第9章地面波传播

1、 9.0 媒质对电波的影响媒质对电波的影响 9.1 地球表面电特性地球表面电特性 9.2 地面波的传播特性地面波的传播特性 9.3 地面波场强的计算地面波场强的计算 9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响地面不均匀性对地面波传播的影响 本章内容 无线电波传播的实际媒质包括地球环 境和宇宙空间。 主要有两方面： l电波在其中传播时受媒质的电参数的受媒质的电参数的 影响影响； l电波遇到不同媒质交界面的影响遇到不同媒质交界面的影响 n 均匀媒质的复介电常数 0 为了既反映媒质的介电性r，又反映媒质的导电 性，可采用相对复介电常数相对复介电常数 0 60 rrr jj 其中,01/3610-9 F/

2、m；是自由空间波长。 对极大多数媒质 1 r 即 均匀绝缘介质中均匀绝缘介质中 r r v c n n cc vk 式中 / 介质折射率 半导电媒质中半导电媒质中 r jpnn )(jpn c jk 半导电媒质中半导电媒质中 p c n c p n rr rr 2 1 22 2 1 22 )60( 2 1 )60( 2 1 nz c jpz c zjzzjj x eeEeeEeEE 00 )( 0 2 1 22 )60( 2 1 rr c n c v 折射率 媒质吸收系数 相位常数 衰减常数 l因媒质吸收能量而振幅衰减，衰减快慢与因媒质吸收能量而振幅衰减，衰减快慢与 介质和频率有关。介质和频率

3、有关。 l传播速度与介质和频率有关。传播速度与介质和频率有关。 色散：电波传播的相速与频率有关的色散：电波传播的相速与频率有关的 现象。现象。 电波在半导电媒质中传播电波在半导电媒质中传播 2 1 22 )60( 2 1 rr p 2 1 22 )60( 2 1 rr c n c v传播速度传播速度 媒质吸收系数媒质吸收系数 0 60 f Drr J J 判断标准判断标准 通常把传导电流密度Jf与位移电流密度JD作为衡量 标准。 l当传导电流比位移电流大得多,即60/r1时，媒质具 有性质； l当位移电流比传导电流大得多,即60/ r 1时，大地具有良导体性质; l 60/ r 1时，可将大地

4、视为电介质; l 而二者相差不大时，为半电介质。 各种地质的各种地质的6060/ /r r值值 9.2 地面波的传播特性 当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的 电波是沿着半导电性质和起伏不平的地表面 进行传播的。 u 一方面由于地表面的半导电性质，使电波 的场结构发生变化场结构发生变化并引起电波吸收电波吸收； u 另一方面由于地球表面呈现球形使电波传 播的路径按绕射绕射的方式进行。 u 地 面 波 传 播还与 有关，理 论计算和实验 均证明地面波地面波 不宜采用水平不宜采用水平 极化波传播。极化波传播。 水平极化和垂直极化波的地面衰减水平极化和垂直极化波的地面衰减 波前倾斜现象是指由于地面损耗

5、造成电场 向传播方向倾斜的一种现象，地面波传播的 重要特点之一。 111 1 Re() 2 SEH x E1x E1 E1zH1y A E2z z (a) x O z S1x H1yS1z S1 (b) E1 (a)电场方向 (b)坡印廷矢量方向 由于地面是 半导电媒质， 低架直立天 线辐射的垂 直极化波将 在传播方向 上存在电场 分量 波沿z轴方向传播 yOz面为地平面 下标“1”表示在空气内 下标“2”表示在大地内 12 12 12 12 0 zz yy xx xx EE HH EE BB 利用边界条件边界条件，有 若地面满足M.A.列翁托维奇近似边界条件列翁托维奇近似边界条件： 601r

6、 r j 利用边界条件 10 10 z yr E H 又在空气中在空气中有: 10 10 x y E H 在界面大地一侧大地一侧的电、磁场水平分量之间满足 20 20 x yr E H y z H E 2 2 地面波各场分量地面波各场分量 1 2 12 422 1 2 22 1 12 (60) (60) 120 60 arctan j x zz r j x x r x yy r E EEe E Ee E HH 式中 地面上：垂直分量大于地面上：垂直分量大于 水平分量水平分量 地面下：水平分量大于地面下：水平分量大于 垂直分量垂直分量 若已知若已知E1x l 地面波传播采用垂直极化波采用垂直极化

7、波，天线则多采 用直立天线的形式。 l波前倾斜现象波前倾斜现象具有很大的实用意义。可以采用相应形式 的天线，有效地接收各场强分量。 地面上：垂直分量大于水平分量地面上：垂直分量大于水平分量 地面下：水平分量大于垂直分量地面下：水平分量大于垂直分量 422 arctan(60) r 波前倾斜角波前倾斜角为 l地面上电场为狭长椭圆极化波地面上电场为狭长椭圆极化波。在短波、超短波段，垂 直分量与水平分量相位差趋于零，所以可近似认为电场是与近似认为电场是与 椭圆长轴方向一致的线极化波椭圆长轴方向一致的线极化波。 l 地面波在传播过程中有衰减传播过程中有衰减。 沿-x方向传播的功率流密度 111 1 R

