無(wú)線電波傳播

簡(jiǎn)介

無(wú)線電波在空間或介質(zhì)中傳播具有折射、反射、散射、繞射以及吸收等特性。這些特性使無(wú)線電波隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，如無(wú)線電波傳播到越來(lái)越大的距離和空間區(qū)域，電波能量便越來(lái)越分散，造成擴(kuò)散衰減；而在介質(zhì)中傳播，電波能量被介質(zhì)消耗，造成吸收衰減和折射衰減等。

特性一

無(wú)線電波在真空中傳播，稱(chēng)為在自由空間傳播，它的傳播特征為擴(kuò)散衰減。衰減的定義為：距輻射源某傳播距離處的功率密度同單位距離處的功率密度之比，其值反比于傳播距離的平方。

特性二

在傳播介質(zhì)中，無(wú)線電波的傳播特性不僅有擴(kuò)散衰減，還有介質(zhì)的折射和吸收造成的衰減。

通常指電磁波在各種介質(zhì)中傳播的一些典型方式。在地球上，無(wú)線電波的傳播介質(zhì)有地殼、海水、大氣等。根據(jù)物理性質(zhì)，可將地球介質(zhì)由下而上地分為地殼高溫電離層、地殼介質(zhì)巖層、地殼表面導(dǎo)電層、大氣對(duì)流層、高空電離層。不同頻率的無(wú)線電波，在各層介質(zhì)中傳播的折射率n和吸收衰減常數(shù)ɑ各不相同。因而各種頻段的無(wú)線電波在介質(zhì)中傳播均有其衰減較小的傳播模式。適于通信的傳播模式主要有以下九種。

地殼波導(dǎo)傳播

以地殼表面導(dǎo)電層和地殼高溫電離層為界面，以地殼介質(zhì)巖層為介質(zhì)形成地殼波導(dǎo)的傳播模式。超長(zhǎng)波或更長(zhǎng)波段的電波可以在地殼波導(dǎo)中傳播到千余公里。但由于深入地下數(shù)公里的天線難以建造，現(xiàn)在還不能實(shí)際應(yīng)用于通信。

水下傳播

無(wú)線電波在海水中傳播的傳播模式。電波在海水中的吸收衰減隨頻率升高而增大，目前僅用于超長(zhǎng)波水下通信。

地表波傳播

無(wú)線電波沿地殼表面?zhèn)鞑サ膫鞑ツＪ?，又稱(chēng)地波傳播。地面吸收衰減導(dǎo)致波陣面前傾，使單位距離吸收衰減率隨傳播距離的增大而增大。地面吸收衰減隨頻率升高而增大。地波傳播用于中頻（中波）以下頻段。

電離層傳播

利用電離層和地面對(duì)電磁波的一次或多次反射進(jìn)行傳播的傳播模式，又稱(chēng)天波傳播。電離層按高度由下而上地分為D、E、F1和F2等幾個(gè)主要層次。各個(gè)層次中部的電子密度最大值由下而上逐層增加，而電子和中性氣體分子的單位時(shí)間碰撞次數(shù)則逐層減少。電離層的高度和電子密度均隨季節(jié)、晝夜和太陽(yáng)黑子活動(dòng)而變化。

無(wú)線電波只能在折射率n值隨高度遞減的區(qū)域開(kāi)始折返地面，電波途徑最高點(diǎn)處的折射率n值等于電波入射角θ₀的正弦函數(shù)。對(duì)應(yīng)于某一折射角，存在一個(gè)最高頻率，其傳播途徑的最高點(diǎn)可以達(dá)到F2層的最大電子密度區(qū)。此頻率稱(chēng)為最高可用頻率MUF。頻率超過(guò)MUF的電波則穿透電離層不再返回地面。對(duì)應(yīng)于最大入射角的最高可用頻率的最大值約為30MHz。

