第4讲 天波传播(2)
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EMW Propagation Engineering 11/26
School of Electronic Engineering
短波天波传播
School of Electronic Engineering
下图(a)是不同传输模式的电波间干涉引起的衰落；（b） 指由于地磁场的影响，电波分解为寻常波和非寻常波，在 同一接收地点，可收到不同反射点到达的寻常波和非寻常 波，两者干涉形成合成场强的衰落现象；（c）指由于电离 层的非镜面反射属于半散射状的反射，加之短波天线主波 束较宽，使接收点多条射线场强干涉而引起衰落。
R 2 R V H Lg 10lg 2
2
式中 RV和 RH分别是垂直极化波和水平极化波的地面 反射系数 sin Δ - r j 60 cos2 Δ
RV sin Δ +
(dB)
(22)
r j 60 cos2 Δ
(23)
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短波天波传播
②τ与工作频率的关系：当通信距离一定时，针对每 一时刻的电离层状况，就存在一个能从电离层反射回下来 的最高频率，称为最高可用频率，以MUF表示，MUF具有 明显的昼夜变化。当工作频率接近MUF时，多径时延最小。 特别是在中午时分，D、E区吸收 较大，多跳传播难以出现，容易得到真 正的单径传输。而当频率降低时，传输 模式的种类会增加，导致多径时延增大。 短波天波传播的频率选取原则是 ⑴ 不能高于MUF ⑵ 不能低于最低可用频率LUF： 能保证所需的信噪比的频率为LUF ⑶ 一日之内适时改变工作频率。
短波天波传播
衰落 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。短波天波传播存在慢衰落和快衰落两种。 其中，慢衰落也称吸收型衰落，是由D区吸收特性的缓慢 变化所引起的。频率越低，电离层吸收的日变化愈明显， 导致昼夜信号电平起伏愈大。另外，信号电平随季节变化 和太阳黑子11年周期性的变化也都属于慢衰落。对于信号 电平的慢变化，可以在接收设备中采取如自动增益控制的 技术措施，抑制吸收型慢衰落的影响，并且在通信电路系 统设计中，必须考虑有慢衰落的电平储备量，以备在信号 电平严重下降时仍能保持系统的质量及可靠性。 对于短波衰落一般主要是指干涉型的快衰落，它是由 随机多径传输现象引起的。
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短波天波传播
每一频率都对应有它的静区范围，频率越低，地波传 播距离愈远使r1增大，而天波则允许以较小的入射角投射， r2减小，可使静区范围缩小。 环球回波现象 在适当的条件下，电波可经电离层多次反射，或者在 地面与电离层之间来回反射，可能环绕地球再度出现，称 为环球回波。环球回波分为正回波和反 回波。无论是正回波还是反回波，环绕 地球一次的滞后时间约为0.13s。滞后时 间较大的回波信号将使接收机中出现不 断的回响，影响正常通信，故应尽可能地 消除回波的发生。用强方向性的收发天 线可以消除反回波。通过降低辐射功率 和选择适当工作频率来防止正回波。
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短波天波传播
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静区 设天线是无方向性的，则静区就是围绕发射机的某一 环形区域，在这个区域内几乎收不到任何信号，而在离发 射机较近或较远的距离处却可收到信号，这种现象称为越 距，收不到信号的区域称为静区。
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短波天波传播
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且随机变化，入射地面时的电波是杂乱极化的，因此，严 格计算Lg有困难。工程上处理的办法是对圆极化波进行计 算。 假设入射电波是圆极化的，即电波能量在水平极化和 垂直极化分量内分布相等，则地面反射损耗为
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第四讲 天波传播(2)
2015, April. 15
内容安排
School of Electronic Engineering
短波天波传播
中波传播
EMW Propagation Engineering 2/26
1F模式高角波和低角波示意图
