南京理工大学 天线及电波传播第10次课

1、第第1010章章 天波传播天波传播 天波传播天波传播(sky wave propagation)(sky wave propagation)指电波由发射指电波由发射天线向高空辐射，经高空电离层天线向高空辐射，经高空电离层(Ionosphere)(Ionosphere)反反射后到达地面接收点的传播方式，又称电离层传射后到达地面接收点的传播方式，又称电离层传播。播。 长、中、短波都可以利用天波传播。长、中、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。缺点是短波波段内信号不稳定，有较严重的衰落现象。电离层不稳定，有稳定，有较严重的衰落现象。电离层不稳定，有

2、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，天波传播仍广泛用于短波远距离通信中。信中。10.1 10.1 电离层概况电离层概况高空大气的电离源：太阳辐射的紫外线、高空大气的电离源：太阳辐射的紫外线、X X射线、高能射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐射的电磁带电微粒流、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。波以及宇宙射线等。太阳辐射的紫外线太阳辐射的紫外线是主要电离源。是主要电离源。图10-1-1太阳风太阳风X射线与射线与紫外线紫外线紫外线紫外线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

3、量有关。气体密度：上疏下密气体密度：上疏下密 电离能量：电离能量： 上强下弱上强下弱因而被电离出来的最大电子密度将出现在几个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 D层气体分子密度大，被层气体分子密度大，被电波加速的自由电子和电波加速的自由电子和大气分子之间的碰撞使大气分子之间的碰撞使电波在这个区域损耗较电波在这个区域损耗较大。大。E E层能反射几层能反射几兆赫兹的电波。兆赫兹的电波。F F层空气极其层空气极其稀薄，电子密稀薄，电子密度最大，碰撞度最大，碰撞概率低概率低。10.1.2 10.1.2 电离层变化规律电离层变化规律 电离层是一种随机的，色散的，各向异

4、性的半导电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、电离层厚度等媒质。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。1.1.电离层的规则变化电离层的规则变化 位置变化位置变化 赤道附近，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。D D层突然吸收现象（时层突然吸收现象（时间较短间较短, ,平均

5、几分钟）平均几分钟）太阳风，速度约几百上千太阳风，速度约几百上千km/skm/s，到达地球需要，到达地球需要3030小小时左右。带电粒子流的空时左右。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电子密度下降的影响是本来来F F2 2层反射的电磁波，被层反射的电磁波，被穿透，造成信号中断。穿透，造成信号中断。 20012001年年4 4月多次出现太阳耀斑，出现极其严月多次出现太阳耀斑，出现极其严重的电离层骚扰和电离层暴，造成我国满重的电离层骚扰和电离层暴，造成我国满洲里、重庆等电波工作站发射出去的探测洲里、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

6、.1.3 10.1.3 电离层的等效参数电离层的等效参数电子运动电子运动速度速度 电离层的相对介电常数电离层的相对介电常数e er r11，且是频率的函数，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。若对不同的频率呈现不同的电导率。若n=w,n=w,则电离则电离层的电导率最大，若层的电导率最大，若nw,nwnw，电导率也很小。，电导率也很小。 n 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 D层对短波（层对短波（3MHz30MHz)3MHz30MHz)呈现的电导率

7、最大，呈现的电导率最大，E E层层次之。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，会引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，（传播速度，折射率、传播轨迹），产生双折射现象。度，折射率、传播轨迹），产生双折射现象。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：

8、(1) (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，电离层各向同性。性。 (2)(2)电子密度电子密度N N只是高度的函数只是高度的函数 (3)(3)在各层电子密度最大值附近，在各层电子密度最大值附近，N(h)N(h)分布分布近似为抛物线状。近似为抛物线状。如满足如满足w w2 2nn2 2， 将电子质量、电子电量、将电子质量、电子电量、e e0 0的值的值代入上式，得代入上式，得N N变大，则变大，则n n变小，即随着高度增加，折射率变小。变小，即随着高度增加，折射率变小。轨迹：轨迹： 折射角大于入射角。当折射角大于入射角。当q qn n=90=90o o时，电波经时，电波经

9、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。由于等相位面的高处相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，电波沿着折射角逐渐减小的轨继续使用折射定律，电波沿着折射角逐渐减小的轨迹折回。迹折回。反射条件反射条件 （1 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。入射角一定，射角一定，f f越低，要求的越低，要求的N N越小，所以越易反射。越小，所以越易反射。f f大到一定程度，超

