第10章 天波传播(2)

表 10―3―1 传输模式
通常，若通信距离小于4000km，主要传播模式 通常，若通信距离小于 ， 模式。 模式， 为1F模式。但即使是 模式，一般也存在着两条传 模式 但即使是1F模式 播路径，如图所示，其射线仰角分别为∆ 播路径，如图所示，其射线仰角分别为 1和∆2，低 仰角射线由于以较大的入射角投射电离层， 仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在较 低的高度上就从电离层反射下来。 低的高度上就从电离层反射下来。
θ1
θ2
θ3
电电 层
θ1＜θ2＜θ3
临界频率： 临界频率：
当电波垂直向上发射即θ ° 当电波垂直向上发射即 0=0°时，能从电离层 反射回来的最高频率， 表示。 反射回来的最高频率，用fc表示。 ° 将θ0＝0°，Nn=Nmax，代入下式， ，代入下式，
sin θ 0 =
可得临界频率为
εn =
8 0 .8 N n 1− f2
(10―2―5)
f c = 80.8 N max
斜入射的电波， 对于以某一θ0斜入射的电波，能从电离层最大 电子密度Nmax处反射回来的最高频率为
f max
80.8 N max = = f c sec θ 0 2 cos θ 0
(10―2―6)
对于一般的斜入射频率f 及在同一N处反射的 对于一般的斜入射频率 f 及在同一 N处反射的 垂直入射频率
天波同时存在造成的衰落（近距离衰落） 图（a）地、天波同时存在造成的衰落（近距离衰落） ） 图（b）不同反射次数的天波干涉形成的衰落 ） 远距离衰落） （远距离衰落） 图（c）是由于电离层漫射现象引起的衰落 ） 图（d）地磁场影响产生双折射效应引起的衰落。 ）地磁场影响产生双折射效应引起的衰落。
(a)
Nn
θ0
fv
f
临界频率f 的讨论： 临界频率 c的讨论：
f c = 80.8 N max
① 所有 f < f c 的电波，都能从电离层反射回来。 的电波，都能从电离层反射回来。
80.8Nn 若入射角θ> θ0 = arcsin 1− 若入射角 f2
或者频率 f < fmax = 80.8Nmax = fc secθ0 2
f LUF < f < f MUF
(10―3―1)
在保证可以反射回来的条件下， 在保证可以反射回来的条件下，尽量把频率选 得高些，这样可以减少电离层对电波能量的吸收。 得高些，这样可以减少电离层对电波能量的吸收。 但是，不能把频率选在f 因为电离层很不稳定， 但是，不能把频率选在 MUF，因为电离层很不稳定， 当电子密度变小时，电波很可能穿出电离层。 当电子密度变小时，电波很可能穿出电离层。
（1）电离层反射电波的能力与电波频率有关。 ）电离层反射电波的能力与电波频率有关。 在入射角θ 一定时，电波频率越低，越易反射。 在入射角 0一定时，电波频率越低，越易反射。
f4 滑滑传滑
θ0
f1 f1＜f2＜f3＜f4 f2 f3
（2）电波在电离层中的反射情况还与入射角 0有关。 ）电波在电离层中的反射情况还与入射角θ 有关。 当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。 当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。 这是因为入射角越大，则相应的折射角也越大， 这是因为入射角越大，则相应的折射角也越大， 90°的条件， 稍经折射电波射线就能满足θn＝90°的条件，从 而使电波从电离层中反射下来。 而使电波从电离层中反射下来。
通常选择工作频率为最高可用频率的85%， ， 通常选择工作频率为最高可用频率的 这个频率称为最佳工作频率 最佳工作频率， 表示， 这个频率称为最佳工作频率，用fOWF表示，即
f OWF = 85% f MUF
(10―3―2)
40
日日
36 32 28 24 f / MHz 20 16 12 8 4 0 0 4 8 12 16 fLUF fMUF
fυ 之间，也有类似的关系： 之间，也有类似的关系： f = fυ sec θ 0
(10―2―7)
电离层的正割定律： 电离层的正割定律：
如图所示。电离层的正割定律表明： 如图所示。电离层的正割定律表明： 当反射点电子密度一定时（ 一定时）， ），通信 当反射点电子密度一定时（fv一定时），通信 距离越大（ 越大），允许工作频率越高。 ），允许工作频率越高 距离越大（即θ0越大），允许工作频率越高。