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短波天波传播
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传输特性 传输损耗 根据引起传输损耗的各种物理原因，电波天波传播过 程中的基本传输损耗构成如下图所示
短波天线传输损耗框图
EMW Propagation Engineering 6/26
Lp 18.0 dB 22 T 04 Lp 16.6 dB 04 T 10 Lp 15.4 dB 10 T 16 Lp 16.6 dB 16 T 22
(22)
因电离层本质上是一随机、色散和各向异性的半导电 媒质，因此由它引起的衰减必然是个随机量。通常，计算 La和Lp值是按其平均值进行的。此外，不同传输模式的传 输损耗应分别计算，从而可确定出对接收点场强贡献最大 的传输主模式。 EMW Propagation Engineering 10/26
（a）
源自文库
（b）
（c）
短波干涉型衰落 (a) 不同传输模式的干涉 (b)地磁场影响，寻常波与非寻常波的干涉 (c) 电离层的散射 EMW Propagation Engineering 12/26
短波天波传播
克服干涉性快衰落较为行之有效的方法是分集接收。 “分集”有“分散”与“集合”的两重含义，一方面希望 载有相同信息的两路或几路信号，通过相互独立的途径分 散传输，另一方面设法将分散传输到达接收点的几路信号 最有效地收集起来，以降低信号电平的衰落幅度，具有优 化接收的含义。较普遍使用的分集方式有空间分集、频率 分集、时间分集和极化分集，其中空间分集使用尤为广泛。 分集效果的好坏主要取决于分集信号之间的相关程度，实 践证明，只要相关系数|ρ|≤0.6，就可获得较好的分集效 果。如空间分集，只要两幅天线之间距离超过（5~10）λ 时即可。
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短波天波传播
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一跳距离是指电波经电离层反射一次时的地面距离。 从E层反射，一跳最远距离为2000km；从F层反射，一跳 最远距离为4000km。对某一通信电路而言，可能存在的 传输模式是与通信距离、工作频率、电离层的状态等因素 有关。通常，若通信距离小于4000km时，主要传播模式 是1F型。一般采用的天波传播模式如表2所示。
r j 60 sin Δ - r j60 cos2 Δ (24) RH Δ EMW Propagation r j60 sin Δ + r j60 cos2 Engineering 8/26
短波天波传播
式中Δ为射线仰角，（εr-j60λσ）为大地的复相对 介电系数。对于电离层吸收损耗La其损耗规律为 ①对短波传播而言，非偏移吸收是La的主要组成部分， 是电波穿透D区和E区时引起的损耗。因D区电子浓度在正 午时分很大，与中性分子碰撞的次数总和也越大，使电波 衰减最大；另一方面，D区在晚间消失，使夜间传播条件 改善，但干扰信号也随之增强，导致夜间通信情况并未得 到显著改善。 ②当ω2>ν2时，衰减常数近似与频率的平方成反比， 即频率越低，电离层的吸收损耗也越大，故从减小损耗的 角度考虑，短波通信应选择频率较高的工作频率。 ③地磁场的存在影响着电子运动状况，应尽量避免接 近磁旋频率（约1.4 MHz），因在此频率处电子的振荡速 度大增，电波衰减严重。 EMW Propagation Engineering 9/26
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短波天波传播
在保证可反射回来的条件下，尽量把频率选得高些， 这样就可以减小电离层对电波能量的吸收并减小多径时延。 但不能把频率选在MUF，因为电离层很不稳定，当电子浓 度变小时，电波很可能穿出电离层。通常选择工作频率为 最高可用频率的85%，称为最佳工作频率，以OWF表示。 ③τ随时间的变化：即使对于同一通信链路，多径时 延也是时变的，微明时刻，多径时延现象最严重、最复杂， 而中午和子夜时一般较小且较稳定。因为在日出和黄昏时 刻电离层电子浓度急剧变化，定点通信中，短波传播的 MUF也随之迅速改变，若用固定频率如夜频工作，实际上 是迅速的偏离最高可用频率而造成多径时延现象。 在一般条件下完全避免多径时延几乎是不可能的，只 有正确选择工作频率可减小其不利的影响。
第三讲─天波传播（1）
天波传播：含义，主要应用频段 电离层的介电性质 电离层的反射： 反射条件 特点（与频率、入射角的关系） 临界频率fc，最高频率fmax 电离层的吸收：非偏移区，非偏移吸收， 偏移区，偏移吸收 传输模式：一跳、多跳，相应的射线轨迹
