无线电波传播环境

1、电波传播理论3-1第3章无线电波传播环境：无线电气象与地面电磁特性基本要求：1.掌握折射率，折射指数和修正折射率，修正折射指数的定义和关系；2. 掌握陆地地形、陆地环境和地貌的分类；3.了解地面电气特性的基本概念。第3 章 无线电波传播环境1电波传播理论3-23.1 地球大气、地面与无线电波传播自然环境和人为环境：自然环境地球表面及其周围不远的空间范围 介质空间地球大气 边界条件地面及其覆盖物人为环境各种传输系统地球大气层的四个层次无线电通信方式 第3 章 无线电波传播环境2电波传播理论3-33.1.1 对流层对流层从地面到对流层顶的大气层。对流层是中性大气层。对流层内中进行着各种各样复杂的规

2、则和随机的天气过程。对流层主要影响VHF以上频段无线电波的传播，特别是微波和毫米波。 对流层顶当温度随高度以6.5C/公里的速率下降到大约-56C的恒定值的高度对流层的高度： 在中纬度地区，对流层顶的海拔高度大约为12公里 在我国大陆地区，对流层顶的高度为1113公里 在赤道地区，大约为18公里 在两极地区则只有8公里左右。第3 章 无线电波传播环境3电波传播理论3-4对流层的电磁特性（折射指数）一般情况下，对流层的折射指数参数取决于空气的介电常数、导电率和导磁系数。常用情况下，对流层的折射指数仅取决于空气的介电常数对流层的导磁系数通常等于1在VHF以上频段，对流层可以被看成是无热损耗的介质，

3、即导电率为零介电常数是气象三要素（压力、温度和湿度）的函数由于在对流层中每时每刻都在进行着各种各样的复杂的天气过程，所以，空气的温度、压力和湿度等三个基本气象参数乃至折射指数都随时间和空间发生着各种各样的十分复杂的规则的和随机的变化。第3 章 无线电波传播环境4电波传播理论3-5对流层的各种各样的传播现象射线路径的弯曲第3 章 无线电波传播环境5电波传播理论3-6大气波导传播对流层湍流的散射聚焦和散焦效应、多径传播现象、去极化，吸收.这些传播现象都将严重地影响无线电波的幅度、相位、极化、时延、波速、频率、波长、波传播方向，乃至极大地影响无线电通信业务的容量、质量和可靠性。第3 章 无线电波传播

4、环境6电波传播理论3-73.1.2 同温层（平流层）同温层对流层顶到大约60公里高度的大气层。同温层是中性大气，空气又很稀薄，同温层对无线电波传播的影响是小的。所有频段的无线电波在同温层传播时，都可以近似地把同温层看作为真空。1997年1月美国提出“同温层电信业务(STS)”。其内容是利用电晕离子推动器结合GPS技术，使位于同温层的气球的空间位置保持稳定，实现同温层气球通信。它既可实现实时、宽带、多媒体通信，满足发达国家用户对通信业务日益增长的需求，也可以和便携式窄带终端连接，有利于发展中国家更快、更省地建设先进的电信基础设施。FCC（美国联邦通信委员会）于1996年3月1日已正式接受该公司关

5、于建立STS的申请文件，该文件提出在全球建立250个STS站，约需8亿美元投资。 第3 章 无线电波传播环境7电波传播理论3-83.1.3 电离层电离层从60公里到大约20003000公里的大气层被称为电离层。电离层的主要成分是电离气体。电离层主要影响HF（短波）以下频率的无线电波的传播。频率低的无线电波不能穿越电离层，而是被电离层反射，以致可以到达很远的距离，这是短波通信的主要传播机理。电离层的折射指数与1之差是与频率的平方成反比的，在VHF以上频率，电离层的折射指数是非常接近于1的。VHF以上频率的无线电波传播可以忽略电离层的影响，只是在VHF频段的低端有时需要考虑电离层的某些二级传播效应

