天线与电波传播8

10.3.3 短波天波传播的几个主要问题
1. 衰落现象严重
3. 静区
4.环球回波现象 4.环球回波现象
5. 电离层暴
10.3.4 传输损耗的估算
10.4 中波天波传播的介绍
11. 视距传播
• 超短波以上波段，电离层对其是透明的。 超短波以上波段，电离层对其是透明的。 直接、对视的传播方式，称为视距传播。 直接、对视的传播方式，称为视距传播。 (Propagation Over the Line of Sight) • 传播媒质、地面 传播媒质、
• 2001年4月多次出现太阳耀斑，出现极其严 2001年 月多次出现太阳耀斑， 重的电离层骚扰和电离层暴， 重的电离层骚扰和电离层暴，造成我国满 洲里、 洲里、重庆等电波工作站发射出去的探测 信号全频段消失。 信号全频段消失。
10.1.3 电离层的等效参数
电子运动 速度
• 电离层的相对介电常数er<1，且是频率的函数， 电离层的相对介电常数e <1，且是频率的函数， 说明它是色散媒质。 说明它是色散媒质。 • 对不同的频率呈现不同的电导率。若n=w,则电离 对不同的频率呈现不同的电导率。 n=w,则电离 层的电导率最大， n<<w,则电导率很小 则电导率很小， 层的电导率最大，若n<<w,则电导率很小，近似为 n>>w，电导率也很小。 零。n>>w，电导率也很小。 • n主要取决于大气分子热运动速度及气体密度， 主要取决于大气分子热运动速度及气体密度， 因而它是随高度而变化的。 因而它是随高度而变化的。 • D层对短波（3MHz~30MHz)呈现的电导率最大，E层 层对短波（3MHz~30MHz)呈现的电导率最大 呈现的电导率最大， 次之。 次之。 • 受地磁场影响，电离层具有各向异性的媒质特性， 受地磁场影响，电离层具有各向异性的媒质特性， 即不同的电波传播方向和不同的极化形式， 即不同的电波传播方向和不同的极化形式，会引 起不同的电子运动情况，表现出不同的电磁效应。 起不同的电子运动情况，表现出不同的电磁效应。 等效介电常数具有张量的性质。 等效介电常数具有张量的性质。 • 地磁波对不同极化的电磁波影响不同，（传播速 地磁波对不同极化的电磁波影响不同，（ ，（传播速 折射率、传播轨迹），产生双折射现象。 ），产生双折射现象 度，折射率、传播轨迹），产生双折射现象。
E层能反射几 兆赫兹的电波。 兆赫兹的电波。
F层空气极其 稀薄， 稀薄，电子密 度最大， 度最大，碰撞 概率低。 概率低。
10.1.2 电离层变化规律
电离层是一种随机的，色散的， 电离层是一种随机的，色散的，各向异性的半导电 媒质。它的参数如电子密度、分布高度、 媒质。它的参数如电子密度、分布高度、电离层厚度等 都是随机量。 都是随机量。
10.3.2 短波天线传播工作频率的选择
• 频率太高，虽然电离层的吸收小，但电波容 频率太高，虽然电离层的吸收小， 易穿出电离层； 易穿出电离层； • 频率太低，虽然能被电离层反射，但电波将 频率太低，虽然能被电离层反射， 受到电离层的强烈吸收。 受到电离层的强烈吸收。 • （1）不能高于最高可用频率(fMUF) 不能高于最高可用频率(f
D层突然吸收现象（时 层突然吸收现象（ 间较短,平均几分钟） 间较短,平均几分钟）
太阳风，速度约几百上千 太阳风， km/s，到达地球需要30 30小 km/s，到达地球需要30小 时左右。 时左右。带电粒子流的空 间分布范围较窄。 间分布范围较窄。 电子密度下降的影响是本 层反射的电磁波， 来 F2 层反射的电磁波， 被 穿透，造成信号中断。 穿透，造成信号中断。
太阳风
X射线与 射线与 紫外线 紫外线
图10-1-1
电离层的电子密度与气体密度及电离能量有关。 电离层的电子密度与气体密度及电离能量有关。 气体密度： 气体密度：上疏下密 电离能量： 电离能量： 上强下弱 因而被电离出来的最大电子密度将出现在几个 不同的高度上。 不同的高度上。
D层气体分子密度大，被 层气体分子密度大， 电波加速的自由电子和 大气分子之间的碰撞使 电波在这个区域损耗较 大。
视距距离的意义
