电波传播原理资料

第一章电波传播无线电通信，是将信息变为电信号，再调制到高频振荡上，由发射天线把已调的高频电流，以电磁波的形式发射出去。电磁波传播到接收地点时，由接收天线将它接收下来，再变成已调的高频电流，通过接收机放大、解调，取出信息，从而达到通信的目的。其工作过程如图1.1所示。发送端电磁波接收端发信天线接收天线信号传输线信号一、频率、波长和波速的关系电磁波的特性可用它的频率、波长和传播速度来表示。一般用符号ƒ代表频率，常用的单位是赫、千赫和兆赫；用符号λ代表波长，常用单位是米、厘米和毫米；用符号V代表波速，常用单位是公里/秒、米/秒等。频率、波长和波速，这三个物理量之间的关系，可用公式1.1表示。V=λ׃1.1电磁波在空中传播的速度近似于光在真空中传播的速度，其值为：V=3×108米/秒1.2所以赫8103vf1.3或米ffv81031.4在短波通信中，频率常用兆赫为单位，1兆赫=106赫，所以波长λ又可以写为：发信机接收机米兆赫f3001.5无线电波频率、波长对照见表1.1表1.1频率波长对照表McM18.75161920212223242526272829303132333435363737.515.51514.51413.51312.51211.51110.5109.598.584000McM9.3759.510111213141516171818.753231.53029282726252423222120`91817163500300025002000758090100110120130140150KcM800037.5KcM7500700065006000550050004500400037.54045505560657075计算公式：频率（KC）=M波长300000，波长（M）=KC频率300000二、无线电波波段的划分无线电波的频率范围很宽，根据无线电波传播的特点，二、无线电波波段的划分按工作波长的不同，一般划分为极长波、超长波、长波、中波、短波、超短波和微波等波段，其波长划分范围一般如表1.2所示。表1.2无线电波长范围表三、无线电波传播的途径及其特点无线电波的传播途径与波长有关，按其特点可分为四类。（一）地面波传播由于对流层（距地面12—13公里的大气层）中大气的温度、压力和湿度是随高度变化而变化的，使大气层介电常数也随高度发生变化。当频率60兆赫—10000兆赫的电磁波通过这些介电常数不均匀的大气层时就三、无线电波传播的途径及其特点会产生散射，使无线电波重新回返回地面，散射传播通信电路就是利用这种电波传播方式建立起来的。地面波传播（又叫表面波传播）是指电磁波沿地球表面的绕射传播。由于地面对电磁波有吸收作用，所以地面波的强度随距离的增加而逐渐降低，降低的程度与地面波的频率及地面结构有关，例如海洋对地面波的吸收要比陆地对地面波的吸收小得多。在同一种地面结波长名称波长范围频率范围极长波105米以上3千赫以下超长波105~104米3~30千赫长波104~103米30~300千赫中波103~102米300~3000千赫短波100~10米3~30兆赫超短波10~1米30~300兆赫微波1米以下300兆赫以上构情况下，频率高时被吸收的多；频率低时吸收的少。因此短波和超短波依靠地面波的传播距离很近。而在长波和中波波段，靠地面波传播可以通达很远的距离，所以长波和中波波段可以靠地面波建立电路。（二）空间波传播空间波传播是指发射的电磁波，经空间以直线的方式直接到达接收点，以及经地表面反射后到达接收点的传播方式。这种空间波的传播，由于受地球曲率半径的影响，传播距离较近。一般仅数十公里，基本上与视线范围相同，因而天线架的越高，通信距离越远。所以为了增加通信距离，特高频天线（如电视天线）架在很高的杆塔上；微波天线也常用杆塔架设或架在山顶上。超短波与微波，就是利用这种传播方式建立起来电路的。在空间波的传播过程中，电磁波只受地面大气状况变化的影响，所以通信情况比较稳定。发收直射波反射波（b）空间波传播发收地球表面(a)表面波传播（三）散射传播四、电离层（一）电离层的形成及其结构电离层是由游离的气体分子、原子以及自由电子组成的。它的形成主要是由于太阳的紫外线辐射、微粒辐射及宇宙线等的作用，其中以紫外线辐射为最重要。物理性质（温度气压等）不均匀的对流层大气压或电离不均匀的电离层大气团发收（c）散射传播（四）电离层波传播电离层传播，又叫天波传播。它指发射的电磁波，被距地面70—80公里以上的“电离层”反射回来而到达接收地点的传播方式。当电磁波的频率较低时，电离层对其吸收强，电磁波的衰减大。当电磁波频率很高时，就会穿透电离层而不能反射。