6、。第3 章 无线电波传播环境8电波传播理论3-93.1.3 电离层电离层从60公里到大约20003000公里的大气层被称为电离层。电离层的主要成分是电离气体。电离层中有大量的自由电子和离子，它们将对无线电波传播产生影响。电离层又分为D层、E层和F层。在白天，特别在夏季和中纬地区，F层又分F1层和F2层。 电离层中典型的电子浓度高度分布第3 章 无线电波传播环境9电波传播理论3-10无线电波在电离层中传播的方式频率低的无线电波（长波、中波和短波）不能穿越电离层，而是被电离层反射，以致可以到达很远的距离。电离层对HF（短波）以下频率的无线电波的传播有着很大的影响（参考书2）。其特点是在频率低端有吸

7、收，滨且短波传播过程还有回波现象，漫反射现象，寂静区等特点。 寂静区（又称为死区）围绕发射机的一个环形区域。在这个区域内不可能接收到信号。而在这个区域外，均能满意地接收信号。寂静区的存在是由于：短波波段的地波受到很大衰减，不能达到寂静区，而电离层波由于从电离层反射时存在着最大反射频率，因而只能投射到寂静区以外的地点。第3 章 无线电波传播环境10电波传播理论3-11电离层对超过最大可用频率的无线电波（微波）可以认为是透明的，但是电磁波的极化将会受到法拉第旋转的影响。电离层以上的大气就是磁层。电磁波穿过电离层的传播，甚至在离地球更远的磁层和行星际媒质中的传播，正在受到人们的关注和研究，这对整个频

8、段的无线电波都是重要的。当前对各种不同频率电波在上电离层和磁层内传播研究的最主要的和最有趣的问题之一是电波沿地球磁力线的导引问题。在高频波段还能观测到“宇宙回波”现象，但至今还不能解释，它的时延大大超过环球回波的时延。能穿过地球大气层，并沿地球磁力线传播的哨声等甚低频电磁波在磁层内的传播，也是一个重要的研究领域。第3 章 无线电波传播环境11电波传播理论3-123.1.4 下贴面下贴面地球表面，即地面，及其地面覆盖物下贴面（地面及其覆盖物）对无线电波的影响引起无线电波的反射、散射、遮蔽和阻挡（绕射衰减），这些传播现象与下贴面的类型、地面的电磁特性和地形粗糙度紧密相关。水面和没有农作物覆盖的平原

9、地区的田野，地面反射可以很强烈，可引起很深的反射衰落在森林地区和山区，地面反射很小城市的房屋建筑会引起无线电波的散射、反射和阻挡，产生严重的多径衰落。第3 章 无线电波传播环境12电波传播理论3-13不同的通信方式与大气层和下贴面的关系无论是对于地空通信还是对于地面通信，无论是对于长波、短波、超短波还是微波，下贴面的影响都是不可回避的、不容忽视的因素。各种频段上的地面通信和对流层散射通信都只与地面地物和对流层介质有关，不必涉及电离层问题。卫星通信的地空传播电路，有一定的仰角，虽然地面地物的影响是不可避免的，但是，影响是比较小的。在微波以上频率，只需要考虑对流层的影响，电离层的影响可以忽略，但是

10、在超短波的低端频率上，有时还要考虑电离层一些二级传播效应的影响。短波电离层通信主要取决于电离层的的传播特性，但地面的影响也是不可避免的。第3 章 无线电波传播环境13电波传播理论3-143.2 无线电气象研究的一般内容无线电气象研究对流层（特别是1公里高度以下的低层大气层）与无线电波传播有关的特性。无线电波在对流层中的传播效应取决于对流层的无线电气象特性。研究无线电气象的重要性对于无线电兼容分析、对于各种无线电通信业务的工程规划、设计和优化都具有十分重要的意义。 一般的气象工作不能代替无线电气象的研究，一般气象仅仅是无线电气象的基础。 第3 章 无线电波传播环境14电波传播理论3-15无线电气