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短波天波传播
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多径时延 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。 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，其大小与通信距离、工作频率、时 间等有关。 ①τ与通信距离的关系：
短波天波传播
即基本传输损耗Lb包括
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Lb Lbf Lg L Lp (dB)
(21)
它们都是工作频率、传输模式、通信距离和时间的函 数。其中Lg仅当多跳模式下才存在，它是电波经地面反射 后引起的损耗。Lg与电波的极化、频率、射线仰角以及地 质情况等因素有关。由于电波经电离层反射后极化面旋转
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短波天波传播
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Lp称为额外系统损耗，它是一项综合估算值，是由大 量电路实测的天波传输损耗数据，扣除Lbf、Lg、La后得到 的。Lp值与反射点的本地时间T（小时）有关，可按下述 数值估算
短波天波传播
频率从3~30MHz的无线电波称为高频无线电波，或 称短波。短波天波传播广泛应用于各种距离的定点通信、 广播、岸船间的航海移动通信等。其两个突出优点是： ①电离层传输媒质的抗毁性好 ②传输损耗小 缺点是因深入电离层，受电离层的影响较大；受电离 层暴变的影响，会造成短波通信中断。 传输模式 传输模式是电波从发射点辐射后到接收点的传播路径。 由于短波天线波束较宽，射线发散性较大；电离层是分层 的；电波传播时可能多次反射等原因，使得在一条通信线 路中通常存在着多种传播路径，也即多种传播模式。
表2 天波传播模式
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短波天波传播
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但即便是1F模式，一般也存在着两条传播路径，其射 线仰角分别为Δ1和Δ2。低仰角射线因入射角大，故从电 离层较低的高度就反射下来；反之，高仰角射线因入射角 小，则须在较大的电子浓度处才得以反射回来。所以即便 对应相同的发射点和接收点也可能同时存在几种传输模式 和几条射线路径，这种现象即称为多径传输。接收点场强 是所有这些射线的场强之和。
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下图(a)是不同传输模式的电波间干涉引起的衰落；（b） 指由于地磁场的影响，电波分解为寻常波和非寻常波，在 同一接收地点，可收到不同反射点到达的寻常波和非寻常 波，两者干涉形成合成场强的衰落现象；（c）指由于电离 层的非镜面反射属于半散射状的反射，加之短波天线主波 束较宽，使接收点多条射线场强干涉而引起衰落。
R 2 R V H Lg 10lg 2
2
式中 RV和 RH分别是垂直极化波和水平极化波的地面 反射系数 sin Δ - r j 60 cos2 Δ
RV sin Δ +
(dB)
(22)
r j 60 cos2 Δ
(23)
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②τ与工作频率的关系：当通信距离一定时，针对每 一时刻的电离层状况，就存在一个能从电离层反射回下来 的最高频率，称为最高可用频率，以MUF表示，MUF具有 明显的昼夜变化。当工作频率接近MUF时，多径时延最小。 特别是在中午时分，D、E区吸收 较大，多跳传播难以出现，容易得到真 正的单径传输。而当频率降低时，传输 模式的种类会增加，导致多径时延增大。 短波天波传播的频率选取原则是 ⑴ 不能高于MUF ⑵ 不能低于最低可用频率LUF： 能保证所需的信噪比的频率为LUF ⑶ 一日之内适时改变工作频率。
短波天波传播
衰落 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。短波天波传播存在慢衰落和快衰落两种。 其中，慢衰落也称吸收型衰落，是由D区吸收特性的缓慢 变化所引起的。频率越低，电离层吸收的日变化愈明显， 导致昼夜信号电平起伏愈大。另外，信号电平随季节变化 和太阳黑子11年周期性的变化也都属于慢衰落。对于信号 电平的慢变化，可以在接收设备中采取如自动增益控制的 技术措施，抑制吸收型慢衰落的影响，并且在通信电路系 统设计中，必须考虑有慢衰落的电平储备量，以备在信号 电平严重下降时仍能保持系统的质量及可靠性。 对于短波衰落一般主要是指干涉型的快衰落，它是由 随机多径传输现象引起的。