只有在短波段内，才能得到良好的电磁波传播，而建立起短波电路。电离层发收（d）天波传播电离层可大致分为D、E、F1和F2四层。各层离地面的高度以及它们的平均电子密度（每立方厘米的自由电子数）如表1.3所示。除上述四层外，还有不定期ES层，它是在原有E层的高度上形成一个强烈的电离区域，ES层的重要特征是它具有对无线电波的可透性。ES层的临界频率很高，一般大大超过E层的临界频率。在我国夏季，ES层临界频率较高，出现几率也较大，而且在太阳活动低年的ES层的临界频率比高年的高。在太阳活动低年，夏季白天F层临界频率较低，利用F层通信频带较窄。由于ES层高度（约100公里）比F层低，因此，它可起着通信的传输作用，特别是在我国黑子低年夏季白天ES层基本上是经常存在的，因此国内通信在这段时间利用ES层通信可以有效的弥补F层的不足。（二）无线电波在电离层中的折射和反射无线电波在电离层中的折射系数如式1.6所示表1.3电离层高度、电子密度表层名离地面的高度（公里）电子密度（电子数/立方厘米）备注D60~80103夜间消失E100~1205×103—105电子密度昼大夜小F12004×105夜间消失常出现在夏季F2250~400105—2×106电子密度昼大夜小，冬季大夏季小2811fN1.6式中N的单位是每立方米的自由电子数，f的单位是赫。假定电离层是由无数厚度极簿的平行薄片层构成的，在每一薄片层中电子的密度假定是均匀的。电磁波在通过每一薄片层时折射一次，当薄片层的数目无限增多时，电磁波的轨迹变成一光滑的曲线。这就是说，射入电离层的无线电波，将不沿直线传播而沿曲线传播，如图1.3所示。RRhN3N2N1θ图1.3电磁波在电离层中的折射根据全反射的条件，当电磁波频率f、入射角θ0和电磁波反射点的电子密度N之间满足式1.7时，电磁波才能由该点反射回来（如图1.4所示）022cos81Nf1.7发收图1.4电磁波的反射由1.7式可见，对于一定的入射角θ0，f越高，电磁波反向点电子密度N也应愈大，才能满足反射的条件。同样，对于一定的频率f，θ0越小，反射点的电子密度N应愈大。假使电磁波的频率大于1.7式中电离层的最大电子密度所能使电磁波反射的频率时，电磁波就会穿透电离层，而不会反射回地面上来。当垂直投射时，1.7式简化为：Nf901.8式中f0是垂直投射的频率。将1.8式代入1.7式，可得：00cosff1.91.9式表示斜投射和正投射在同一N处反射时，此二频率之间的关系。式中f表示斜投射频率，θ0表示斜射时的入射角，f0表示垂直投射频率。在垂直投射情况下，电磁波能从电离层反射回来的最高频率，称为电离层的临界频率。（三）电离层变化1．在正常情况下的变化电离层主要有D、E、F2四层。它们有规律的正常变化有三种情况：即昼夜变化，一年四季变化和太阳活动性周期变化。在正常情况下，E层距地面100—120公里，厚度约为30—40公里。电子密度在中纬度地区的夏季白天为1.5×105/厘米3，冬季白天为0.5×105/厘米3。到夜晚，因为没有太阳的照射，空气的游离停止，此处气体稠密，电子复合很快，E层几乎消失。D层的变化大致与E层相同。F层在夏季的白天分为两层，较低的一层叫F1层，较高的一层叫F2层。到了晚上，F1层的气体密度大，电子复合的机会多，于是自行消失，而F2层到晚上仍然存在。各地区的电离密度与太阳的照射情况有关，太阳直射时电离最强，斜射时电离最弱。太阳活动性变化（以太阳一年的平均黑子数来表示）对电离层的影响很大。太阳黑子的变化，大约每11年一个循环。太阳黑子多的时候，各层电离密度增大，太阳黑子少的时候，各层电离密度减小。2．在不正常情况下电离层的变化（1）由于流星的飞过，引起电离层的变化，使得E层的临界频率增高，这种变化是没有一定规律的。（2）电离层突然骚动电离层突然骚动是由于太阳突然喷出包含各种波长的辐射能量，使电离层的电离密度剧增所造成的。太阳的喷射停止后，电离层要经过1—2小时才能恢复正常状态。电离层的突然骚动，会造成通信的突然中断。（3）电离层爆变爆变的初期，电离层呈混乱状态，层次不清。爆变后期，上层电离层，尤其是F2层，渐渐扩张，临界频率降低，迫使通信频率降低，而电离层对低频的吸收大，所以信号变弱。此时对通信的影响，虽不如突然骚动严重，但其影响的时间较长。爆变的原因目前尚不十分清楚，但由于每次爆变总是发生在突然骚动之后30小时左右，因此对于爆变发生的原因可能是由于太阳喷射带电微粒而引起的。但并不是说每次骚动后必有一次爆变，因为太阳喷射的能量是向各方向传播的，而带电微粒则仅限于一个很小的立体角内，它可能到达不了地球上空电离层，因而不会引起爆变。