微波技术_5.3

1、2022年6月17日星期五微波技术与天线微波技术与天线西安电子科技大学通信工程学院西安电子科技大学通信工程学院2022年6月17日星期五第五章第五章 电波传播概论电波传播概论t5.1 5.1 电波传播的基本概念电波传播的基本概念t 5.2 5.2 视距传播视距传播t 5.3 5.3 天波传播天波传播t 5.4 5.4 地面波传播地面波传播t 5.5 5.5 不均匀媒质的散射传播不均匀媒质的散射传播STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院5.3 5.3 天波传播天波传播3 天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式, 有时也称电离层电波传播, 主要用于

2、中波和短波波段。 1. 电离层概况电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分, 从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的, 因此, 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四层, 每一个区域的电子浓度都有一个最大值, 如图所示。 电离层主要是太阳的紫外辐射形成的, 因此其电子密度与日照密切相关白天大, 晚间小, 而且晚间D层消失; 电离层电子密度又随四季不同而发生变化。 除此之外, 太阳的骚动与黑子活动也对电离层电子密度产生很大影响。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院4图 电离层电子密度的高度分布 STE_A.J.Y

3、UE西安电子科技大学通信工程学院5 2. 无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。 根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为28 .801fNer其折射率为：280.811erNnf式中, f 为电波的频率。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院6图 电离层对电波的连续折射STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院7 当电波入射到空气电离层界面时, 由于电离层折射率小于空气折射率, 折射角大于入射角, 射线要向下偏折。当

4、电波进入电离层后, 由于电子密度随高度的增加而逐渐减小, 因此各薄片层的折射率依次变小, 电波将连续下折, 直至到达某一高度处电波开始折回地面。 可见, 电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。 如图，在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1= ni sini式中, n0为空气折射率, n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。设电波在第i层处到达最高点, 然后即开始折回地面, 则将i=90代入上式得STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院8208 .801sinfNnii0sec8 .80iNf 上式揭示了天波传播时, 电波频率f (H

5、z)与入射角0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。 由此引入下列几个概念: （1） 最高可用频率 可求得当电波以0角度入射时, 电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为0maxmaxsec8 .80Nf式中, Nmax为电离层的最大电子密度。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院9 也就是说, 当电波入射角0一定时, 随着频率的增高, 电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时, 由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度, 因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，如图所示, 这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。 0f1f2f3 fma

6、xf3 f2 f1STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院10（2） 天波静区 可得电离层能把频率为f (Hz)的电波“反射”回来的最小入射角0min为:2maxmin08 .801arcsinfN 这就是说，当电波频率一定时, 射线对电离层的入射角0越小, 电波需要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来, 且通信距离越近， 如图曲线“1”、“2” 所示； 但当0继续减小时, 通信距离变远, 如图中的曲线“3”; 当入射角00 min时, 则电波能被电离层“反射”回来所需的电子密度超出实际存在的Nmax值, 于是电波穿出电离层, 如图中的曲线“4”。 STE_A.J.YUE西安电子科技

7、大学通信工程学院11图 频率一定时通信距离与入射角的关系 由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来, 使得以发射天线为中心的、一定半径的区域内就不可能有天波到达, 从而形成了天波的静区静区。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院12 （3） 多径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线, 各根射线的入射角稍有不同, 它们将在不同的高度上被“反射”回来, 因而有多条路径到达接收点, 这种现象称为多径传输。 电离层的电子密度随气候不时发生起伏, 引起各射线路径也不时变化, 这样, 各射线间的波程差也不断变化, 从而使接收点的合成场的大小发生波动, 这种由多径传输引起的接收点

