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1、第10章天波传播(2)第1页，本讲稿共52页等效相对复介电常数等效相对复介电常数等效相对介电常数等效相对介电常数等效电导率等效电导率电离层的等效电参数电离层的等效电参数 内容回顾内容回顾 第2页，本讲稿共52页重点：重点：短波天波传播特点短波天波传播特点难点：难点：短波天波传播问题短波天波传播问题 本次课主要内容：本次课主要内容：10.2 无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 103 短波天波传播短波天波传播 10.4 中波天波传播的介绍中波天波传播的介绍 第3页，本讲稿共52页10.2 10.2 无线电波在电离层中的传播无线电波在电离层中的传播 为了使问题简化，作如下假设：为了使
2、问题简化，作如下假设：（1 1）不考虑地磁场的影响，即电离层是各向同性媒质；）不考虑地磁场的影响，即电离层是各向同性媒质；（2 2）电子密度）电子密度N N随高度随高度h h的变化较之沿水平方向的变化的变化较之沿水平方向的变化 大得多，即认为大得多，即认为N N只是高度的函数；只是高度的函数；（3 3）在各层电子密度最大值附近，）在各层电子密度最大值附近，N(h)N(h)分布近似为抛分布近似为抛 物线状。物线状。第4页，本讲稿共52页10.2.1 反射条件反射条件 不考虑地磁场影响时，电离层等效相对介电不考虑地磁场影响时，电离层等效相对介电常数为一标量常数为一标量r r，若满足，若满足2 22
3、 2条件，同时将条件，同时将代入代入得得(1021)式中，式中，N为电子密度（为电子密度（1/m3）；）；f为频率（为频率（Hz）第5页，本讲稿共52页(1022)假假设设电电离离层层是是由由许许多多厚厚度度极极薄薄的的平平行行薄薄片片构构成成的的，每每一一薄薄片片内内电电子子密密度度是是均均匀匀的的。设设空空气气中中电电子子密密度度为为零零，而而后后由由低低到到高高，在在 Nmax以以下下空空域域，各各薄薄片片层层的的电电子子密度依次为密度依次为定义定义 电离层的折射率：电离层的折射率：则相应的折射率为则相应的折射率为第6页，本讲稿共52页电波在电离层内连续折射电波在电离层内连续折射 当频率
4、为当频率为f f的无线电波以一定的入射角的无线电波以一定的入射角0 0 由空气射入电由空气射入电离层后，电波在通过每一薄片层时折射一次，当薄片层数目离层后，电波在通过每一薄片层时折射一次，当薄片层数目无限增多时，电波的轨迹变成一条光滑的曲线。无限增多时，电波的轨迹变成一条光滑的曲线。第7页，本讲稿共52页折射定理：折射定理：入射角与折射角的正弦之比，等于两种媒质的入射角与折射角的正弦之比，等于两种媒质的折射率之反比。折射率之反比。n1 1n n2 2或1 1 1 1：入射角：入射角：入射角：入射角2 2 2 2：折射角：折射角：折射角：折射角 n n1 1：媒质：媒质1 1的折射率的折射率 n
5、 n2 2：媒质：媒质2 2的折射率。的折射率。第8页，本讲稿共52页根据折射定理，可得根据折射定理，可得(1023)将将n0=1，n=90代入上式，可得电波从电离层内反射下代入上式，可得电波从电离层内反射下来的条件式：来的条件式：(1024)式中式中Nn是反射点的电子密度。是反射点的电子密度。第9页，本讲稿共52页 该式表明了电波能从电离层返回地面时，电波频率该式表明了电波能从电离层返回地面时，电波频率f、入射角、入射角0和反射点的电子密度和反射点的电子密度Nn之间必须满足的关之间必须满足的关系。由该式可得出如下结论：系。由该式可得出如下结论：第10页，本讲稿共52页（1）电离层反射电波的能