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每一频率都对应有它的静区范围，频率越低，地波传 播距离愈远使r1增大，而天波则允许以较小的入射角投射， r2减小，可使静区范围缩小。 环球回波现象 在适当的条件下，电波可经电离层多次反射，或者在 地面与电离层之间来回反射，可能环绕地球再度出现，称 为环球回波。环球回波分为正回波和反 回波。无论是正回波还是反回波，环绕 地球一次的滞后时间约为0.13s。滞后时 间较大的回波信号将使接收机中出现不 断的回响，影响正常通信，故应尽可能地 消除回波的发生。用强方向性的收发天 线可以消除反回波。通过降低辐射功率 和选择适当工作频率来防止正回波。
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静区 设天线是无方向性的，则静区就是围绕发射机的某一 环形区域，在这个区域内几乎收不到任何信号，而在离发 射机较近或较远的距离处却可收到信号，这种现象称为越 距，收不到信号的区域称为静区。
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且随机变化，入射地面时的电波是杂乱极化的，因此，严 格计算Lg有困难。工程上处理的办法是对圆极化波进行计 算。 假设入射电波是圆极化的，即电波能量在水平极化和 垂直极化分量内分布相等，则地面反射损耗为
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内容安排
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传输特性 传输损耗 根据引起传输损耗的各种物理原因，电波天波传播过 程中的基本传输损耗构成如下图所示
短波天线传输损耗框图
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Lp 18.0 dB 22 T 04 Lp 16.6 dB 04 T 10 Lp 15.4 dB 10 T 16 Lp 16.6 dB 16 T 22
(22)
因电离层本质上是一随机、色散和各向异性的半导电 媒质，因此由它引起的衰减必然是个随机量。通常，计算 La和Lp值是按其平均值进行的。此外，不同传输模式的传 输损耗应分别计算，从而可确定出对接收点场强贡献最大 的传输主模式。 EMW Propagation Engineering 10/26
（a）
源自文库
（b）
（c）
短波干涉型衰落 (a) 不同传输模式的干涉 (b)地磁场影响，寻常波与非寻常波的干涉 (c) 电离层的散射 EMW Propagation Engineering 12/26
短波天波传播
克服干涉性快衰落较为行之有效的方法是分集接收。 “分集”有“分散”与“集合”的两重含义，一方面希望 载有相同信息的两路或几路信号，通过相互独立的途径分 散传输，另一方面设法将分散传输到达接收点的几路信号 最有效地收集起来，以降低信号电平的衰落幅度，具有优 化接收的含义。较普遍使用的分集方式有空间分集、频率 分集、时间分集和极化分集，其中空间分集使用尤为广泛。 分集效果的好坏主要取决于分集信号之间的相关程度，实 践证明，只要相关系数|ρ|≤0.6，就可获得较好的分集效 果。如空间分集，只要两幅天线之间距离超过（5~10）λ 时即可。
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短波天波传播
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一跳距离是指电波经电离层反射一次时的地面距离。 从E层反射，一跳最远距离为2000km；从F层反射，一跳 最远距离为4000km。对某一通信电路而言，可能存在的 传输模式是与通信距离、工作频率、电离层的状态等因素 有关。通常，若通信距离小于4000km时，主要传播模式 是1F型。一般采用的天波传播模式如表2所示。
r j 60 sin Δ - r j60 cos2 Δ (24) RH Δ EMW Propagation r j60 sin Δ + r j60 cos2 Engineering 8/26
