第9章 地面波传播

第9章地面波传播

9.0媒质对电波的影响9.1地球表面电特性9.2地面波的传播特性9.3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：电波在其中传播时受媒质的电参数的影响；电波遇到不同媒质交界面的影响媒质对平面波的影响

均匀媒质的复介电常数

为了既反映媒质的介电性εr，又反映媒质的导电性σ，可采用相对复介电常数其中,ε0＝1/36π×10-9F/m；λ是自由空间波长。对极大多数媒质即半导电媒质中的电磁波均匀绝缘介质中介质折射率半导电媒质中半导电媒质中折射率媒质吸收系数相位常数衰减常数因媒质吸收能量而振幅衰减，衰减快慢与介质和频率有关。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现象。电波在半导电媒质中传播传播速度媒质吸收系数判断某种媒质是呈现导电性还是介电性

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。当传导电流比位移电流大得多,即60λσ/εr>>1时，媒质具有良导体性质；当位移电流比传导电流大得多,即60λσ/εr<<1时，可视为电介质；而二者相差不大时，称为半导电介质。不同介质分界面上的反射与折射反射波：入射角等于反射角折射波：入射角与折射角与两介质的折射率有关n1n2地面波传播GroundWavePropagation/表面波传播Surface-WavePropagation

：无线电沿着地球表面传播。适用波段：中波、长波和超长波的远距离导航、对潜通信；短波、超短波的军事近距离通信、侦察和干扰。优点：传输损耗小，作用距离远；受电离层扰动影响小；传输情况稳定，有较强穿透土壤和海水的能力。缺点：大气噪声电平高，工作频带窄。9.1地球表面电特性地球结构示意图

地面对电波传播的影响主要表现为两个方面：地面的不平坦性，当地面起伏不平的程度相对于电波波长来说很小时，地面可近似看成是光滑地面。对于长波和中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。地质的情况，主要研究它的电磁特性。描述大地电磁特性的主要参数是介电常数ε（或相对介电常数εr）、电导率σ和磁导率μ。地面的电参数

地质导电性与介电性的衡量：60λσ/εr>>1时，大地具有良导体性质;60λσ/εr<<1时，可将大地视为电介质;而二者相差不大时，为半电介质。各种地质的60λσ/εr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。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并引起电波吸收；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的方式进行。地面波传播还与电波的极化有关，理论计算和实验均证明地面波不宜采用水平极化波传播。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。波前倾斜现象xE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(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地面波的场结构波沿z轴方向传播yOz面为地平面下标“1”表示在空气内下标“2”表示在大地内利用边界条件，有若地面满足M.A.列翁托维奇近似边界条件：利用边界条件又在空气中有:在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足地面波各场分量

式中地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量若已知E1x地面波传播特性地面波传播采用垂直极化波，天线则多采用直立天线的形式。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下：水平分量大于垂直分量

波前倾斜角为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椭圆长轴方向一致的线极化波。地面波在传播过程中有衰减。沿-x方向传播的功率流密度频率越低，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。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。9.3地面波场强的计算

千米时，必须考虑球面地造成的绕射损耗。地面衰减因子辐射功率方向系数一般计算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：（1）假设地面是光滑的，地质是均匀的；（2）发射天线使用短于λ/4的直立天线（其方向系数D≈3），辐射功率Pr＝1kW；（3）计算的是E1x的有效值。海水表面传播曲线湿地表面传播曲线干地表面传播曲线当Pr≠1kW，D≠3时，则换算关系为当Pr=1kW，D=3时9.4地面不均匀性对地面波传播的影响

近似计算方法假设电波在第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: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P′r，其大小由下式确定:所以式中A2(r1)是地质为ε2、σ2，距离为r1的衰减因子。现在，辐射功率P′r

在完全是第2种地质情况下传播至C点的场强就被认为是原来的数值。因而可求得C点的场强为式中,E1(r1)是电波在第1种媒质传播r1距离后的场强;E2(r1)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1距离后的场强;E2(r1＋r2)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1+r2距离后的场强。

——不满足互易原理。

为了补救这一缺点，密林顿（Millington）提出取两者的几何平均作为近似解，即接收点场强为

用上述方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。

对电波在不同性质地面上的传播进行计算，所得结果对于合理选择收发两点的地质情况具有重要意义。三段不同性质地面传播示意图例如，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

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况对整个路径衰减的影响不如两端大。可以把地面波的传播过程和飞机的飞行相比拟，好像电波是从发射天线地区起飞，在离开地表面一定高度上向接收天线方