6、力与电波频率有关。）电离层反射电波的能力与电波频率有关。在入射角在入射角0一定时，电波频率越低，越易反射。一定时，电波频率越低，越易反射。第11页，本讲稿共52页（2）电波在电离层中的反射情况还与入射角）电波在电离层中的反射情况还与入射角0有关。有关。当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。当电波频率一定时，入射角越大，越易反射。这是因为入射角越大，则相应的折射角也越大，这是因为入射角越大，则相应的折射角也越大，稍经折射电波射线就能满足稍经折射电波射线就能满足n n9090的条件，从而使的条件，从而使电波从电离层中反射下来。电波从电离层中反射下来。第12页，本讲稿共52页临界频率：临界频率：当
7、电波垂直向上发射即当电波垂直向上发射即0=0时，能从电离层时，能从电离层反射回来的最高频率，用反射回来的最高频率，用fc表示。表示。将将00，Nn=Nmax，代入下式，代入下式，(1025)可得临界频率为可得临界频率为第13页，本讲稿共52页 对于以某一对于以某一0 0斜入射的电波，能从电离层最大斜入射的电波，能从电离层最大电子密度电子密度N Nmaxmax处反射回来的最高频率为处反射回来的最高频率为(1026)对对于于一一般般的的斜斜入入射射频频率率f 及及在在同同一一N处处反反射射的的垂垂直入射频率直入射频率 之间，也有类似的关系：之间，也有类似的关系：(1027)电离层的正割定律：电离层
8、的正割定律：第14页，本讲稿共52页 如图所示。电离层的正割定律表明：如图所示。电离层的正割定律表明：当反射点电子密度一定时（当反射点电子密度一定时（当反射点电子密度一定时（当反射点电子密度一定时（f f f fv v v v一定时），通信一定时），通信一定时），通信一定时），通信距离越大（即距离越大（即距离越大（即距离越大（即0 0 0 0越大），允许工作频率越高。越大），允许工作频率越高。越大），允许工作频率越高。越大），允许工作频率越高。第15页，本讲稿共52页临界频率临界频率fc的讨论：的讨论：所有所有 的电波，都能从电离层反射回来。的电波，都能从电离层反射回来。若若若入射角若入射角或
9、者频率或者频率 f 则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。第16页，本讲稿共52页设设R为地球半径，为地球半径，h为电离层高度，由正弦定律得为电离层高度，由正弦定律得(1028)(1029)反射频率与仰角的关系反射频率与仰角的关系第17页，本讲稿共52页 在仰角为在仰角为的条件下，电离层能反射的最高频率为的条件下，电离层能反射的最高频率为(10210)图图 1025 入射角入射角0与射线仰角与射线仰角的关系的关系第18页，本讲稿共52页 白天电子密度大，临界频率高，则允许使用的频率就白天电子密度大，临界频率高，则允许使用的频率就高；高；夜间电子密度
10、小，则必须降低频率才能保证天波传播。夜间电子密度小，则必须降低频率才能保证天波传播。（3）电离层的电子密度有明显的日变化规律）电离层的电子密度有明显的日变化规律 第19页，本讲稿共52页 10.3 短波天波传播短波天波传播10.3.1 传输模式传输模式 所谓传输模式，就是电波从发射点辐射后传播所谓传输模式，就是电波从发射点辐射后传播到接收点的传播路径。到接收点的传播路径。传输模式示意图传输模式示意图 一跳距离：电波经电离层反射一次时的地面距离。一跳距离：电波经电离层反射一次时的地面距离。从从E层反射，一跳最远距离层反射，一跳最远距离2000km从从F层反射，一跳最远距离层反射，一跳最远距离40
11、00km第20页，本讲稿共52页 表表 1031 传输模式传输模式 第21页，本讲稿共52页 通常，若通信距离小于通常，若通信距离小于4000km，主要传播模式为，主要传播模式为1F模模式。但即使是式。但即使是1F模式，一般也存在着两条传播路径，如图所模式，一般也存在着两条传播路径，如图所示，其射线仰角分别为示，其射线仰角分别为1和和2，低仰角射线由于以较大的，低仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在较低的高度上就从电离层反射入射角投射电离层，故在较低的高度上就从电离层反射下来。下来。图图1032 1F模式的两条传播路径模式的两条传播路径 第22页，本讲稿共52页10.3.2 短波天波传播