• 实际的视距传播应满足亮区条件。否则绕 实际的视距传播应满足亮区条件。 射损失会加大电波传播的总损耗。 射损失会加大电波传播的总损耗。
2.天线的等效高度 2.天线的等效高度
H1,H2不等时，如何确定d1和d2则比较复杂， H1,H2不等时，如何确定d1和d2则比较复杂，通常需要查表 不等时 d1 则比较复杂
同一模式不同路径：
• 滑行传播(Sliding Propagation) 滑行传播(Sliding • 电波频率介于临界频率和最高频率之间时， 电波频率介于临界频率和最高频率之间时， 可出现电波在电离层滑行传播， 可出现电波在电离层滑行传播，传到很远 的距离。 的距离。 • 多径传输：对于一定的距离，电波传播可 多径传输：对于一定的距离， 能存在几种传输模式和几条射线路径。 能存在几种传输模式和几条射线路径。 • 再加上电离层的随机变异性，接收时就存 再加上电离层的随机变异性， 在严重的衰落现象，引起传输失真。 在严重的衰落现象，引起传输失真。
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f max
电离层的正割定律： 电离层的正割定律： 同一N处的斜入射频率f
f = f v sec θ 0
入射角越大，通信距离越大， 入射角越大，通信距离越大，允许频率越高
3、日夜
10.2.2 电离层的吸收
基本规律： 基本规律： 1.电离层的碰撞频率越大，或电子密度越大， 1.电离层的碰撞频率越大，或电子密度越大，电离层对电 电离层的碰撞频率越大 波的吸收就越大。一般而言， 波的吸收就越大。一般而言，夜晚电离层对电波的吸收小 于白天的吸收。 于白天的吸收。 电波频率越低，吸收越大。（ 。（自由电子受单方向电场力 2. 电波频率越低，吸收越大。（自由电子受单方向电场力 的作用时间越大，移动的路程更长，碰撞的机会越大， 的作用时间越大，移动的路程更长，碰撞的机会越大，消 耗的能量就越大，电离层对电波的吸收就越大。 耗的能量就越大，电离层对电波的吸收就越大。所以短波 天波工作时，尽量、选择较高的工作频率。 天波工作时，尽量、选择较高的工作频率。
10.2 无线电波在电离层中的传播
• 简化以便于分析： 简化以便于分析： • (1) 不考虑地磁场的影响，电离层各向同 不考虑地磁场的影响， 性。 • (2)电子密度N只是高度的函数 (2)电子密度 电子密度N • (3)在各层电子密度最大值附近，N(h)分布 (3)在各层电子密度最大值附近 N(h)分布 在各层电子密度最大值附近， 近似为抛物线状。 近似为抛物线状。
10.2.1 反射条件
如满足w2>>n2， 将电子质量、电子电量、e0的值 如满足w 将电子质量、电子电量、 代入上式， 代入上式，得
N变大，则n变小，即随着高度增加，折射率变小。 变大， 变小，即随着高度增加，折射率变小。
轨迹： 折射角大于入射角。 轨迹： 折射角大于入射角。当θn=90o时，电波经 折射后传播方向成了水平的，等相位面与地面垂直， 折射后传播方向成了水平的，等相位面与地面垂直， 这时电波轨迹达到最高点。 这时电波轨迹达到最高点。由于等相位面的高处相 速大，低处相速小，造成电波向下弯曲的传播轨迹。 速大，低处相速小，造成电波向下弯曲的传播轨迹。 继续使用折射定律， 继续使用折射定律，电波沿着折射角逐渐减小的轨 迹折回。 迹折回。
10.3 短波天波传播
• 短波利用天波传播时，电离层的吸收随着 短波利用天波传播时， 频率的升高而减小， 频率的升高而减小，所以能以较小的功率 借助电离层反射完成远距离传播。 借助电离层反射完成远距离传播。可以传 播几百到一二万千米的距离， 播几百到一二万千米的距离，甚至环球传 播。
•10.3.1传播模式 传播模式
–fMUF与电离层的电子密度及电波入射角有关。N f 与电离层的电子密度及电波入射角有关。 越大， 越大， fMUF越高 –电波频率为最高可用频率时，可能电波穿出电 电波频率为最高可用频率时， 电波频率为最高可用频率时 离层。 离层。
