第10章天波傳播 10.1電離層10.2電離層的介電特性10.3電波在電離層中的傳播10.4電波在電離層中的傳播吸收10.5短波天波傳播10.6中波傳播

天線與電波傳播1北京郵電大學(xué)10.5短波天波的傳播短波：頻率在3~30MHz范圍內(nèi)的無線電波，亦稱為高頻無線電波。通常利用天波傳播。天線與電波傳播2北京郵電大學(xué)短波天波傳播具有傳輸媒質(zhì)抗毀性好且傳輸損耗小的特點，能以較小的功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，通信距離可達(dá)幾百到一二萬千米，甚至環(huán)球傳播。短波比較深入的進(jìn)入電離層，受電離層的影響較大，會產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落，多徑時延和傳輸損耗等。天線與電波傳播3北京郵電大學(xué)10.5.1短波天波的傳輸模式傳輸模式是電波從發(fā)射點到接收點的傳播路徑。由于短波天線波束較寬，電離層分層，電波傳播時可能多次反射等原因，所以在一條通信電路中存在多種傳播路徑，即多種傳播模式，這種現(xiàn)象也稱為多徑傳輸。天線與電波傳播4北京郵電大學(xué)當(dāng)電波以與地球表面相切的方向即射線仰角為零度的方向發(fā)射時，可以得到電波經(jīng)電離層一次反射（稱一跳）時最長的地面距離。按平均情況來說，從E層反射的一跳最遠(yuǎn)距離約為2000km，從F層反射的一跳最遠(yuǎn)距離約為4000km。若通信距離更遠(yuǎn)，必須經(jīng)過幾跳才能到達(dá)。天線與電波傳播5北京郵電大學(xué)通過E層和F層的n次反射分別為nE和nF傳輸模式圖10.5傳輸模式示意圖天線與電波傳播6北京郵電大學(xué)各種距離可能存在的傳輸模式對某一通信電路，可能存在的傳輸模式是與通信距離、工作頻率、電離層的狀態(tài)等因素有關(guān)。通信距離/km可能存在的傳輸模式0~20002000~40004000~60006000~80001E、1F、2E2E、1F、2F、1F1E3E、4E、2F、3F、4F、1E1F、2E1F4E、2F、3F、4F、1E2F、2E2F天線與電波傳播7北京郵電大學(xué)通信距離小于4000km，主要傳輸模式為1F模式，但一般存在兩條傳播路徑低仰角射線以較大入射角投射電離層，在較低的高度就從電離層反射回來高仰角射線入射角度小，則必須在較大的電子密度處才能反射回來。圖10.6

1F模式的兩條傳播路徑天線與電波傳播8北京郵電大學(xué)10.5.2短波天波的傳輸特性天線與電波傳播9北京郵電大學(xué)1.傳輸損耗天線與電波傳播10北京郵電大學(xué)天波傳播的衰減損耗LF包括電離層吸收損耗La地面反射損耗Lg額外系統(tǒng)損耗Lp天線與電波傳播11北京郵電大學(xué)1）電離層吸收損耗La電離層吸收損耗比自由空間傳播損耗小，是天波傳播損耗中的第二位因素。對短波而言，主要指電波穿過電離層時由D、E層引起的吸收損耗，即非偏移吸收。天線與電波傳播12北京郵電大學(xué)電離層吸收損耗可近似按求出其中衰減系數(shù)時，天線與電波傳播13北京郵電大學(xué)2）地面反射損耗Lg只在多跳模式的情況下存在，Lg與電波的極化、頻率、射線仰角以及地質(zhì)情況等因素有關(guān)。天線與電波傳播14北京郵電大學(xué)電波經(jīng)電離層反射后極化面旋轉(zhuǎn)且隨機(jī)變化，入射地面時的電波是雜亂極化的，因此嚴(yán)格計算Lg是有困難的，工程上處理的方法是對圓極化波進(jìn)行計算。