 L I 1 1 I 2 2 L
》正弦量的微分
设： iIcos(ti)
d d tid d t Ico s(t i) d d t R eI & ejt
d i 的相量形式为： dt
jI&Ii
一、 正弦电磁场的复数表示法
对于正弦电磁场，场量都是以一定的角频率随时间 t 按正弦 规律变化。
在直角坐标系下，电场可表示为：
E v e v x E x e v y E y e v zE z
E Exy((xx,,yy,,zz,,tt)) E Exym m((xx,,yy,,zz))ccooss ttxy((xx,,yy,,zz)) Ez(x,y,z,t)Ezm(x,y,z)costz(x,y,z)
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。
近地区域中性介质内的电波传播
整理课件
21
如图，（a）表示对流层湍动结构的不相干 散射； （b）表示稳定层的相干反射； （c）表 示锐变层的非相干反射。低的温度和 （或）湿度的局部起伏，会引起折射指数的小尺 度变化。如果n的不均匀性足够强，他们将散射无 线电波能量。
对流层中，当一种空气流运动到另一气流上， 或潮湿和热气团的垂直运动等，导致一种气团完 全进入有不同湿度和温度的区域。这种气团的运 动，不同n值较大尺度的空气团因为风切变进一步 被破碎。
于是，有
r1
r2
D 2
Ls
43D4 2GTGR()
整理课件
（4-99）
30
与自由空间传播损耗相比，有两点差别：
1）散射传播损耗正比于距离的4次方，而不是平方。 即散射传播时，随距离的增加，损耗要比自由空间 大得多。
2）散射传播损耗反比于 ( ) ，即有效散射面积
愈小，损耗愈大。而自由空间传播中没有 ( ) 这
连续降雨或小雨则雨滴小而密，形状呈球 形降落。
整理课件
39
雨滴数谱分布
单位体积(m3)内直径为D(mm)与雨滴直径的每 单位增量（mm）中的雨滴数N(D)之间的关系：
N (D ) N 0ex D /p D )([m 1 m m 3 ]
它称为雨滴谱分布。N0是单位体积内最小雨滴直径 处单位直径增量的雨滴数。因此，单位体积内中的 总雨滴数为
（2）折射指数水平分层时的突变可导致电波的反 射；
（3）折射指数的大尺度的变化可引起电波的折射。 特别是n的负梯度的出现会引起波导传播。
上述影响的结果是使无线电波的能量远远超 过正常的视距而传播，并产生各无线电路之间的 干扰。
整理课件
5
4.6.2 对流层中的射线弯曲
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L
L cos / 2
will cause an intensified backscattering.
岸基情形: Bragg Resonant
Backscatter
隨機海面的Fourier 組成
• 在較短的時間間隔內，海 浪可視為准平穩過程，並近 似地認為可以用平穩過程的 理論結果。 • 地波雷達觀測海浪時，既 要使一次观测的時間長度T 充分大，以保證統計的代表 性，又要T不能太長，以滿 足過程的平穩性。
Some HFSWR Systems
SeaSonde WERA SWR-503 OSMAR
另外還有英國的OSCR系統， Overseer系統，俄羅斯的TELETS 系統，日本……
HFSWR Servers for …
• 颱風、風暴潮、海嘯等防災減災；為保護海洋環境提 供資訊服務； • 漁業服務（海洋表面流場能為魚苗的投放及捕撈提供 指導）； • 為海洋工程（如排污口、港口、跨海大橋、鑽井平臺 等）的設計、施工和維護提供資訊服務；
高頻地波雷達(HF Surface Wave Radar ， 簡 稱 HFSWR) 作為一種新興的海洋監測
技 術 ， 具 有 超視距、
大範圍、全天候以 及 低成本 等優點，被認
為是一種能實現對各國專 屬經濟區(EEZ)監測進行 有效監測的高科技手段。
關於超視距雷達OTHR
• 超視距雷達（Over-The-Horizon Radar， 縮寫OTHR）利用高頻（3～30MHz）電 磁波（短波）的反射或繞射特性探測遠距 離目標（艦船、飛機、巡航導彈、海洋表 面等），其作用距離可突破地球曲率的限 制而超越視距。 • OTHR主要分為兩類，利用電離層對電磁 波的反射探測目標的是天波OTHR，利用 電磁波在地球表面的繞射探測目標的是地 波（表面波）OTHR。
E z 0 we
（4-141）
式中，w是一个慢变函数，表示地面的衰减作 用。
在分界面下的介质中，波的电场满足
E2 k E2 0
2 2 2
E2 2 2 2 ( k x k y ) E2 k 2 E 2 0 2 z
2
设解具有
2
E2 E2 ( x, y) E2 ( z) 的形式，则
无线电导航系统测量的主要参数是主副台 两条路径电波传播的时间差，系统制订的位置 线图（或称海图）是按光速将时差换算为距离 差，但实际上，地波的传播速度异于光速并随 空间和时间有所变化。因此，使用海图时需要 进行电波传播速度预测和修正。罗兰-C导航系 统的传播时差是通过测量载频相位差来实现， 同时利用脉冲定时点解决相位差测量整周期多 值性问题。
E2 z z E1z z
z 0
cos 2 jk2 1 E2 z r ' cos 2 jk0 1 r '
z 0
r '
E1z
列昂托维奇近似边界条件(|'r| >>1)
k0 E1z j E1z z r '
H1z jk0 r 'H1z z
回波頻譜
power
receding wave’s spectra
approaching wave’s spectra
freq.