48 42 36 30 fMUF / MHz 24 18 12 6 0
日 日
3000 km 2500 km 2000 km 1500 km 1000 km 500 km 0 km
日 衰
0
4
8
12
16
20
24
本白多夜 / 小多
不同通信距离时， 不同通信距离时，fMUT ~ t的变化 的变化
由以上讨论可知，工作频率应低于最高可用频 由以上讨论可知， 以保证信号能被反射到接收点， 率，以保证信号能被反射到接收点，而高于最低可 用频率，以保证有足够的信号强度， 用频率，以保证有足够的信号强度，即
（3）电离层的电子密度有明显的日变化规律 ） 白天电子密度大，临界频率高， 白天电子密度大，临界频率高，则允许使用的 频率就高； 频率就高； 夜间电子密度小， 夜间电子密度小，则必须降低频率才能保证天 波传播。 波传播。
10.3 短波天波传播
10.3.1 传输模式
2F
1F 1E
F层 E层
传输模式示意图 所谓传输模式， 所谓传输模式，就是电波从发射点辐射后传播 到接收点的传播路径。 到接收点的传播路径。 一跳距离：电波经电离层反射一次时的地面距离。 一跳距离：电波经电离层反射一次时的地面距离。 层反射， 从E层反射，一跳最远距离 层反射 一跳最远距离2000km 层反射， 从F层反射，一跳最远距离 层反射 一跳最远距离4000km
0 < N1 < N 2 < N 3 L N n −1 < N n
则相应的折射率为 n 0 > n1 > n 2 > n 3 > L > n n −1 > n n
当频率为f的无线电波以一定的入射角θ0 由空 气射入电离层后， 气射入电离层后，电波在通过每一薄片层时折射一 次，当薄片层数目无限增多时，电波的轨迹变成一 当薄片层数目无限增多时， 条光滑的曲线。 条光滑的曲线。
电离层的等效电参数
等效相对复介电常数
内容回顾
~ =ε + σ εr r jωε 0
等效相对介电常数
Ne 2 εr = 1− mε 0 (υ 2 + ω 2 )
等效电导率
Ne υ σ= 2 2 mε 0 (υ + ω )
2
本次课主要内容： 本次课主要内容： 10. 2 无线电波在电离层中的传播 10．3 短波天波传播 ． 10. 4 中波天波传播的介绍 重点： 重点：短波天波传播特点 难点： 难点：短波天波传播问题
10.2.1 反射条件
不考虑地磁场影响时， 不考虑地磁场影响时，电离层等效相对介电 条件， 常数为一标量εr，若满足ω2>>υ2条件，同时将
1 m = 9.106 × 10 kg , ε 0 = × 10−9 F / m, e = 1.602 × 10−19 C 36π
−31
代入
Ne εr = 1− mε 0 (υ 2 + ω 2 )
电离层的结构特点
内容回顾
自下而上分为D、 、 自下而上分为 、E、F1、F2四层
电离层的变化规律
规则变化： 规则变化： 日夜变化、季节变化、 日夜变化、季节变化、 随太阳黑子11年周期变化、 随太阳黑子 年周期变化、随地理位置变化 年周期变化 非规则变化： 非规则变化： 突发E层 电离层突然骚扰、 突发 层、电离层突然骚扰、电离层暴
…
θ2 θ1 θ0
n2 n1 n0
电波在电离层内连续折射
折射定理： 折射定理： 入射角与折射角的正弦之比， 入射角与折射角的正弦之比，等于两种媒质的 折射率之反比。 折射率之反比。
sin θ1 n2 = sin θ2 n1
或 n sin θ1 = n2 sin θ2 1
θ1：入射角 θ2：折射角
：媒质1 n1：媒质1的折射率 n2：媒质2的折射率。 ：媒质2
日衰
20
24
本白多夜 / 小多
fMUF 和 fLUF的日变化曲线
10.3.3 短波天波传播的几个主要问题
1. 衰落现象严重 衰落现象是指接收点信号振幅忽大忽小， 衰落现象是指接收点信号振幅忽大忽小，无次序 不规则的变化现象。 不规则的变化现象。 快衰落（干涉型衰落） 快衰落（干涉型衰落） 衰落 克服办法： 克服办法：采用分集接收 慢衰落（吸收型衰落） 慢衰落（吸收型衰落） 克服办法：接收机中采用自动增益控制 克服办法：
εn =
8 0 .8 N n 1− 2 f
(10―2―4)
式中N 是反射点的电子密度。 式中 n是反射点的电子密度。
sin θ 0 =
εn =
