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1、第第9章章 地面波传播地面波传播 重点：重点：地面波场强计算地面波场强计算难点：难点：波前倾斜现象波前倾斜现象 主要内容：主要内容：91 地球表面电特性地球表面电特性 9.2 地面波的传播特性地面波的传播特性 93 地面波场强的计算地面波场强的计算 9.4 地面不均匀性对地面波的影响地面不均匀性对地面波的影响 图图9-1-1 地球结构示意图地球结构示意图 9.1 地球表面电特性地球表面电特性地球由地核、地幔和地壳构成，地球由地核、地幔和地壳构成，平均半径为平均半径为6370km6370km无线电波沿地面传播，称为地面波传播。无线电波沿地面传播，称为地面波传播。第第9 9章章 地面波传播地面波传
2、播 地面的电参数地面的电参数 （2）地面电磁特性（）地面电磁特性（、）地面对电波传播的影响因素：地面对电波传播的影响因素：（1）地面不平坦性）地面不平坦性 为了既反映媒质的介电性为了既反映媒质的介电性r，又反映媒质的导，又反映媒质的导电性电性，可采用相对复介电常数，可采用相对复介电常数(911)其中：其中：为自由空间波长。为自由空间波长。什么是电流？电流的方向是如何规定的？什么是电流？电流的方向是如何规定的？传导电流：传导电流：导电媒质中的电流。导电媒质中的电流。运流电流：运流电流：真空（或空气）中带电粒子运动所形成真空（或空气）中带电粒子运动所形成 的电流。的电流。位移电流：位移电流：由变化
3、的电场产生的电流。由变化的电场产生的电流。电场中某点的位移电流密度等于该点电位移矢电场中某点的位移电流密度等于该点电位移矢 量量 的时间变化率，即的时间变化率，即（A/m2）60/r 1 时，大地视为时，大地视为良导体良导体；60/r 1 时，大地视为时，大地视为电介质电介质；Jf和和JD相差不大时，称为相差不大时，称为半电介质半电介质。怎样判断某种地质呈现导电性还是介电性呢？怎样判断某种地质呈现导电性还是介电性呢？通常把传导电流密度通常把传导电流密度Jf与位移电流密度与位移电流密度JD 之比之比(912)作为衡量标准：作为衡量标准：各种地质的各种地质的60/r值值 1.1.海水在中、长波波段
4、呈良导体性质；海水在中、长波波段呈良导体性质；3.3.岩石则在整个无线电波段都呈现介质性质。岩石则在整个无线电波段都呈现介质性质。2.2.湿土和干土在长波波段呈良导体性质，在短波湿土和干土在长波波段呈良导体性质，在短波 以上就呈现介质性质；以上就呈现介质性质；9.2 地面波的传播特性地面波的传播特性 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波是沿着半导电性质和起伏不平的地表面进行传播的。由于地表面的半导电性质，对电波传播产播的。由于地表面的半导电性质，对电波传播产生以下影响：生以下影响：（一）使场结构发生变化并引起电
5、波吸收（一）使场结构发生变化并引起电波吸收 地面波传播还与电波的极化有关，理论计算和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。实验均证明地面波不宜采用水平极化波传播。图图9-2-1 水平极化和垂直极化波的地面波衰减水平极化和垂直极化波的地面波衰减 水平极化波的衰减水平极化波的衰减因子因子Ah远大于垂直极化远大于垂直极化波的衰减因子波的衰减因子Av。水平极化波传播时水平极化波传播时在地面上引起较大的感在地面上引起较大的感应电流，致使电波产生应电流，致使电波产生很大的衰减。很大的衰减。原因：原因：（二）使电波沿绕射路径传播（二）使电波沿绕射路径传播 只有当波长
6、超过障碍物高度或与其相当时，才具有绕只有当波长超过障碍物高度或与其相当时，才具有绕 射作用，因此在实际情况中，只有长波、中波以及短波低射作用，因此在实际情况中，只有长波、中波以及短波低端（频率较低的部分）能够绕射到地表面较远的地方。对端（频率较低的部分）能够绕射到地表面较远的地方。对于短波高端以及超短波波段，由于障碍物高度大于波长，于短波高端以及超短波波段，由于障碍物高度大于波长，因而绕射能力很弱。因而绕射能力很弱。9.2.1 波前倾斜现象波前倾斜现象设垂直极化波沿地表面传播，辐射场为设垂直极化波沿地表面传播，辐射场为E1x和和H1y。波传播时，在波传播时，在z z方向产生新水平分量方向产生新