10、过电子密度的最大值，电波将大到一定程度，超过电子密度的最大值，电波将穿透电离层。穿透电离层。 长波在长波在D D层反射。中波在层反射。中波在E E层反射，但是白层反射，但是白天天D D层吸收较大。短波层吸收较大。短波F F层反射；超短波则层反射；超短波则穿出电离层。穿出电离层。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。max80.8cfNmaxmax02080.8seccoscNffqqPage 2140secvffq同一同一N N处的斜入射频率处的斜入射频率f f电离层的正割定律：电离层的正割定律：入射角越大，通信距离越大，允许频率越高入射角越大，通信距离越大，允许

11、频率越高3 3、日夜、日夜10.2.2 10.2.2 电离层的吸收电离层的吸收基本规律：基本规律：1.1.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，或电子密度越大，电离层对电波的吸收就越大。一般而言，夜晚电离层对电波的吸收小波的吸收就越大。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。2. 2. 电波频率越低，吸收越大。（自由电子受单方向电场力电波频率越低，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，消的作用时间越大，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。所以短波耗的能量就越

12、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。10.3 10.3 短波天波传播短波天波传播 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，电离层的吸收随着频率的升高而减小，所以能以较小的功率频率的升高而减小，所以能以较小的功率借助电离层反射完成远距离传播。可以传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，甚至环球传播几百到一二万千米的距离，甚至环球传播。播。10.3.1传播模式传播模式同一模式不同路径同一模式不同路径： 滑行传播滑行传播(Sliding Propagation)(Sliding Pr

13、opagation) 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，传到很远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，电波传播可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，接收时就存在严重的衰落现象，引起传输失真。在严重的衰落现象，引起传输失真。10.3.2 10.3.2 短波天线传播工作频率的选择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

14、电离层的吸收小，但电波容易穿出电离层；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，但电波将受到电离层的强烈吸收。受到电离层的强烈吸收。 （1 1）不能高于最高可用频率）不能高于最高可用频率(f(fMUFMUF) )f fMUFMUF与电离层的电子密度及电波入射角有关。与电离层的电子密度及电波入射角有关。N N越大，越大， f fMUFMUF越高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，可能电波穿出电离层。离层。 2 2）不能低于最低可用频率）不能低于最低可用频率(f(fLUFLUF) ) 保证所需的信噪比的频率为保证所需的信噪

15、比的频率为f fLUFLUF，由电离层由电离层的吸收、噪声决定。的吸收、噪声决定。 晚上晚上f fLUFLUF低，白天高低，白天高 最佳工作频率最佳工作频率f fowFowF 3 3）日频、夜频）日频、夜频 85%OWFMUFff10.3.3 10.3.3 短波天波传播的几个主要问题短波天波传播的几个主要问题1. 1. 衰落现象严重衰落现象严重3. 3. 静区静区4.4.环球回波现象环球回波现象5. 5. 电离层暴电离层暴10.3.4 传输损耗的估算传输损耗的估算10.4 中波天波传播的介绍中波天波传播的介绍11. 11. 视距传播视距传播 超短波以上波段，电离层对其是透明的。超短波以上波段，

16、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)(Propagation Over the Line of Sight) 传播媒质、地面传播媒质、地面11.1 11.1 地面对视距传播的影响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 B处的总处的总场强为：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、电波的极化和波长及地面的电参数有关。电参数有关。GHzGHz水平极化时，地面的反射较接近理想导

17、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。垂直极化时，低投射角，地面的反射较垂直极化时，低投射角，地面的反射较接近理想导电地。接近理想导电地。Brewster角GHz2 2 地面上的有效反射区地面上的有效反射区2 2 光滑地面的判别准则光滑地面的判别准则表表11-1-1 D Dh的实际计算数据的实际计算数据11.1.2 11.1.2 光滑球面地的情况光滑球面地的情况1 1、视线距离、视线距离球面的曲率对视线距离的影响球面的曲率对视线距离的影响视距距离的意义视距距离的意义 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。否则绕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。2.2.天线的等效高度天线的等效高度H1,H2H1,H2不等时，如何确定不等时，如何确定d1d1和和d2d2则比较复杂，通常需要查表则比较复杂，通常需要查表3.3.球面地的扩散因子球面地的扩散因子11.2 11.2 对流层大气对视距传播的对流层大气对视距传播的