8、场强的起伏变化称为多径效应。正如本章前面所述, 多径效应造成了信号的衰落。 （4） 最佳工作频率fopt 电离层对电波的吸收强度和频率有关。频率越高，吸收越小，频率越低，吸收越大。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院13 因此，为了减小电离层对电波的吸收, 天波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作频率过高时, 电波需到达电子密度很大的地方才能被“反射”回来, 这就大大增长了电波的电离层中的传播距离, 随之也增大了电离层对电波的衰减。为此, 通常取最佳工作频率fopt为 fopt=0.85fmax 还需要注意的是, 电离层的D层对电波的吸收是很严重的, 夜晚, D层消失, 致

9、使天波信号增强, 这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院14总之, 天波通信具有以下特点: 频率的选择很重要, 频率太高, 电波穿透电离层射向太空; 频率太低, 电离层吸收太大, 以致不能保证必要的信噪比。 因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。而这个频率的确定, 不仅与年、月、日、时有关, 还与通信距离有关。 同样的电离层状况, 通信距离近的, 最高可用频率低, 通信距离远的, 最高可用频率高。显然, 为了通信可靠, 必须在不同时刻使用不同的频率。 但为了避免换频的次数太多, 通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。 天波传播的随机多径

10、效应严重, 多径时延较大, 信道带宽较窄。因此, 对传输信号的带宽有很大限制, 特别是对于数字通信来说, 为了保证通信质量, 在接收时必须采用相应的抗多径措施。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院15 天波传播不太稳定, 衰落严重, 在设计电路时必须考虑衰落影响, 使电路设计留有足够的电平余量。 电离层所能反射的频率范围是有限的, 一般是短波范围。 由于波段范围较窄, 因此短波电台特别拥挤, 电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离层吸收减小, 电波传播条件有所改善, 台间干扰更大。 由于天波传播是靠高空电离层的反射, 因而受地面的吸收及障碍物的影响较小, 也就是说这种传播方式的

11、传输损耗较小, 因此能以较小功率进行远距离通信。 天波通信, 特别是短波通信, 建立迅速，机动性好, 设备简单, 是短波天波传播的优点之一。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院5.4 5.4 地地 波波 传传 播播 无线电波沿地球表面传播，这种情况就称为地面波传播或表面波传播。当天线低架于地面，且最大辐射方向沿地面时，这时主要是地面波传播。 这种传播方式，信号稳定，没有多径效应，基本上不受气象条件的影响，但随着电波频率的增高传输损耗迅速加大。 因此特别宜于长波和超长波的远距离传播，在军事通信中，还可以使用短波(主要是低频端)作几十千米以内的近距离通信。 在讨论地面波传播问题时，

12、一般是将对流层视为均匀媒质，电离层的影响不予考虑，而主要考虑地球表面对电波传播的影响。16STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院17 在地波传播过程中，大地介质中的带电粒子受天线辐射的电磁场激发，产生再辐射。这种再辐射与原来的辐射场叠加在一起造成电磁场能量大体上贴近地表面传播。由于地是半导体介质，如果采用水平极化波传播损耗大，所以地波传播多采用垂直极化波。 设有一直立天线架设于地面之上, 辐射的垂直极化波沿地面传播时, 若大地是理想导体, 则接收天线接收到的仍是垂直极化波。 实际上, 大地是非理想导电媒质, 垂直极化波的电场沿地面传播时, 就在地面感应出与其一起移动的正电荷, 进而

13、形成电流, 从而产生欧姆损耗, 造成大地对电波的吸收; 并沿地表面形成较小的电场水平分量, 致使波前倾斜, 并变为椭圆极化波, 如图所示。 显然, 波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸收程度。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院18图 理想导电地面的场结构图 非理想导电地面的场结构STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院19 从以上知识可以得到如下结论: 垂直极化波沿非理想导电地面传播时, 由于大地对电波能量的吸收作用, 产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1, 因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高, Ez1越大, 说明传播损耗越大