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式中Δ为射线仰角，（εr-j60λσ）为大地的复相对 介电系数。对于电离层吸收损耗La其损耗规律为 ①对短波传播而言，非偏移吸收是La的主要组成部分， 是电波穿透D区和E区时引起的损耗。因D区电子浓度在正 午时分很大，与中性分子碰撞的次数总和也越大，使电波 衰减最大；另一方面，D区在晚间消失，使夜间传播条件 改善，但干扰信号也随之增强，导致夜间通信情况并未得 到显著改善。 ②当ω2>ν2时，衰减常数近似与频率的平方成反比， 即频率越低，电离层的吸收损耗也越大，故从减小损耗的 角度考虑，短波通信应选择频率较高的工作频率。 ③地磁场的存在影响着电子运动状况，应尽量避免接 近磁旋频率（约1.4 MHz），因在此频率处电子的振荡速 度大增，电波衰减严重。 EMW Propagation Engineering 9/26
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短波天波传播
在保证可反射回来的条件下，尽量把频率选得高些， 这样就可以减小电离层对电波能量的吸收并减小多径时延。 但不能把频率选在MUF，因为电离层很不稳定，当电子浓 度变小时，电波很可能穿出电离层。通常选择工作频率为 最高可用频率的85%，称为最佳工作频率，以OWF表示。 ③τ随时间的变化：即使对于同一通信链路，多径时 延也是时变的，微明时刻，多径时延现象最严重、最复杂， 而中午和子夜时一般较小且较稳定。因为在日出和黄昏时 刻电离层电子浓度急剧变化，定点通信中，短波传播的 MUF也随之迅速改变，若用固定频率如夜频工作，实际上 是迅速的偏离最高可用频率而造成多径时延现象。 在一般条件下完全避免多径时延几乎是不可能的，只 有正确选择工作频率可减小其不利的影响。
第三讲─天波传播（1）
天波传播：含义，主要应用频段 电离层的介电性质 电离层的反射： 反射条件 特点（与频率、入射角的关系） 临界频率fc，最高频率fmax 电离层的吸收：非偏移区，非偏移吸收， 偏移区，偏移吸收 传输模式：一跳、多跳，相应的射线轨迹
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短波天波传播
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多径时延 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。 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，其大小与通信距离、工作频率、时 间等有关。 ①τ与通信距离的关系：
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即基本传输损耗Lb包括
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Lb Lbf Lg L Lp (dB)
(21)
它们都是工作频率、传输模式、通信距离和时间的函 数。其中Lg仅当多跳模式下才存在，它是电波经地面反射 后引起的损耗。Lg与电波的极化、频率、射线仰角以及地 质情况等因素有关。由于电波经电离层反射后极化面旋转
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Lp称为额外系统损耗，它是一项综合估算值，是由大 量电路实测的天波传输损耗数据，扣除Lbf、Lg、La后得到 的。Lp值与反射点的本地时间T（小时）有关，可按下述 数值估算
短波天波传播
频率从3~30MHz的无线电波称为高频无线电波，或 称短波。短波天波传播广泛应用于各种距离的定点通信、 广播、岸船间的航海移动通信等。其两个突出优点是： ①电离层传输媒质的抗毁性好 ②传输损耗小 缺点是因深入电离层，受电离层的影响较大；受电离 层暴变的影响，会造成短波通信中断。 传输模式 传输模式是电波从发射点辐射后到接收点的传播路径。 由于短波天线波束较宽，射线发散性较大；电离层是分层 的；电波传播时可能多次反射等原因，使得在一条通信线 路中通常存在着多种传播路径，也即多种传播模式。
表2 天波传播模式
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短波天波传播
School of Electronic Engineering
但即便是1F模式，一般也存在着两条传播路径，其射 线仰角分别为Δ1和Δ2。低仰角射线因入射角大，故从电 离层较低的高度就反射下来；反之，高仰角射线因入射角 小，则须在较大的电子浓度处才得以反射回来。所以即便 对应相同的发射点和接收点也可能同时存在几种传输模式 和几条射线路径，这种现象即称为多径传输。接收点场强 是所有这些射线的场强之和。