11、象研究的主要内容：大气压强、温度和湿度沿高度的分布。温度和湿度沿高度的反常分布。温度和湿度沿高度的的反常分布会引起负折射、超折射和大气波导等反常传播效应的出现。温度和湿度反常分布的出现概率决定着负折射、超折射和大气波导等反常传播效应的出现概率。地面湿度随时间和地点的变化。紧贴地面1公里和数百米大气的折射指数梯度的中值和概率分布。大气地面波导和悬空波导出现概率的统计与负折射出现概率的统计。第3 章 无线电波传播环境15电波传播理论3-16等效地球半径因子的中值和概率分布。地面折射指数或折射率及其干项和湿项随时间和地点的变化。折射指数或折射率沿高度的分布以及随时间的变化；折射指数或折射率沿高度分布

12、的预测模型。雨强的概率分布模型。雨强的地理分布。雨高度的地理分布。雨滴尺寸的概率分布模型。在毫米波频段，要研究云、雾和雪的强度以及随时间和地点的变化。第3 章 无线电波传播环境16电波传播理论3-173.3 对流层气象的统计特性对流层的基本气体成分主要包括氮、氧、氩和水汽。 氮气占百分之七十几 氧气占百分之二十左右 氩气占到大约百分之一 水汽最高可达到百分之四对于前三种气体，这种比例关系是比较稳定的，直到90公里的高度上，这种比例关系仍然能够保持。水汽在空气中的含量却随季节、时间、地点和高度有很大的变化。除水汽之外，对流层中液态和固态的水凝体，如雨、雾、云、雪、雹，也是不稳定的成分。对流层电气

13、特性的代表性参数是大气的折射指数，而折射指数是对流层温度、压力和湿度的函数。第3 章 无线电波传播环境17电波传播理论3-183.3.1 温度低层大气的气温与地理纬度、大气层高度和季节有关，变化很大。纬度每增加1度（相当于大约111公里的地面距离），地面气温则降低1；高度每增加1公里，气温平均下降6.5。地面气温在一年内的季节变化可高达7080。大气温度还有周期变化，特别是在近地面的大气层，到达同温层的高度后，大气温度才比较稳定。温度有两种表示方法：摄氏温度 和绝对温度变换关系（3.1）第3 章 无线电波传播环境18电波传播理论3-193.3.2 气压大气压强（简称气压）横切面为1平方厘米的面

14、积上所承受的空气体积的总重量。在海平面上，大气压强等于底面积为1平方厘米、高为760毫米水银柱的总重量，称为1个大气压。气压的法定计量单位是帕（Pa）。气压的常用单位是巴（bar）或毫巴（mbar）。变换关系第3 章 无线电波传播环境19电波传播理论3-20与气温相比较，气压随时间和地点的变化相对来说是小的。气压主要与高度有关，地面的气压取决于当地的海拔高度。由于重力的作用，除水汽之外的干燥空气的气压是沿高度成指数递降的。任意高度处干燥空气成份的气压可以用公式 （3.2）计算。气压随高度的递降是非常迅速的。 地面上 10km 50km 300km 1000mb 260mb 1.3mb 3x10

15、-10 mb第3 章 无线电波传播环境20电波传播理论3-213.3.3 湿度水汽分压强 空气总的水汽的压强空气的饱和水汽压 与气温 的经验公式：相对湿度绝对湿度 （3.4）（3.3）（3.5）第3 章 无线电波传播环境21电波传播理论3-22水汽随时间、地点和高度的变化是很大的。水汽主要存在于3公里以下的低层大气中。地面水汽压在赤道地区可达25mb，在纬度6070的地区则仅有45mb。水汽压沿高度的经验公式： 地面的水汽压 离地面的高度（3.6）第3 章 无线电波传播环境22折射指数和折射率的关系：修正折射指数与修正折射率的关系：折射指数和修正折射率（折射指数模或 指数）的关系： 电波传播理