14、。因此, 地面波传播主要用于中、长波传播, 短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时, 只能进行几千米或十几千米的近距离通信。海水的电导率比陆地的高, 因此在海面上要比陆地上传得远的多。 地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于Ex1Ez1, 故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合, 由于受到条件的限制, 也可以采用低架水平天线接收。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院20 地面波由于地表面的电性能及地貌、 地物等并不随时间很快地变化, 并且基本上不受气候条件的影响, 因此信号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 最后，再次强调, 地面波的传播情况

15、与电波的极化形式有很大关系，只有垂直极化波才能进行地面波传播。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院5.5 5.5 不均匀媒质的散射传播不均匀媒质的散射传播21 除了上述三种基本传输方式外, 还有散射波传播、流星余迹、地下波等方式。 散射传播散射传播：电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射, 散射波的一部分到达接收天线处, 这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。 电离层散射主要用于 30100MHz频段, 对流层散射主要用于100 MHz以上频段。就其传播机理而言, 电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性； 就其应用广度来说, 电离层散射传播不

16、如对流层散射传播方式应用广泛。现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院22 对流层是大气的最低层, 通常是指从地面算起至高达135千米的区域, 在太阳的辐射下，受热的地面通过大气的垂直对流作用, 对流层升温。 一般情况下, 对流层的温度、 压强、湿度不断变化, 在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小尺度起伏, 形成了不均匀的介质团。 当超短波、 短波投射到这些不均匀体时, 就在其中产生感应电流, 成为一个二次辐射源, 将入射的电磁能量向四面八方再辐射。于是电波就到达不均匀介质团所能“看见”但电波发射点却不能“看见”的超视距范

17、围。 电磁波的这种无规则、无方向的辐射, 即为散射, 相应的介质团称为散射体, 如图所示。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院23图 不均匀媒质传播STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院24 对于任一固定的接收点来说, 其接收场强就是收发双方都能“看见”的那部分空间收、 发天线波束相交的公共体积中的所有散射体的总和。通过上述分析, 可以看出对流层散射传播具有下列特点: 由于散射波相当微弱, 即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗, 一般超过200dB）, 因此对流层散射通信要采用大功率发射机、 高灵敏度接收机和高增益天线。 由

18、于湍流运动的特点, 散射体是随机变化的, 它们之间在电性能上是相互独立的, 因而它们对接收点的场强影响是随机的。 这种随机多径传播现象, 使信号产生严重的快衰落。 这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院25 这种传播方式的优点是: 容量大, 可靠性高, 保密性好, 单跳跨距达300800 km, 一般用于无法建立微波中继站的地区, 如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。 流星余迹散射传播流星余迹散射传播：利用流星余迹反射无线电波而进行的远距离通信叫流星余迹通信。通信常用的波段为30100兆赫（MHz）。 太空中的流星受到地球的引力以

19、很大的速度进入地球大气层，从高度 12080 千米左右开始，流星和稠密大气相互作用，产生高温，使流星所经路径周围的大气发光及电离，产生了附加的电离区。并由于扩散而形成了长达十余千米的电离余迹（或称流星余迹）。 STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院26 流星余迹的持续时间很短，通常仅为几毫秒到几秒（平均在200400毫秒之间）。但它们出现频繁，据统计在全世界上空每天可用的流星余迹约有几十亿个，因此在 80120 千米的高空中，就经常存在着小尺度的电子浓度不均匀的电离团。根据它们的电离程度，能反射或散射超短波的无线电波，因而有可能使电波投射到地球表面位于几何阴影区内的各点，通信距离可达 15002200 千米。 根据流星电离余迹电子线密度的大小，通常把流星余迹的散射过程分为两种情况两种情况： 1、电子的线密度不超过 1014电子米时，电波能以很小的畸变通过电离余迹，则电离区中的自由电子在入射电场作用下产生二次辐射，这就形成了流星余迹的散射信号散射信号。STE_A.J.YUE西安电子科技大学通信工程学院 2、电子的线密度大于1014 电子米时，即电离余迹的电子线密度足够大以致使电波无法通过这部分