由于電離層的吸收衰減，不同波段的無(wú)線電波各具有不同的特點(diǎn)，從而形成不同的傳播模式。①短波段：電波可穿過(guò)D、E層到達(dá)F層，一般可滿(mǎn)的條件，吸收衰減大致與頻率的平方成反比，所以工作頻率應(yīng)盡量接近MUF。由于MUF隨季節(jié)、晝夜和太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期變化，工作頻率必須相應(yīng)地改變。此外，地殼表面導(dǎo)電層的上界面，對(duì)大入射角短波有良好的反射作用，可使下行天波轉(zhuǎn)變?yōu)樯闲刑觳?，這樣就形成了多跳電離層傳播模式。②中波段：晝間的D層有強(qiáng)烈的吸收作用，只有當(dāng)夜間僅有E層存在時(shí)，才能形成電離層傳播模式。③長(zhǎng)波段和超長(zhǎng)波段：電離層下緣滿(mǎn)足條件ωV，晝間D層形成導(dǎo)電層反射面，夜間E層形成介質(zhì)層反射面，并與地殼表面導(dǎo)電層構(gòu)成大地-電離層波導(dǎo)的上下界面，其傳播衰減主要來(lái)自電離層的吸收，衰減值隨頻率遞增，超長(zhǎng)波段的傳播距離可達(dá)數(shù)千公里。

電離層散射傳播

利用高度約85公里處電離層的不均勻性所產(chǎn)生的散射波進(jìn)行通信的傳播模式。工作頻率為30～60MHz，傳播距離為800～2000公里。

對(duì)流層散射傳播

利用無(wú)線電波在大氣湍流氣團(tuán)中產(chǎn)生的散射波進(jìn)行超視距通信的傳播模式。適用于超短波段，通信距離可達(dá)數(shù)百公里。

對(duì)流層視距傳播

在低層大氣中，利用直射波的傳播模式，可分為廣播通信和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩類(lèi)。在大氣折射率隨高度增加而減小的正常分布情況下，直射波的傳播途徑向下彎曲，地球等效半徑大于實(shí)際半徑。當(dāng)大氣折射率在某高度區(qū)間出現(xiàn)隨高度增加而增大的異常分布時(shí)，就會(huì)形成大氣波導(dǎo)，使傳播衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常的自由空間衰減值，短于厘米波段的直射波還會(huì)因?yàn)橛?、雪、云、霧的吸收，雨滴的去極化和不均勻氣團(tuán)的散射，而受到影響。在收、發(fā)天線間不存在反射波屏蔽時(shí)，必須考慮地面反射波的影響。視距傳播是超短波段和微波段的主要傳播模式。用于廣播通信和移動(dòng)通信的傳播距離一般可達(dá)60公里，用于微波接力通信的傳播距離一般在50公里左右。

繞射傳播

利用沿地殼表面的繞射波的傳播模式。適用于超短波通信，也常用于廣播和移動(dòng)通信。

地空傳播

無(wú)線電波穿透電離層的直射傳播模式。電波穿過(guò)電離層會(huì)受到衰落、吸收、方向變化、傳播時(shí)延、頻率變化和極化面轉(zhuǎn)動(dòng)等的影響，這些影響隨頻率升高而迅速減弱。千兆赫以上的無(wú)線電波在穿過(guò)大氣層時(shí)，受到氧分子和水分子吸收。在頻率為60GHz處出現(xiàn)氧分子吸收峰值。水分子吸收則從頻率為 15GHz才開(kāi)始顯著，并在頻率為23GHz處出現(xiàn)一個(gè)吸收峰值。由于10MHz～20GHz的電波在自由空間傳播所受的衰減影響較小，這個(gè)頻率范圍就形成一個(gè)無(wú)線電波的大氣窗口，適于地空傳播，是衛(wèi)星通信、空間通信的唯一傳播模式。

波段劃分

在通信中根據(jù)無(wú)線電波的波長(zhǎng)（或頻率）把無(wú)線電波劃分為各種不同的波段（或頻段）。

各波段傳播的特點(diǎn)