7、水平分量E2z。由于边界电场切向分量连续，即存在由于边界电场切向分量连续，即存在E1z，因而，因而合成场合成场E1就向传播方向倾斜。就向传播方向倾斜。波前倾斜现象波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾斜的一种现象，也称播方向倾斜的一种现象，也称波阵面倾斜波阵面倾斜。波前倾斜对通信的影响：波前倾斜对通信的影响：（1）沿地面方向的电场分量）沿地面方向的电场分量E2Z，起到了约束地面，起到了约束地面波始终沿地球表面传输的效果；波始终沿地球表面传输的效果；（2）由于波阵面倾斜，产生）由于波阵面倾斜，产生E1Z、E2Z使得在地面上使得在地面上和地面下都能接收到地面波
8、。和地面下都能接收到地面波。（3）由于波阵面倾斜，造成对电磁波能量的损耗。）由于波阵面倾斜，造成对电磁波能量的损耗。减小地面波传播损耗的方法：减小地面波传播损耗的方法：（1）尽可能把收发天线架设在）尽可能把收发天线架设在数值较大的媒质上，数值较大的媒质上，同时选择传播区域为开阔地带。同时选择传播区域为开阔地带。（2）通过在收发天线下面埋地网的方法，提高天线）通过在收发天线下面埋地网的方法，提高天线场地的场地的值。值。9.2.2 地面波传播的场分量地面波传播的场分量 低架直立天线辐射的垂直极化波将在传播方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，各分量如图所示，向上存在电场分量，各
9、分量如图所示，yOz面为面为地平面，波沿地平面，波沿z轴方向传播，下标轴方向传播，下标“1”表示在空气表示在空气内，下标内，下标“2”表示在大地内，利用边界条件，有表示在大地内，利用边界条件，有(921)上述各分量亦可写成上述各分量亦可写成(928)(929)(9210)(9211)式中式中 9.2.3 地面波传播特性地面波传播特性（1 1）地面波传播采用垂直极化波。）地面波传播采用垂直极化波。电波沿一般地质传播时，水平极化波比垂直极电波沿一般地质传播时，水平极化波比垂直极化波的传播损耗要高数十分贝。所以地面波传播采化波的传播损耗要高数十分贝。所以地面波传播采用垂直极化波。用垂直极化波。天线则
10、多采用直立天线的形式。天线则多采用直立天线的形式。（2 2）波前倾斜现象具有很大的实用意义。）波前倾斜现象具有很大的实用意义。可采用相应形式的天线，有效地接收各场强分量。可采用相应形式的天线，有效地接收各场强分量。接收接收E1x，采用直立天线；接收，采用直立天线；接收E1z，采用水平天线。，采用水平天线。（3 3）地面上电场为椭圆极化波。）地面上电场为椭圆极化波。紧贴地面大气一侧的电场横向分量紧贴地面大气一侧的电场横向分量E1x远大于远大于纵向分量纵向分量E1z，且相位不等，合成场为一狭长椭圆，且相位不等，合成场为一狭长椭圆极化波。极化波。波前倾斜角为波前倾斜角为 短波、超短波段短波、超短波段
11、E1z虽较大，但相位差趋于零，虽较大，但相位差趋于零，可近似认为电场是与椭圆长轴方向一致的线极化波。可近似认为电场是与椭圆长轴方向一致的线极化波。（4 4）地面波在传播过程中有衰减。）地面波在传播过程中有衰减。地面电导率越大，频率越低，地面对电波的吸地面电导率越大，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、超收越小。因此地面波传播方式特别适用于长波、超长波波段。长波波段。（5 5）传播较稳定。）传播较稳定。大地的电特性、地貌地物等不会随时改变，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，故地面并且地面波基本上不受气候条件的影响，故地面波传播
12、信号稳定。波传播信号稳定。（6 6）有绕射损耗。）有绕射损耗。障碍物越高，波长越短，则绕射损耗越大。长障碍物越高，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。绕射能力最弱。9.3 地面波场强的计算地面波场强的计算 地面波传播过程中存在地面吸收损耗，当传播地面波传播过程中存在地面吸收损耗，当传播距离较远，超出距离较远，超出 千米时，还必须考虑球千米时，还必须考虑球面地造成的绕射损耗。一般计算面地造成的绕射损耗。一般计算 E1x 有效值的表达有效值的表达式为式为(931)其中，其中，A为地面的衰减因子；为地面的衰