天線與電波傳播15北京郵電大學(xué)假設(shè)入射波是圓極化的，即電波的水平極化分量和垂直極化分量相等，則地面反射損耗為：：垂直極化波的地面反射系數(shù)：水平極化波的地面反射系數(shù)天線與電波傳播16北京郵電大學(xué)垂直極化波和水平極化波的地面反射系數(shù)的計算天線與電波傳播17北京郵電大學(xué)3）額外系統(tǒng)損耗Lp額外系統(tǒng)損耗指其它原因引起的損耗。例如偏移吸收、Es層附加損耗、極化損耗、電離層漫反射損耗和聚焦和散焦損耗等。天線與電波傳播18北京郵電大學(xué)聚焦指實際電離層等效反射面往往是彎曲的，當(dāng)這個面類似凹面鏡時，電波經(jīng)過電離層反射到達(dá)地面的功率流密度比電離層為平面時的功率流密度大。反之為散焦。電離層的聚焦和散焦效應(yīng)可使天波傳輸損耗產(chǎn)生5~10dB左右的變化。天線與電波傳播19北京郵電大學(xué)Lp是項綜合估算值，是由大量電路實測的天波傳輸損耗數(shù)據(jù)扣除已指明的損耗后得到的。Lp與反射點的本地時間T（小時）有關(guān)，可按下面的數(shù)值估算：天線與電波傳播20北京郵電大學(xué)若以上所討論的各項損耗均用分貝表示，則天波的衰減損耗LF為：則可計算傳輸損耗天線與電波傳播21北京郵電大學(xué)2.多徑時延短波天波傳播中，隨機(jī)多徑傳輸現(xiàn)象將產(chǎn)生多徑時延，其大小與通信距離、工作頻率、時間等參數(shù)有關(guān)。天線與電波傳播22北京郵電大學(xué)多徑時延與通信距離的關(guān)系薩拉曼（Salaman）根據(jù)實驗資料總結(jié)出的多徑時延與通信距離的關(guān)系曲線圖10.7多徑時延與距離的關(guān)系天線與電波傳播23北京郵電大學(xué)在通信距離為－km時，多徑時延最小大約為3ms通信距離較小和較大時，傳輸時延都很大，最大可達(dá)8ms以上通信距離超過5000km時，不存在單跳模式，傳輸更為復(fù)雜，因而多徑時延增大天線與電波傳播24北京郵電大學(xué)多徑時延與工作頻率的關(guān)系當(dāng)工作頻率接近MUF時，多徑時延最小，特別是中午時分，D、E層吸收較大，多跳傳播難以出現(xiàn)，易得到真正的單跳傳輸。當(dāng)頻率降低時，傳輸模式的種類就會增加，因而多徑時延增大。天線與電波傳播25北京郵電大學(xué)當(dāng)頻率進(jìn)一步降低時，由于電離層吸收增強(qiáng)，某些模式可能遭到較大吸收而減弱，甚至可忽略不計，多徑時延可能減小。因此要減小多徑時延，必須選用較高的工作頻率。天線與電波傳播26北京郵電大學(xué)在短波數(shù)據(jù)通信中，多徑時延會引起碼元畸變，增大誤碼率，因此選用的工作頻率一般要比短波模擬通信時略高一些。從多徑時延的角度考慮，允許最低的工作頻率與最高可用頻率的比稱為多徑衰減因子（MRF）。要求的多徑時延越小，則多徑衰減因子越接近于1。天線與電波傳播27北京郵電大學(xué)多徑時延隨時間的變化由于電離層的電子密度在一天內(nèi)隨時間變化，所以多徑時延也隨著時間而變化。日出日落時，電離層電子密度劇烈變化，多徑時延最嚴(yán)重、最復(fù)雜中午和子夜多徑時延一般較小且較穩(wěn)定。多徑在很短的時間（零點幾秒到幾秒）內(nèi)會有變化天線與電波傳播28北京郵電大學(xué)多徑時延不僅引起信號幅度的快衰落，而且還將使信號產(chǎn)生失真或使信道的傳輸帶寬受到限制。多徑時延是衡量短波傳播質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。不可能完全消除多徑時延，一般通過正確選擇工作頻率來減小多徑時延。