12、工作频率的选择短波天波传播工作频率的选择 选择工作频率的原则：选择工作频率的原则：（1）不能高于最高可用频率）不能高于最高可用频率fMUF fMUF是指当工作距离一定时，能被电离层反射是指当工作距离一定时，能被电离层反射回来的最高频率。回来的最高频率。fMUF与与N、有关。有关。（2）不能低于最低可用频率）不能低于最低可用频率fLUF能保证所需的信噪比的频率为最低可用频率能保证所需的信噪比的频率为最低可用频率fLUF。（3）一日之内适时改变工作频率。）一日之内适时改变工作频率。第23页，本讲稿共52页不同通信距离时，不同通信距离时，fMUT t的变化的变化第24页，本讲稿共52页 由以上讨论可
13、知，工作频率应低于最高可用频率，以保由以上讨论可知，工作频率应低于最高可用频率，以保证信号能被反射到接收点，而高于最低可用频率，以保证有证信号能被反射到接收点，而高于最低可用频率，以保证有足够的信号强度，即足够的信号强度，即(1031)在保证可以反射回来的条件下，尽量把频率选得高些，在保证可以反射回来的条件下，尽量把频率选得高些，这样可以减少电离层对电波能量的吸收。但是，不能把频这样可以减少电离层对电波能量的吸收。但是，不能把频率选在率选在fMUF，因为电离层很不稳定，当电子密度变小时，因为电离层很不稳定，当电子密度变小时，电波很可能穿出电离层。电波很可能穿出电离层。第25页，本讲稿共52页
14、通常选择工作频率为最高可用频率的通常选择工作频率为最高可用频率的85%，这个，这个频率称为频率称为最佳工作频率最佳工作频率，用，用fOWF表示，即表示，即(1032)第26页，本讲稿共52页fMUF 和和 fLUF的日变化曲线的日变化曲线第27页，本讲稿共52页10.3.3 短波天波传播的几个主要问题短波天波传播的几个主要问题 1.衰落现象严重衰落现象严重 衰落现象是指接收点信号振幅忽大忽小，无次序衰落现象是指接收点信号振幅忽大忽小，无次序 不规则的变化现象。不规则的变化现象。衰落衰落 快衰落（干涉型衰落）快衰落（干涉型衰落）慢衰落（吸收型衰落）慢衰落（吸收型衰落）克服办法：接收机中采用自动增
15、益控制克服办法：接收机中采用自动增益控制 克服办法：采用分集接收克服办法：采用分集接收第28页，本讲稿共52页图图1035 干涉性衰落干涉性衰落 图（图（a）地、天波同时存在造成的衰落）地、天波同时存在造成的衰落（近距离衰落）（近距离衰落）图（图（b）不同反射次数的天波干涉形成的衰落）不同反射次数的天波干涉形成的衰落 （远距离衰落）（远距离衰落）图（图（c）是由于电离层漫射现象引起的衰落）是由于电离层漫射现象引起的衰落 图（图（d）地磁场影响产生双折射效应引起的衰落。）地磁场影响产生双折射效应引起的衰落。第29页，本讲稿共52页2.多径时延效应多径时延效应 随机多径传输现象不仅引起信号幅度的快
16、衰落，随机多径传输现象不仅引起信号幅度的快衰落，而且使信号失真或使信道的传输带宽受到限制。而且使信号失真或使信道的传输带宽受到限制。多径时延是指多径传输中最大的传输时延与多径时延是指多径传输中最大的传输时延与最小的传输时延之差，以最小的传输时延之差，以表示，其大小与通信表示，其大小与通信距离、工作频率、时间等有关。距离、工作频率、时间等有关。1)多径时延多径时延与工作距离有较明显的关系；与工作距离有较明显的关系；2)多径时延与工作频率有关；多径时延与工作频率有关；3)多径时延随时间变化。多径时延随时间变化。第30页，本讲稿共52页图图1036 多径时延与通信距离的关系多径时延与通信距离的关系