13、减因子；Pr为辐射功率；为辐射功率；D为方向系数；为方向系数；r为传播距离。为传播距离。地面衰减因子地面衰减因子A的严格计算是非常复杂的。的严格计算是非常复杂的。采用国际无线电咨询委员会（采用国际无线电咨询委员会（CCIRCCIR）推荐的一组）推荐的一组曲线，称为布雷默计算曲线，用以计算曲线，称为布雷默计算曲线，用以计算E E1x1x。地波场强计算方法：地波场强计算方法：使用条件：使用条件：（1 1）假设地面是光滑的，地质是均匀的；）假设地面是光滑的，地质是均匀的；（3）计算的是）计算的是E1x的有效值。的有效值。（2）发射天线使用短于）发射天线使用短于/4的直立天线（其方向的直立天线（其方向
14、系数系数D3），辐射功率），辐射功率Pr1kW；计算计算 E1x 有效值的表达式为有效值的表达式为将将Pr=1kW，D=3代入，得代入，得图图 931（海水）（海水）图图 932 （湿地）（湿地）图图 933（干地）（干地）图图931图图933中衰减因子中衰减因子A值已计入值已计入大地的吸收损耗及球面地的绕射损耗。从图中可以大地的吸收损耗及球面地的绕射损耗。从图中可以看出，对于中波和长波，传播距离超过看出，对于中波和长波，传播距离超过100km后，后，场强值急剧衰减，这主要是绕射损耗增大所致。场强值急剧衰减，这主要是绕射损耗增大所致。当当Pr1kW，D3时，则换算关系为时，则换算关系为(933
15、)例：例：某发射台使用电小直立天线（某发射台使用电小直立天线（D3），辐射功，辐射功率为率为Pr=250W，工作频率，工作频率f=1MHz，计算，计算r=200km处处的场强的场强E1x。设电波沿湿地（。设电波沿湿地（=10=10-2-2 S/m S/m，r r=4=4）传）传播。播。解：解：查图9-3-2，得Pr=1 kW时，时，r=200km处的场强处的场强为为35dB（V/mV/m），转换成），转换成V/m为为 56（V/m）对于对于Pr=250W，则场强为，则场强为转换公式为：转换公式为：9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响地面不均匀性对地面波传播的影响 前面讨论了地面波在一种均匀地
16、面上的传播前面讨论了地面波在一种均匀地面上的传播情形。实际上，常常碰到地面波在几种不同性质情形。实际上，常常碰到地面波在几种不同性质的地面上传播的问题。的地面上传播的问题。船与岸上基站通信时，电波传播途径就经历陆船与岸上基站通信时，电波传播途径就经历陆地地-海洋的突变。因此，必须考虑这种情况下电波海洋的突变。因此，必须考虑这种情况下电波传播的特点及场强计算的方法。传播的特点及场强计算的方法。(941)不同性质地面上的传播路径示意图不同性质地面上的传播路径示意图 式中式中A1(r1)是第是第1种地面上距离为种地面上距离为r1的衰减因子。的衰减因子。假设电波在第假设电波在第 2 段路径遭受到的吸收
17、与第段路径遭受到的吸收与第 1 段段的吸收无关，可以分段计算。首先按下式计算的吸收无关，可以分段计算。首先按下式计算 B 点点的场强：的场强：如果把第如果把第 1段地面用与第段地面用与第 2 段性质相同的地面代段性质相同的地面代替，则要在替，则要在B点保持场强不变，天线辐射功率应由原点保持场强不变，天线辐射功率应由原来的来的Pr调整到一个新的数值调整到一个新的数值Pr(942)(943)所以所以 A2(r1)是地质为是地质为2、2，距离为，距离为r1的衰减因子的衰减因子 现在，辐射功率现在，辐射功率Pr在完全是第在完全是第2种地质情况种地质情况下传播至下传播至C点的场强就被认为是原来的数值。因
18、而点的场强就被认为是原来的数值。因而可求得可求得C点的场强为点的场强为(944)(944)式中，式中，E1(r1)是电波在第是电波在第1种媒质传播种媒质传播r1距离后距离后的场强；的场强；E2(r1)是以第是以第2种媒质代替第种媒质代替第1种媒质传播种媒质传播r1距离后的场强；距离后的场强；E2(r1r2)是以第是以第2种媒质代替第种媒质代替第1种媒质传播种媒质传播r1+r2距离后的场强。距离后的场强。因为地面波所经过的几种性质的地面彼此间因为地面波所经过的几种性质的地面彼此间互有影响，而不能彼此孤立起来予以考虑。所以，互有影响，而不能彼此孤立起来予以考虑。所以，发射天线在发射天线在A点时计算