天線與電波傳播29北京郵電大學(xué)3.衰落衰落分為快衰落和慢衰落慢衰落即吸收型衰落快衰落的主要形式是干涉性衰落天線與電波傳播30北京郵電大學(xué)慢衰落主要由D層吸收特性的緩慢變化引起，衰落周期從幾分鐘到幾小時，甚至更長。一般慢衰落可能使接收點中值電平變化10dB左右，且頻率越低，電離層吸收的日變化越明顯。信號電平隨季節(jié)變化和太陽黑子11年周期性的變化也屬于慢衰落。克服慢衰落的有效措施之一是在接收機(jī)中采用自動增益控制。天線與電波傳播31北京郵電大學(xué)快衰落由短波的隨機(jī)多徑傳輸引起，通常講的短波衰落都是指快衰落。波長越短，相位差的變化越大，衰落越嚴(yán)重。天線與電波傳播32北京郵電大學(xué)產(chǎn)生干涉性衰落的幾種形式圖10.8干涉性衰落天線與電波傳播33北京郵電大學(xué)地面波與天波同時存在時造成的衰落，因只發(fā)生在離發(fā)射天線不遠(yuǎn)處，這種衰落稱為近距離衰落天線與電波傳播34北京郵電大學(xué)不同傳輸模式的電波間干涉引起的衰落，稱為遠(yuǎn)距離衰落天線與電波傳播35北京郵電大學(xué)由于地磁場的影響，電波分解為尋常波和非尋常波，二者干涉引起的衰落天線與電波傳播36北京郵電大學(xué)由于電離層的不均勻性而產(chǎn)生的漫反射引起的衰落。天線與電波傳播37北京郵電大學(xué)其它快衰落：極化衰落和跳越衰落。極化衰落是由于電離層具有各向異性的性質(zhì)，線極化平面波經(jīng)電離層反射后而為橢圓極化波，當(dāng)電離層電子密度隨機(jī)變化時，橢圓主軸方向及軸比也隨之改變，從而影響接收點場強(qiáng)的穩(wěn)定。天線與電波傳播38北京郵電大學(xué)跳越衰落指接收點信號出現(xiàn)時斷時續(xù)的“衰落”，主要發(fā)生在日出日落，電子密度發(fā)生顯著變化時。例如在日落時電子密度急劇下降，就有可能使較高的日頻電波穿出電離層，有時隨機(jī)變化的電子密度又可以使電波反射回來，因此信號時斷時續(xù)。天線與電波傳播39北京郵電大學(xué)4.靜區(qū)及越距短波在地面上的衰減很快，設(shè)其能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離為d1；一定頻率的短波以天波的形式傳播時，若射線仰角太大，電波穿出電離層而不能返回地面，存在天波傳播的最近距離d2。d1與d2之間的區(qū)域為靜區(qū)。該區(qū)域既收不到地波信號也收不到天波信號。天線與電波傳播40北京郵電大學(xué)靜區(qū)既收不到地波信號也收不到天波信號，離發(fā)射機(jī)較近或較遠(yuǎn)的距離處卻可收到信號，這種現(xiàn)象稱為越距。天線與電波傳播41北京郵電大學(xué)若發(fā)射天線是無方向性的，靜區(qū)就是圍繞發(fā)射天線的某一環(huán)形區(qū)域。圖10.9短波傳播的靜區(qū)天線與電波傳播42北京郵電大學(xué)不同頻率的靜區(qū)范圍不同。頻率越低，d1越大，天波則可以較小的入射角投射，故d2減小，因此靜區(qū)范圍縮小靜區(qū)的大小也與晝夜時間有關(guān)天線與電波傳播43北京郵電大學(xué)5.環(huán)球回波現(xiàn)象短波天波傳播在某些適當(dāng)條件下，即使在很大距離上也只有較小的傳輸損耗，則電波可經(jīng)電離層多次反射或者在地面與電離層之間來回反射，可能出現(xiàn)電波環(huán)繞地球傳播到達(dá)接收點的現(xiàn)象，稱為環(huán)球回波。