不同波長(zhǎng)（或頻率）的無(wú)線電波，傳播特性往往不同，應(yīng)用于通信的范圍也不相同。

長(zhǎng)波傳播　距離300km以?xún)?nèi)主要是靠地波，遠(yuǎn)距離(2000km)傳播主要靠天波。用長(zhǎng)波通信時(shí)，在接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)穩(wěn)定，但由于表面波衰減慢，對(duì)其它收信臺(tái)干擾大。長(zhǎng)波受天電干擾的影響亦很?chē)?yán)重。此外由于發(fā)射天線非常龐大，所以利用長(zhǎng)波作為通信和廣播的不多，僅在越洋通信、導(dǎo)航、氣象預(yù)報(bào)等方面采用。

中波傳播　白天天波衰減大，被電離層吸收，主要靠地波傳播，夜晚天波參加傳播，傳播距離較地波遠(yuǎn)，它主要用于船舶與導(dǎo)航通信，波長(zhǎng)為2000—200m的中波主要用于廣播。

短波傳播　有地波也有天波。但由于短波的頻率較高．地面吸收強(qiáng)烈，地表面波衰減很快，短波的地波傳播只有幾十公里。天波在電離層中的損耗減少，常利用天波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和廣播。但由于電離層不穩(wěn)定，通信質(zhì)量不佳，短波主要用于電話電報(bào)通信，廣播及業(yè)余電臺(tái)。

超短波傳播　由于超短波頻率很高，而地波的衰減很大，電波穿入電離層很深乃至穿出電離層，使電波不能反射回來(lái)，所以不能利用地表面波和天波的傳播方式，主要用空間波傳播。超短波主要用于調(diào)頻廣播、電視，雷達(dá)、導(dǎo)航傳真、中繼、移動(dòng)通信等。電視頻道之所以選在超短波(微波及分米波)波段上，主要原因是電視需要較寬的頻帶(我國(guó)規(guī)定為8Mllz)。如果載頻選得比較低，例如選在短波波段，設(shè)中心頻率f_o=20MHz，則相對(duì)帶寬f/f_o=8/20=40%。這么寬的相對(duì)帶寬會(huì)給發(fā)射機(jī)、天饋線系統(tǒng)、接收機(jī)以及信號(hào)傳輸帶來(lái)許多困難，因此選超短波波段，提高載頻以減小相對(duì)帶寬。

用非理想波導(dǎo)理論和幾何光學(xué)繞射等理論編寫(xiě)了計(jì)算機(jī)仿真軟件，并預(yù)測(cè)了有車(chē)輛行駛和有分支隧道的場(chǎng)強(qiáng)分布，研究了傳播過(guò)程中的多徑衰落、延時(shí)擴(kuò)展和相關(guān)帶寬。分析了綜采工作面的傳播模式，測(cè)量了其場(chǎng)強(qiáng)分布；得到了隧道與外部開(kāi)放空間接軌處的信道特性；研究了適合于在隧道中個(gè)人通信使用的微帶天線的主要結(jié)構(gòu)與特性。研究成果為地下限定空間的數(shù)字通信提供了可靠的數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)工作面的無(wú)線通信提供了依據(jù)?？捎脕?lái)預(yù)測(cè)隧道環(huán)境中電波的有效覆蓋距離和共信道干擾，對(duì)隧道微蜂窩個(gè)人移動(dòng)通信網(wǎng)的設(shè)計(jì)也很有用；KWI-Ⅱ礦用無(wú)線電通信裝置的開(kāi)發(fā)成功，在一定意義上實(shí)現(xiàn)了井下與全球個(gè)人通信的接軌，填補(bǔ)了UHF礦用通信設(shè)備的國(guó)內(nèi)空白，有廣泛的應(yīng)用前景。

介紹

見(jiàn)電離層無(wú)線電波傳播。2100433B