• 2）不能低于最低可用频率(fLUF) 不能低于最低可用频率(f 保证所需的信噪比的频率为fLUF， 保证所需的信噪比的频率为fLUF，由电离层 的吸收、噪声决定。 的吸收、噪声决定。 晚上f 晚上fLUF低，白天高 fOWF = 85% f MUF 最佳工作频率f 最佳工作频率fowF • 3）日频、夜频 日频、
1.电离层的规则变化 1.电离层的规则变化
• 位置变化
赤道附近， 太阳光照最强， 太阳光照最强 ， 电子密度最大。 电子密度最大 。 高纬度地方， 高纬度地方 ， 电子密度较小
2.电离层的不规则变化
• 突发E层（或Es)层
– 有时在E层中约120km高度会出现电子密度突 增的现象。造成本来可以穿过E层的电波被它 反射，使得定点通信中断。一般Es层仅存在几 小时。
3.球面地的扩散因子 3.球面地的扩散因子
11.2 对流层大气对视距传播的 影响
大气、 压力、 对流层 (Troposphere) 大气 、 压力 、 温 度 、 湿度都随地区及离开地面的高度而 变化，是不均匀的，会是电波产生折射、 变化 ， 是不均匀的 ， 会是电波产生折射 、 散射及吸收等物理现象。 散射及吸收等物理现象。
11.1 地面对视距传播的影响
忽略方向系数差异、忽略强度上的差异， 忽略方向系数差异、忽略强度上的差异， B处的总 场强为： 场强为：
反射系数与电波的投射角、电波的极化和波长及地面的 反射系数与电波的投射角、 电参数有关。 电参数有关。
GHz
水平极化时， 水平极化时，地面的反射较接近理想导 电地。特别是波长较长时。 电地。特别是波长较长时。
第10章 10章
天波传播
• 天波传播 (sky wave propagation) 指电波由发射 天波传播(sky propagation)指电波由发射 天线向高空辐射， 经高空电离层(Ionosphere) (Ionosphere)反 天线向高空辐射 ， 经高空电离层 (Ionosphere) 反 射后到达地面接收点的传播方式， 射后到达地面接收点的传播方式 ， 又称电离层传 播。 • 长、中、短波都可以利用天波传播。 短波都可以利用天波传播。 • 其优点是传播损耗小 。 缺点是短波波段内信号不 其优点是传播损耗小。 稳定，有较严重的衰落现象。电离层不稳定， 稳定 ， 有较严重的衰落现象 。 电离层不稳定 ， 有 时造成信号中断。 时造成信号中断。 • 科技在发展，天波传播仍广泛用于短波远距离通 科技在发展， 信中。 信中。
垂直极化时，低投射角， 垂直极化时，低投射角，地面的反射较 接近理想导电地。 接近理想导电地。
GHz
Brewster角
GHz
2 地面上的有效反射区
2 光滑地面的判别准则
表11-1-1 ∆h的实际计算数据 的实际计算数据
11.1.2 光滑球面地的情况
1、视线距离 球面的曲率对视线距离的影响
反射条件
• （1）电离层反射电波的能力与电波频率有关。入 电离层反射电波的能力与电波频率有关。 射角一定， 越低，要求的N越小，所以越易反射。 射角一定，f越低，要求的N越小，所以越易反射。 大到一定程度，超过电子密度的最大值， f大到一定程度，超过电子密度的最大值，电波将 穿透电离层。 穿透电离层。
10.1 电离层概况
高空大气的电离源：太阳辐射的紫外线、X射线、高能 高空大气的电离源：太阳辐射的紫外线、 射线、 带电微粒流、为数众多的微流星、 带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐射的电磁 波以及宇宙射线等。太阳辐射的紫外线是主要电离源 是主要电离源。 波以及宇宙射线等。太阳辐射的紫外线是主要电离源。
长波在D层反射。中波在E层反射， 长波在D层反射。中波在E层反射，但是白 层吸收较大。短波F层反射； 天D层吸收较大。短波F层反射；超短波则 穿出电离层。 穿ห้องสมุดไป่ตู้电离层。
电离层反射电波的能力与入射角有关。 电离层反射电波的能力与入射角有关。
f c = 80.8 N max
80.8 N max = = f c sec θ 0 2 cos θ 0