大气波导传播模型及特性分析

1、大气波导传播模型及特性分析孙方，赵振维，康士峰，王红光(中国电波传播研究所青岛分所，LU东青岛266107)摘要：介绍了波导传播条件以及目前用于计算波导传播特性的2种模型抛物方程模型和射线追踪技术。利用抛物方程模型计算了波导环境下，电磁波在不同的发射频率、不同位置处的传播损耗，利用射线追踪技术模拟了射线在波导中的传播轨迹和时延特性。结合不同的计算结果，综合分析了大气波导传播特性对通信系统的影响。关键词：大气波导；抛物方程；射线追踪；传播特性中图分类号：TN011.3文献标识码：A文章编号：172-242(20)-0016-05AtmosphericDuctPropagationModeland

2、CharacteristicAnalysisSUNFangZHAOZhen-weiKANGShi-fengWANGHong-guang(QigdBachofChinResearchInstitutefRadiwvePopgtn,Qngdao266107China)Abstract:Thspentrducesheductpopagainconditinandwomod1udforalulaingduprgationcharacteristictpresn:paraboliquatimod1andryaigtcholgy.Theprpgation1ssflecomageicwvisaulatdun

3、drdiffrentransmitfrquciesandplaeswthparaboicequatinmode；thpropagatntracadimdiffernofaysidueiimulatdwithytrcingechlogy.Aahispaprgneralynlyestheffctsfmophericdueprpagationchaactisticonemuicationsystembycobinigwithdiffentesults.Kevwords:amspheriduct；parbolicequatin；rayrcing；propagaionharacteristic大气波导是

4、一种可以使电磁波产生超折射的环境现象它可以使部分电磁波陷获在波导层内，形成超视距传播从而增加无线电系统的作用距离，实现超视距探测。利用抛物方程模型计算电磁波在波导中的传播损耗是目前国际上通用的数值计算方法另外,利用射线追踪技术描述电磁波的传播轨迹，可以更加形象生动地解释波导对射线的陷获过程。因此,文中将这2种模式作为大气波导中的传播模型,分别计算电磁波在不同频率、不同位置处的传播损耗分析多径传导致时延特性对传损耗影响以便对雷达等通信系统的超视距探测及定位起到更为有效的辅助作用收稿日期：2009-04-28作者简介：孙方(1982)女，山东人学士，助理工程师，主要从事电波传播、大气波导等方面的工

5、作。第6卷第6期孙方等:大气波导传播模型及特性分析171波导传播的条件大气波导剖面要使电磁波产生波导传播,首先要发生大气波导现象。实际工计算是利用大气波导剖面来分析的大气波导剖面通常选择修正折射率梯度来表示修正折射率梯度可以方便地显示波导特征并利于相关计算，原因如下。足下列条件|:；上式并不能明區地示波导剖面特征，因此通过将地球等效为平地面的思想引入了修正折射率丁明明为地球半径将其代入土和得至I废生波导时修正折射率梯度满足的条件:（2）根据上式建立个有基础层的表面波导剖面如图所示。图中d为波导厚度;明波导层厚度令向的人气勺射#我n面发射的水平极化的电磁波能形成波导传播的最大波长单位m）与波导层

6、厚庵修正折射率垂直梯度导层内的大关系为S单位m）及波之间的0且垂直极化波最大波长召口明由（真空中光速）町得水平极化和垂直极化的极限频率分别为:9厂明E明（45）由上式可得，图1所示表面波导剖面的水平极化波极限频率564MHz。穿透角即位于波导内的电磁波射线刚刚能够穿透波导而不被捕获的发射仰角：口丿明明吨明明埶度处与波导顶处之差。由上式町的/大们为：修圧折射率M图1表面波导剖面Fig.ProfileofsrfacedctDDDD/7対芋图q卿示的表面波导，当天线高度为30m时其穿透角为0.3o1.3发生波导传播的条件由以上所述，可总结出电磁波形成波导传播必须满足的条件为：1必须存在大气波导，即存

7、先r的大气层结；2）电磁波频率必须高于极限频率3）电磁波的发射仰角必须小于穿透角;4电磁波发射源必须位于导内。.2极限频率与穿透角当大气波导存在时，电磁波并不定发生气波导传播，还取决于发射波的频率以及发射源和对波导的位置和发射仰角等多种因素。因此这里有必要给出极限频率与穿透角的概念。波导传播模型的建立2.抛物方程模型抛物方模型能够定量地计算电磁波在波导环境下的传播损耗传播损耗是分析通信系统性能指8装备环境工程009年1月标和目标特性个重要参数是对传播衰减进行泄量述。其定义为实际传播环境条件下收发均用无方向性天线时发射功率与接收功率之间的比值抛物程模型是由动程推导出的一种数值模型其具休形式如F3

8、口D叩（8）一一式中为波函数;上是真空中的波数乜仃/；是折射裁数a为地礒半径。根据分步卷叶变按耒解影响因此无法象抛物方程模型那样定量计算电磁波的幅度特性也无法述波顶端的能量泄漏问题只能通过射线密度高低泄性地表示场强强弱5但是,它町以直观地说明足位问题中的空间位置和到达角等问题这是抛物方程方法所不具备的优点。3波导传播特性分析抛物方程即可得到抛物方程解-n角口的函数用下式计算片；变换量口是传播水平仰o得到场口强厉，传播损耗为了更好地休现波导传播与正常视距传播的区别，利用第2节介绍的抛物方程模型和射线追踪技术首先给出标准大气下的传播损耗与射线轨迹图。令天线发射频率为9000MHz,高度30m天线仰