8 0 .8 N n 1− 2 f
该式表明了电波能从电离层返回地面时， 该式表明了电波能从电离层返回地面时，电波 频率f、入射角θ0和反射点的电子密度 n之间必须 频率 、入射角 和反射点的电子密度N 满足的关系。由该式可得出如下结论： 满足的关系。由该式可得出如下结论：
2
得
80.8 N εr = 1 − f2
(10―2―1)
式中， 为电子密度 为电子密度（ ）；f为频率 为频率（ ） 式中，N为电子密度（1/m3）； 为频率（Hz）
电离层的折射率： 定义 电离层的折射率：
N n = ε r = 1 − 80.8 2 f
(10―2―2)
假设电离层是由许多厚度极薄的平行薄片构 成的， 每一薄片内电子密度是均匀的 。 设空气中 成的 ， 每一薄片内电子密度是均匀的。 电子密度为零，而后由低到高， 电子密度为零，而后由低到高，在 Nmax以下空 域，各薄片层的电子密度依次为
n2 n1
θ2
θ1
根据折射定理， 根据折射定理，可得
n0 sin θ 0 = n1 sin θ1 = n2 sin θ 2 = K = nn sin θ n (10―2―3)
将n0=1，θn=90°代入上式，可得电波从电离层内 ， °代入上式， 反射下来的条件式： 反射下来的条件式：
sin θ 0 =
cos θ0
② 若 f > fc
则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。 则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。
反射频率与仰角的关系
为地球半径， 为电离层高度 为电离层高度， 设R为地球半径，h为电离层高度，由正弦定律得 为地球半径
Leabharlann Baiduθ0
h
∆
R
O
sin θ 0 sin(90 + ∆) cos ∆ = = R R+h R+h 2h 2 sin ∆ + 2 R cos θ 0 ≈ 2h 1+ R
N max 1F
∆2
∆1
图10―3―2 1F模式的两条传播路径 模式的两条传播路径
10.3.2 短波天波传播工作频率的选择 选择工作频率的原则： 选择工作频率的原则： （1）不能高于最高可用频率 MUF ）不能高于最高可用频率f fMUF是指当工作距离一定时，能被电离层反射 是指当工作距离一定时， 回来的最高频率。 fMUF与N、θ有关。 回来的最高频率。 、 有关。 有关 （2）不能低于最低可用频率 LUF ）不能低于最低可用频率f 能保证所需的信噪比的频率为最低可用频率f 能保证所需的信噪比的频率为最低可用频率 LUF 。 （3）一日之内适时改变工作频率。 ）一日之内适时改变工作频率。
10.2 无线电波在电离层中的传播
为了使问题简化，作如下假设： 为了使问题简化，作如下假设： （1）不考虑地磁场的影响，即电离层是各向同性媒质； 不考虑地磁场的影响，即电离层是各向同性媒质； （2）电子密度N随高度h的变化较之沿水平方向的变化 电子密度N随高度h 大得多，即认为N只是高度的函数； 大得多，即认为N只是高度的函数； （3）在各层电子密度最大值附近，N(h)分布近似为抛 在各层电子密度最大值附近，N(h)分布近似为抛 物线状。 物线状。
o
(10―2―8)
(10―2―9)
在仰角为∆的条件下， 在仰角为 的条件下，电离层能反射的最高频率为 的条件下
θ0
h
∆
f max
R
2h 80.8 N max (1 + ) R = 2h 2 sin ∆ + R
(10―2―10)
O
图 10―2―5
入射角θ 与射线仰角∆的关系 入射角 0与射线仰角 的关系
(b)
(c)
(d )
图10―3―5 干涉性衰落
2. 多径时延效应 随机多径传输现象不仅引起信号幅度的快衰落， 随机多径传输现象不仅引起信号幅度的快衰落， 而且使信号失真或使信道的传输带宽受到限制。 而且使信号失真或使信道的传输带宽受到限制。 多径时延是指多径传输中最大的传输时延与 最小的传输时延之差，以τ表示，其大小与通信 最小的传输时延之差， 表示， 距离、工作频率、时间等有关。 距离、工作频率、时间等有关。 1) 多径时延 与工作距离有较明显的关系； 多径时延τ与工作距离有较明显的关系 与工作距离有较明显的关系； 2)多径时延与工作频率有关； 多径时延与工作频率有关； 多径时延与工作频率有关 3) 多径时延随时间变化。 多径时延随时间变化。