2
g g 0.102 f 0 4
Doppler shift fB Vp (radio freq.)1/2
When Currents Exists…
电波沿路径 r 的传播总相位为
(r ) dx / v( x)
0
r
r
c
(r )
微分相速可定义为
d ( r ) v(r ) / dr
式中，c为光速，(r)地波传播二次相位（即相对于 自由空间传播附加的）因子。在离开发射点一定距 离（陆地约70km，海上约20km）时， (r)随距离 的变化接近于线性，即存在一个等效的平均相速。
d E2 ( z ) 2 2 2 ( k 2 k x k y ) E2 ( z ) 0 2 dz
设k k k 有：
2 x 2 y 2 1
E2 2 2 (k2 k1 ) E2 0 2 z
2
于是有：
cos 2 E2 ( x, y, z ) E2 ( x, y,0) exp jk2 z 1 r '
-fB 功 率 P/dB 多普勒频移 f / Hz 风向 fB 径向流 主效海浪频率 波高谱
2005年8月对比验证试验结果示例
台湾海峡双雷达站合成风场
台湾海峡双雷达站双站浪场
福建龙海HFSWR-OSMAR071站
地波在导航与雷达系统的应用
地波传播的损耗和相位延迟主要受地表层电导率及 地形、地貌、植被等因素的影响，传播特性稳定 度高，适用于高精度的无线电导航和授时及雷达 等系统。 实用中的关键问题之一在于排除电离层反射波的干 扰，获得尽可能大的稳定地地波传播距离。至于 对流层不均匀性，除要考虑大气折射（借助等效 地球半径）外，其他影响对所讨论的频段不是很 重要。
( z 0)
( z 0)
有关结论
• 电场的垂直分量在地面达 到最大，并随高度的增加 而减小，磁场垂直分量随 高度增加而增加； • 地面上电场的垂直分量远 大于水平分量； • 地内电场的水平分量远大 于垂直分量； • 垂直极化波传播时除了E1z 外，还有E1x. 地面上接收宜采用垂 直天线； 地下通信中宜采用水 平天线； 波前倾斜
• Ground waves refer to the propagation of radio waves close to or at the surface of the Earth. These surface waves are also known loosely as Norton surface waves, Zenneck waves, Sommerfeld waves, or gliding waves.
c r 60 是临界波长，它可用于判断地 （3）
4.9.2 地面上表面波的场
地波的分类： （1）沿地球表面传播的表面波； （2）直射波和由地球表面反射的波组成的空 间波。
表面波的场：
（1）假设条件
a) 地面是 z = 0 的平面；
b) 地面是非良导体。 （2）表面波场的近似解
j (kx xk y y )
式中复介电张量
ε复 ε
iσ
0
相当于把传导电流等效为位移电流时的介电常数
复相对介电常数：
' r j r j 60 0 0
' r
（1）当 r 60 时，地面近于理想介质； （2）当 r 60 时，地面近于理想导体； 面近于介质或导体。
• 海上搜救工作（如預測遇險人員或船隻漂流的方向和 位置，為及時救援提供幫助）；
• 為海上航運提供導航、跟蹤等資訊服務（可用於交通 管制，也可用於打擊走私、販毒、海盜、非法捕魚、 傾倒污染物等）； • 軍事用途，維護國家海洋權益，服務海上軍事防務
单列正弦海浪對电磁波的后向Bragg散射
2
Sea surface
雷達回波譜:Doppler Spectra of Sea
2005-10-02 14:40LT Longhai Distance: 35km
一阶峰(海流、风向信息)
功率/dB
二阶谱
(风速、 浪高信息)
多普勒频移/Hz
Sea State Parameters Correspondent to Spectra Characteristics
Radio Wave Propagation
无线电波传播 第六讲
近地区域中性介质内的电波传播 3
•
地波传播，地波雷达，导航系统
波导模传播
•
吴雄斌—无线电波传播
4.9 地波传播
4.9.1 地波电参数
地波定义：沿地球表面传播的电磁波叫地 波或表面波。
地波形式：由于地球表面的弯曲，地波主 要是由绕射现象形成的围绕地球传播的无线 电波。
另一个关键问题是对地波场强和相位延迟的预测， 特别是对陆地、山岳、丛林等复杂路径的相位预 测，它关系到系统高精度性能要求的实现。
低频（LF）地波导航与授时
以美国罗兰(Loran)-C为代表的脉冲-相位双曲线 导航系统，是低频地波传播应用的典型应用。 罗兰脉冲载频取为100KHz，是综合考虑了收发 设备与地波传播特性等各种因素的最佳选择。当频率 增高，地波衰减剧增，传播距离太近；频率再低，难 于发射并具有陡峭上升前沿的脉冲波形。 双曲线导航系统一般由1个主台和2个副台组成 固定的台链，同步地发射导航信号，由主台至两副台 的距离差为常数，可形成两组位置线，对于已知台链 坐标的系统，两位置线的焦点对应于覆盖区内确定的 位置。
复数介电常数
• 当介质中存在有传导电流（有耗介质）时，通常用电 导率（张量） 来描述。 σ • 全电流包含传导电流Jc和位移电流Jd
在谐变情况下可以写成
J J c J d σ E ( 0 ε E) t
J ( σ i 0 ε ) E i 0 ε复 E
• 產生後向散射的海浪相速 度是固定的(fixed phase velocity)，且要么接近雷達 (approaching)，要么遠離 雷達(receding) • 運動的物體會對入射的電 磁波產生Doppler Effect， 海浪也不例外
fB 2Vp
入射波頻譜
power
radio freq. freq.
在实测中，经常是测量大距离区间上的相位差，涉 及的是平均相速 v 。由总相位
(r ) r / v