16、论3-233.4 折射指数与折射率修正折射指数与修正折射率 折射率 折射指数 修正折射率 修正折射指数 第3 章 无线电波传播环境23电波传播理论3-24对流层空气的折射指数 空气折射率的干项 （干空气折射率） 空气折射率的湿项 （湿空气折射率） （3.8）（3.9）第3 章 无线电波传播环境24电波传播理论3-253.5 折射率沿高度的分布模型统计分析表明，折射率沿高度的分布可以表示为高度的负指数函数。海拔高度为 处的折射率： 外推到海平面的折射率 标称高度 为常数地面折射率： 地面的海拔高度 （3.15）（3.16）第3 章 无线电波传播环境25电波传播理论3-26国际折射率参考模型： 中

17、国折射率参考模型: （3.17）（3.18）第3 章 无线电波传播环境26电波传播理论3-273.6 近地面折射率梯度模型近地面折射率梯度有三种不同的表示方法：距地面1公里高度上的折射率与地面折射率之差，它是个负值，常以 表示；距地面100米高度范围内的折射率梯度，该梯度主要用于统计大气波导的出现概率；距地面65米高度范围内的折射率梯度，该参数主要用于多径传播与多径矢量分析。第3 章 无线电波传播环境27电波传播理论3-283.7 中国大陆地区无线电气候的特征中国大陆地区折射率沿高度的分布一个推荐模型:地面折射率一方面取决于当地的气象环境，另一方面，也与地面的海拔高度有关。中国大陆地区的折射率

18、的年内变化（季节变化）很大。地面折射率在日内24小时的变化具有明显的周期性规律。通常，在日出前的凌晨前后达到最大值；最小值出现在当地时间14:00前后。与地面折射率的季节变化相比，其日内周期变化要小得多（3.20）第3 章 无线电波传播环境28电波传播理论3-293.8 降雨特性降雨对无线电波传播的主要影响：散射，即雨滴对无线电波能量的散射，这既引起无线电波能量的衰减，也可能招致对其它通信系统的干扰；吸收，即雨滴对无线电波能量的吸收和损耗；去极化，即无线电波通过降雨区域后，其交叉极化隔离度将有所降低，这就是所谓的去极化效应。降雨对电波的散射和吸收将引起无线电波能量的衰减，散射和去极化效应将可能

19、招致对其它通信系统的干扰。降雨的这些传播效应，取决于降雨的特性。与无线电波传播有关的降雨特性降雨率（雨强）、雨滴的尺寸分布、雨高度以及雨滴形状和雨滴的下落速度等参数。第3 章 无线电波传播环境29电波传播理论3-30无线电波的频率高于10GHz时，需要考虑云和雾对电波的衰减，但是，只有当频率高于50GHz时，云、雾对电波的衰减才显得重要。云、雾是由微小水粒子组成。云层的底部高度一般为百米到数百米，云层顶部的高度很少超过3000米。几种典型云的水滴直径、水滴浓度、液态水密度等见表3.1。雾可以看作为底部高度为零（贴着地面）的云。一般而言，云只影响地空电路的无线电波传播，雾可同时影响地面和地空电路

20、的无线电波传播。3.9 云、雾特性第3 章 无线电波传播环境30电波传播理论3-31沙暴是指贴近地面、移动速度很慢、上边界清晰且厚度小于2米的沙云；沙尘是由很细的沙粒子组成的、高度可达1公里、持续时间很长且可移动到很远距离的沙云。沙尘有时伴随沙暴发生。沙暴是紧贴地面的薄层，通常对地空传播与地面微波传播的影响都很小。3.10 沙暴和沙尘特性第3 章 无线电波传播环境31电波传播理论3-32地面的特性地形特性、环境特性、地面覆盖物特性。地面的特性与无线电波的传播密切相关，对于不同的地面和环境，应采用不同的传播模型。地面类型的一级划分陆地和水面。水面主要包括湖泊和海洋。3.11 地面一般特性第3 章 无线电波传播环境32电波传播理论3-33陆地地形按地面不规则度(terrain irregulation)进行划分。地形不规则度或地形粗糙度从传播