天線與電波傳播44北京郵電大學(xué)環(huán)球回波有反向和正向兩種圖10.10環(huán)球回波天線與電波傳播45北京郵電大學(xué)滯后時間較大的回波信號將使接收機(jī)中出現(xiàn)不斷的回響，影響正常通信，所以應(yīng)盡可能地消除回波的發(fā)生。采用強(qiáng)方向的收、發(fā)天線可以消除反向回波。克服正向回波相對比較困難，可以通過適當(dāng)降低輻射功率和選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率來防止回波的發(fā)生。天線與電波傳播46北京郵電大學(xué)6.電離層暴的影響電離層暴會使短波信號突然中斷，可通過以下措施減少電離層暴的影響。加強(qiáng)電離層暴的預(yù)測，以便事先采取適當(dāng)措施選擇較低工作頻率，利用E層進(jìn)行反射增大發(fā)射機(jī)功率，減小電離層吸收的影響，使反射回地面的電波增強(qiáng)在電離層暴最嚴(yán)重的時刻，可采用轉(zhuǎn)播方法繞過暴變地區(qū)天線與電波傳播47北京郵電大學(xué)10.5.3接收點場強(qiáng)的計算實際接收天線所接收功率：Gre、Gt：收、發(fā)天線增益Lb：路徑傳輸損耗天線與電波傳播48北京郵電大學(xué)相應(yīng)的接收點的場強(qiáng)：在短波傳播中，接收點所需的最小接收功率取決于所要求的信噪比和噪聲功率。而額定最小的發(fā)射功率則取決于接收點所需的最小接收功率和傳播損耗。天線與電波傳播49北京郵電大學(xué)10.5.4短波天波傳播工作頻率的選擇短波天波的傳播中，工作頻率是影響短波通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。頻率太高：電離層吸收小，多徑時延小，電波容易穿出電離層。頻率太低：電波容易被發(fā)射，電波受到電離層的吸收損耗大，多徑時延大，影響通信質(zhì)量。天線與電波傳播50北京郵電大學(xué)1.最高可用頻率MUFMaximumUsableFrequency當(dāng)工作距離一定時，能使反射線到達(dá)接收點的最大反射頻率，通常小于最大反射頻率。天線與電波傳播51北京郵電大學(xué)MUF與電離層的電子密度及電波入射角有關(guān)。電子密度越大，MUF就越大。由于電離層的狀態(tài)與時間、季節(jié)、地理位置以及太陽活動性等有密切關(guān)系，因此MUF也隨這些因素變化。（預(yù)測圖）對一定的電離層高度，通信距離越遠(yuǎn)，其電波入射角就越大，電波頻率可以更高，MUF就越高。天線與電波傳播52北京郵電大學(xué)2.最低可用頻率LUFLowestUsableFrequency能保證通信所需的信噪比的最低頻率為最低可用頻率（LUF）。天線與電波傳播53北京郵電大學(xué)LUF與電子密度有關(guān)，白天電離層的電子密度大，對電波的吸收也越大，所以LUF就高些。LUF與發(fā)射機(jī)功率、天線增益、接收機(jī)靈敏度等因素有關(guān)。天線與電波傳播54北京郵電大學(xué)為了確定給定通信電路上LUF的晝夜變化曲線，首先應(yīng)該確定通信所需的電場強(qiáng)度。然后采用屢試法：假設(shè)一頻率，用給定的發(fā)射機(jī)功率和發(fā)射天線類型，計算接收點的場強(qiáng)。若小于所需場強(qiáng)，則可將頻率提高，重新計算，直到等于所需場強(qiáng)時，則這個頻率即是最低可用頻率。

天線與電波傳播55北京郵電大學(xué)3.最佳工作頻率OWFOptimumWorkingFrequency在保證信號被反射的條件下，盡量選擇更高的頻