19、出点时计算出C点的场强点的场强EAC与发射天线与发射天线在在C点时计算出点时计算出A点的场强点的场强ECA不等。不等。这是这一方法的假设前提不全面的必然结果。这是这一方法的假设前提不全面的必然结果。问题：问题：用以上方法计算出来的结果不满足互易原理！用以上方法计算出来的结果不满足互易原理！分析：分析：为了补救这一缺点，密林顿（为了补救这一缺点，密林顿（MillingtonMillington）提）提出取两者的几何平均作为近似解，即接收点场强为出取两者的几何平均作为近似解，即接收点场强为(945)EAC：发射天线在：发射天线在A点时计算出点时计算出C点的场强点的场强ECA：发射天线在：发射天线在
20、C点时计算出点时计算出A点的场强点的场强 密密林林顿顿方方法法虽虽不不严严格格，但但方方法法简简便便，计计算算结结果果符符合合工工程程要要求求，所所以以应应用用很很广广。上上述述方方法法可可以以推推广广到多种不同电参数组成的混合路径的传播。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计算，所得结果对电波在不同性质地面上的传播计算，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。对于合理选择收发两点的地质情况具有重要意义。邻近发射天线和接收天线的地区，对地面波的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吸收起决定性的作用，而路径
21、中段的地质情况对整个路径衰减的影响不如两端大。个路径衰减的影响不如两端大。地面波路径的各段起的作用不相同。地面波路径的各段起的作用不相同。图图9-4-3 衰减因子衰减因子图图9-4-2 三段不同性质地面传播示意图三段不同性质地面传播示意图 虽然总的路径是相等的，但虽然总的路径是相等的，但“海洋海洋-干土干土-海洋海洋”的路径损耗小于的路径损耗小于“干土干土-海洋海洋-干土干土”的路径损耗。的路径损耗。地面波的传播过程可以和飞机的飞行相比拟：地面波的传播过程可以和飞机的飞行相比拟：电波是从发射天线地区起飞，在离开地表面一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向飞行，然后在到
22、达接收天定高度上向接收天线方向飞行，然后在到达接收天线的区域降落。只有在起飞和降落时，地面对飞机线的区域降落。只有在起飞和降落时，地面对飞机才起作用。才起作用。这种现象称为地面波的这种现象称为地面波的“起飞起飞-着陆着陆”效应。效应。在实际工作中适当选择发射、接收天线附近在实际工作中适当选择发射、接收天线附近的地质是很重要的。的地质是很重要的。图图944 地面波传播的地面波传播的“起飞起飞-着陆着陆”效应效应 内容小结内容小结1.地面对电波传播的影响主要表现为两个方面：地面对电波传播的影响主要表现为两个方面：（1）使电波场结构发生变化并引起电波吸收；）使电波场结构发生变化并引起电波吸收；（2）
23、使电波传播的路径按绕射方式进行。）使电波传播的路径按绕射方式进行。波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向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。传播方向倾斜的一种现象。2.地面波传播的重要特点之一是波前倾斜现象。地面波传播的重要特点之一是波前倾斜现象。3.地面波传播特性主要有：地面波传播特性主要有：（6）有绕射损耗。有绕射损耗。（1）地面波传播采用垂直极化波；）地面波传播采用垂直极化波；（2）波前倾斜现象具有很大的实用意义；波前倾斜现象具有很大的实用意义；（3）地面上电场为椭圆极化波；地面上电场为椭圆极化波；（4）地面波在传播过程中有衰减；地面波在传播过程中有衰减；（5）传播较稳定；传播较稳定；4.地面波传播场强计算采用布雷默计算曲线地面波传播场强计算采用布雷默计算曲线计算时须注意使用条件！计算时须注意使用条件！5.沿混合路径传播时，场强计算采用密林顿公式沿混合路径传播时，场强计算采用密林顿公式思考题思考题 1.为什么地面波传播会出现波前倾斜现象？为什么地面波传播会出现波前倾斜现象？2.地波传播中，地面吸收的基本规律是什么？地波传播中，地面吸收的基本规律是什么？