9、角0，天线方向图类型为高斯波束宽度为3,水平极化方式,得到标准大气下的传播损耗（如图2所示）(0)式中为频昶也；为传播因匕所谓传播因同的情况下，接收点的实际场强幅度和n由空间场强幅度之比。在抛物方程模型中定义为II2.射线追踪技术距离/km图2标准大气下的传播损耗Fig.2Prpagaio1ssinsadardatmosphere射线追踪技术用來描述射线由于大气折射引起的传播位置的变化尤其针对大气波导传播,能够形象地演示电磁波射线在波导环境中的传播路径射线追踪技术由儿何光学理论演化而来,是基于球面分层大气的斯奈尔定律进行泰勒二阶近似得到同样令天线高度为30m发射仰角从-060.6角度间隔设为0

10、.06。，利用线得到电磁波的传播轨迹如图3所示）。利用以下3式计算电波传播轨迹4:V_(12)Q_Q-分别为对应于高魔0髙度处修正折射率(13式中g需要说明的是线距离口处的0没有考虑频率的()|飢IiLd1I050100150200250300距肉/kin图3标准大气卜的射线轨迹Fig.3Raytraceuerstaardatmosphere方等大气波导传播型及特性分析9图4表面波导传播损耗Fig.4Prpagtion1ssofsurfci一）/）：）一）+U）+严g）i（15光学路径之差与光速的比值即所要求的吋延Oa频率为3(M)MIL,(-频率为9(XM)MHz由计算结果可知传播损耗沿着距

11、离的方向迅速减小在距离约60km处损耗已经达到1dB左右线迹在标准大气折的作用下沿高度方向快速收敛。当电磁波具备了发生波导传播的条件后利用计算模型就可以得到波导的传播特性以图1所示的表导剖面为环境参数令天线发射频率分别为300Mz、1564Hz（极限频率）、9000Mz英它雷达参数与标准气相同计算得到导坏境下的传播损耗，如图4所示。同样令天线高度30m发射仰角从-0.6。.角度间隔设为0.0得到表面波导下传播迹如图5所示图中的2条虚线是以穿透角（士.3。）为发射仰角的射线从计算结果可以看出频率为3OMHz的电磁波没有形成波导传播，而发射频率越高传播损耗的变化趋势与射线传播轨迹越为相像电磁波越容

12、易受到波导的影响这是因为射线追踪技术的理论依据是几何光学理论它的假设前提是频率为无穷大,因此雷达工作频率越大，就越符合几何光学理论基本条件。从射线轨迹图可以看出,发射仰角在穿透角以内（-.3.3。）的射线均被波导捕获沿着距离方向形成超视距传播。发射仰角绝对值越小越容易被波导获。另方面由于部分射线被获在波导内传播使得在波导顶定空间内很少有射线穿过因而形成向外扩展的电磁盲区如图5所示为了有效地说明盲区对雷达探测的影响可以分别计算不同距离点处时延和传播损耗随高度的变化信号的时延是多径效应产生的当电波以多于1条的路径到达接收点时接收信号是多条不同路径传來的电场的叠加。不同长度路径到达接收点的时延不同，

13、导致信号失真。文中时延计算方法是利用射线追踪技术计算到达同位置处的各条射线光学路径之差射线光学路径用式表示裂装备环境工程时延太大会引起比较明显的信号失真。分别选取2、0O、203km这个距离点计算时延和传播损耗随高度变化，结果如图、图7所示时延,图6各距离点处时延随高度的变化Fig.6Timedlaydierntpintsvrsushight2种计算模型，可以有效地分析电磁波在不同的雷达系统参数、不同类型导中幅度特性和传播过程经过分析可知：大气导一方面可以使波在波导内实现超视距传播扩大位于波导内的探测、通信、电子对抗等电子系统的有效作用距离为远距离探测、预警和实现超视距作战提供条件另方面也产生

14、了电磁盲区。电磁盲区限制了雷达系统对位于盲区内目标探测能力。对于防御者而言波导顶的盲区是其防御薄弱部位应积极采取措施进行补盲；对于进攻者而言，敌方电子系统盲区是隐蔽接敌、实施奇袭的最佳路径另外波导在延伸了探测距离的同时其区域内的多径效应也有可能导致信号明显失真因此只有充分了解大气波导的各种传播特性才能更好地应用到实际不同的通信和探测系统中去，提高我军防卫体系的实战性能。、侧袒兰三重廿，尹爹多万嘴；、气页)扳二玉东井二-轰垂鑫爵仲20km-一.1)km一一100km万们kmSi130140ISO160170传播损耗/dB图7各距离点处传播损耗随高度的变化g7Ppagatosodfentp0svr

15、useght从图中以看出在高度约60-20m、距离约50km以外的盲区由于没有射线出现因此得不到时延的值，而这区域相同离处的传播损耗明显大于高度60m以下波导区域内的损耗另外波导内部多条射线的干涉也会引起信号的衰落从图中可以直观地看出于时延的不同导致传输损耗在波导内产生强烈的不规则起伏变化而且随着离的增加时延和损耗也呈增大趋势4结论抛物方程模型和射线追踪技术是目前国际上展得比较成熟的计算波导传播特性的方法。利用这参考文献刘成国蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究DI西安：西安电子科技大学(博士)203刘成国，潘中伟中国低空大气波导的极限频率和穿透角ii通信学报，1998,19(10):91一5.王红光，张蕊，康士峰，等大气波导传播的抛物方程模型研究综述J.装备环境工程，008,5(1):11-15.孙方，王红光，康士峰，等大气波导环境下的射线追踪算法J.电波科学学报，2008,23(1)179-183