8、e() 2 xzy SE H 频率越低，地面对电波的吸收越小频率越低，地面对电波的吸收越小。因此地面波传播方式 特别适用于长波、超长波波段。 电波的传输损耗 l传播较稳定传播较稳定。由于大地的电特性、地貌 地物等不会随时改变，并且地面波基本 上不受气候条件的影响，故地面波传播 信号稳定。 l有绕射损耗有绕射损耗。障碍物越高，波长越短，则 绕射损耗越大。长波绕射能力最强，中波 次之，短波较弱，而超短波绕射能力最弱。 千 米 时 ， 必须考虑球面地造成的绕射损耗。 1 173() / () r x P kW D EAmV m r km 3 80/()f MHzr 地面衰减因子 辐射功率 方向系数

9、一般计算E1x有效值的表达式为 工程应用上，常采用国际无线电咨询委 员会（CCIR）推荐的一组曲线（布雷默 Bremmer计算曲线），来计算E1x。 使用条件是： 106 123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 MHz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m) 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 传播距离 / km dB( V / m) 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 M

10、Hz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m) 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 105 5 2 104 2 103 2 102 2 101 2 100 2 101 2 5 5 5 5 5 5 5 V / m 106 传播距离 / km dB( V / m) 123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 8104 20 0 20 40 60 80 100 120 1.5 MHz(200m) 1 MHz(300m) 700 kHz(429m) 500 kHz(600m)

11、 300kHz(1000m) 200kHz(1500m) 150kHz(2000m) 105 5 2 104 2 103 2 102 2 101 2 100 2 101 2 5 5 5 5 5 5 5 V / m 106 传播距离 / km dB( V / m) 123 46 81023 46 810223 46 810323 46 8104 当Pr1kW，D3时，则换算关系为 1 5 173 1 3 (/) () 3 10 / () x EA mV m r km AV m r km 1 5 173 1 3 (/) () 3 10 / () x EA mV m r km AV m r km 当

12、Pr=1kW，D=3时 3 )( 11 DkWP EE r xx查表 9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响 假设电波在第2段路径遭受到的吸收与第1 段的吸收无关，可以分段计算。首先按下 式计算B点的场强: 11 1 173() ( )/ () B P kW D EA rmV m r km ABC 1 , 1 2 , 2 r 1 r 2 式中A1(r1)是第1种地面上距离为r1的衰减 因子。如果把第1段地面用与第2段性质 相同的地面代替，则要在B点保持场强不 变，天线辐射功率应由原来的Pr调整到 一个新的数值Pr，其大小由下式确定: 1121 11 173173 ( )( ) rr B PDP

13、D EA rA r rr 所以 2 11 21 ( ) ( ) rr A r PP A r 式中A2(r1)是地质为2、2，距离为r1的 衰减因子。现在，辐射功率辐射功率Pr 在完全是在完全是 第第2种地质情况下传播至种地质情况下传播至C点的场强就被点的场强就被 认为是原来的数值认为是原来的数值。因而可求得C点的场 强为 212 12 11212 1221 212 11 21 173() () ()() 173()( )() / ()()( ) () ( ) ( ) C PkW D EA rr rrkW P kW D A r A rr mV m rrkWA r E rr E r E r 式中,

14、 lE1(r1)是电波在第1种媒质传播r1距离后的场强; lE2(r1)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1距离后 的场强; lE2(r1r2)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1+r2 距离后的场强。 。 212 12 11212 1221 212 11 21 173() () ()() 173()( )() / ()()( ) () ( ) ( ) C PkW D EArr rrkW PkW D A r Arr mVm rrkWAr Err Er Er 为 了 补 救 这 一 缺 点 ， 提出取两者的几何平均作取两者的几何平均作 为近似解为近似解，即接收点场强为 ACCA EEE 用上述方

15、法计算场强虽然不严格，但方法简便，结 果符合工程要求，所以应用很广。上述方法可以推广到 多种不同电参数组成的混合路径的传播。 。 三段不同性质地面传播示意图 A海 水干 土海 水 B A干 土海 水 干 土 B 2a d d aa (a) (b) 例如，在下图所示的条件下，地面波从A 点出发，经混合路径到达B点，可算出衰 减因子。 三段不同性质地面传播的衰减因子 00.20.40.81.00.6 A 0.5 0.1 0.05 0.01 0.005 0.001 海洋干土海 干土海洋干土 2a /d 由图可见，虽然总的路径是相等 的，但“海洋-干土-海洋”的路径损 耗小于“干土-海洋-干土”的路径损 耗。这说明地面波路径的各段起的 作用不相同，邻近发射天线和接收邻近发射天线和接收 天线的地区，对地面波的吸收起决天线的地区，对地面波的吸收起决 定性的作用，而路径中段的地质情定性的作用，而路径中段的地质情 况对整个路径衰减