短波段无线电波的传播规律与短波无线电通信的频率选择及预测

短波段无线电波的传播规律与短波无线电通信的频率选择及预测

一、引言：

在无线电通信中，无线电发射机的天线辐射载有信息的电磁波，到达接收点无线电接收机的天线，要经过一段自然路径。无线电波在自然环境中的传播主要有三个路径常用于无线电通信：视距传播、地波传播、天波传播。不同波长的无线电波在以上三种传播路径中有不同的传播规律。短波无线电波（2—30Mhz）的传播有不同于其它频段的特殊规律，只有透彻认识和运用其特殊规律，才能发挥短波无线电通信设备的应有效能，建立稳定可靠的通信联系，提高通信质量。

二、无线电波的传播路径：

（1）视距传播：视距传播是指电波在发射天线与接受天线互相“看得见”的距离内的传播方式。电波在靠近地面的低空大气层中以近似直线的路径传播(见图-1），在发射功率一定的情况下，其通信距离相当大的程度上取决于收发双方的天线高度，多用于超短波通信，本文不多作讨论。

（2）地波传播：地波是指沿地球表面传播的电波。当电波沿地表传播时，在地表面产生感应电荷，这些电荷随着电波的前进而形成地电流。由于大地有一定的电阻，电流流过时要消耗能量，形成地面对电波的吸收。地电阻的大小与电波频率有关，频率越高，地的吸收越大。因此，地波传播适宜于长波和中波作远距离广播和通信；小型短波电台采用这种方式只能进行几公里至几十公里的近距离通信。地波是沿着地表面传播的，基本上不受气候条件的影响，因此信号稳定，这是地波传播的突出优点。

（3）天波传播：天波是指地面发出的经电离层折射返回地面的电波。短波无线电台站可以较小的发射功率，不依赖任何地面系统利用天波路径独自建立数百公里甚至数千公里的通信联系，是为有别于其它通信方式的突出优势。但是，电离层随昼夜、季节、年度而变化，导致天波传播状况依时间变化。因此，依赖电离层反射所建立的短波无线电天波通信是不稳定、不可靠的（相对于其他传播路径而言）。远程短波通信要求设备操作人员对短波波段无线电波的传播规律有深入的了解和较多的实践经验，并且依赖于通信各方的配合默契。本文主要讨论短波通信的地波和天波传播。

三、短波的地波传播：

利用地波路径，可在一定距离内建立稳定可靠的短波通信联络。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的影响及使用的载波频段。在发射功率、天线架设、地形地物均已确定的情况下，载波频率成为决定通信距离的唯一可选因素。鉴于频率越低大地对电波的吸收越小，短波电台的地波通信宜选用短波频率的低段（2 — 6 Mhz）。很明显，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，信号/ 噪声比将降低到无法保证可靠通信的程度，导致通信中断。对于短波通信而言，其噪声主要来自产生于大气的天电和周围工业设备的电气干扰。

一般来说，在一方天线高架的情况下，选择合适的载波频率，小型短波电台利用地波路径可在数十公里范围内建立可靠的通信联络。

四、短波的天波传播：

（1）关于电离层：短波无线电远程通信依赖于高空电离层反射的天波路径，了解电离层的生成、结构和变化规律，了解电离层不同时段对不同频段的短波段电波的反射规律，对短波无线电通信有至关重要的意义。由于太阳紫外线照射、宇宙射线的碰撞，使地球上空大气中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子电离，产生正离子和电子，形成所谓电离层，其分布高度距地面几十公里至上千公里。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，各层的中部电子密度最大，各层之间没有明显的分界线。

各层的电子密度 D〈 E〈 F1〈F2 ):由于电离层的形成主要是太阳紫外线照射的结果，因此电离层的电子密度与阳光强弱密切相关，随地理位臵、昼夜、季节和年度变化，其中昼夜变化的影响最大。

D 层：高度 60—80公里，中午电子密度最大，入夜后很快消失；

E 层：高度 100—120公里，白天电子密度增加，晚上相应减少；

F1 层：高度 180公里，中午电子密度最大，入夜后很快消失；

F2 层：高度 200—400公里，下午达到最大值，入夜逐渐减少，黎明前最小。

（2）电离层对电波的折射和反射：

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。可以将每一层划分为许多薄层，每一薄层的电子密度可视为均匀的。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900，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 900 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 900 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。

（3）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，消耗能量。这部分能量来自电波，此为电离层对电波的吸收。吸收的大小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。当吸收大到一定程度时，电波强度将不能满足短波接收机的信号/噪声比要求，导致通信中断。

五、短波天波通信的频率选择与预测：

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通信质量的关键性问题，若频率太低，则电离层吸收增大，不能保证必须的信噪比，若频率太高，电波不能从电离层反射回来。一般来说，选择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。很明显，通信频率不能高于最高可用频率，否则电波将穿出电离层。最高可用频率与电子密度有关，电子密度越大，最高可用频率越高。电离层电子密度主要随时间变化，所以最高可用频率也随之变化。其次，对一定电离层高度而言，通信距离越远，则电波入射角也就越大，就是说最高可用频率越高。但应注意，由于电离层电子密度是经常变化的，其最高可用频率不能保证每时每刻可靠反射电波，因此实际使用的频率为最佳工作频率。经验说明，最佳工作频率约为最高可用频率的85%。附表列出了我国南方夏季不同通信距离在不同时段的最高工作频率及最佳工作频率。

需要说明的是，表中所列的工作频率并非确定的准确频率，而是在此频率附近即可。实际应用时，可从表列最佳工作频率向下1-2Mhz的范围内选取合适的工作频率，以适应不同的季节及地域。

（2）不能低于最低可用频率：在短波通信中，频率越低，电离层吸收越大。当低到一定程度以致不能保证通信所必须的信噪比时，通信质量严重下降导致通信中断。能保证最低所需的信噪比的频率称为最低可用频率。根据经验，不同距离、不同时段的最低可用频率一般比相应的最佳工作频率低3—4Mhz。此外，频率为1.4Mhz附近的电波可与电离层中自由电子的振动发生谐振，产生较大的谐振吸收。所以天波通信时工作频率不应低于2Mhz。

（3）一日之内适时改变工作频率：原则上说，最低可用频率至最佳工作频率之间的频段可作为工作频率。但是，这一频段在一昼夜之间是随时变化的，而电台的工作不可能随时变化。实际工作中一昼夜内只改频1—2次。在一段时间内只用一个频率，通常选日频、夜频各