17、第31页，本讲稿共52页图图1037 短波传播的静区短波传播的静区 3.静区静区 收不到任何信号的地区称为收不到任何信号的地区称为“静区静区”，也称，也称“盲区盲区”。第32页，本讲稿共52页减小静区的方法：减小静区的方法：（1）选用较低的工作频率；）选用较低的工作频率；（2）采用高仰角辐射波束天线。）采用高仰角辐射波束天线。第33页，本讲稿共52页环球回波环球回波4.环球回波现象环球回波现象 在适当的条件下，电波可经电离层多次反射，或在适当的条件下，电波可经电离层多次反射，或 者在地面与电离层之间来回反射，可能环绕地球再度者在地面与电离层之间来回反射，可能环绕地球再度 出现，称为环球回波。出
18、现，称为环球回波。（a）反向回波）反向回波（b）正向回波）正向回波 第34页，本讲稿共52页消除反向回波：采用单方向性辐射的收发天线。消除反向回波：采用单方向性辐射的收发天线。消除正向回波：适当降低辐射功率和选择适当的消除正向回波：适当降低辐射功率和选择适当的 工作频率。工作频率。消除环球回波的方法：消除环球回波的方法：环球回波有反向回波和正向回波两种。环球回波有反向回波和正向回波两种。第35页，本讲稿共52页5.电离层暴的影响电离层暴的影响 在收听短波信号时，即使收、发设备都正常，有时在收听短波信号时，即使收、发设备都正常，有时也会出现信号突然中断现象，这往往是由于电离层暴或也会出现信号突然
19、中断现象，这往往是由于电离层暴或电离层骚扰引起的。电离层骚扰引起的。当太阳表面突然出现耀斑时，太阳辐射出强大的紫外当太阳表面突然出现耀斑时，太阳辐射出强大的紫外线和大量的带电粒子，使电离层的正常结构遭到破坏，特线和大量的带电粒子，使电离层的正常结构遭到破坏，特别是对于最上面的别是对于最上面的F2F2层影响最大，因而可能造成信号突层影响最大，因而可能造成信号突然中断。然中断。第36页，本讲稿共52页防止电离层暴的影响，通常可采取以下措施：防止电离层暴的影响，通常可采取以下措施：（1 1）选择较低工作频率，当发生信号突然中断时，）选择较低工作频率，当发生信号突然中断时，立即使用较低工作频率利用立即
20、使用较低工作频率利用E E层反射；层反射；（2 2）增大发射机功率，使反射回地面的电波增强；）增大发射机功率，使反射回地面的电波增强；（3 3）在电离层暴最严重时刻，若利用以上方法尚不）在电离层暴最严重时刻，若利用以上方法尚不能恢复正常时，可采用转播方法以绕过暴变地区。能恢复正常时，可采用转播方法以绕过暴变地区。第37页，本讲稿共52页图图1039 短波天波传输损耗框图短波天波传输损耗框图 10.3.4 传输损耗的估算传输损耗的估算第38页，本讲稿共52页基本传输损耗基本传输损耗基本传输损耗基本传输损耗Lb：它们是工作频率、传输模式、通信距离和时间的函数。它们是工作频率、传输模式、通信距离和时
21、间的函数。自由空间基自由空间基本传输损耗本传输损耗额外系统额外系统损耗损耗大地反射大地反射损耗损耗电离层吸收电离层吸收损耗损耗第39页，本讲稿共52页 Lp是一项综合估算值，它是由大量电路实测的天波是一项综合估算值，它是由大量电路实测的天波传播损耗数据，扣除已指明的三项损耗后而得到的。传播损耗数据，扣除已指明的三项损耗后而得到的。Lp值与反射点的本地时间值与反射点的本地时间T（小时）有关，可按下述数值（小时）有关，可按下述数值估算估算:Lp=18.0dB 22T04Lp=16.6dB 04T10Lp=15.4dB 10T16Lp=16.6dB 16T22(1039)第40页，本讲稿共52页10
22、.3.5 短波天波传播的特点短波天波传播的特点综合以上讨论，短波天波传播的基本特点是：综合以上讨论，短波天波传播的基本特点是：（1）能以较小的功率进行远距离传播。）能以较小的功率进行远距离传播。天波传播是靠高空电离层反射来实现的，不受天波传播是靠高空电离层反射来实现的，不受地面吸收及障碍物的影响，损耗主要是自由空间的地面吸收及障碍物的影响，损耗主要是自由空间的传输损耗。传输损耗。第41页，本讲稿共52页 因此，利用小功率电台可以完成远距离通信。因此，利用小功率电台可以完成远距离通信。例如，发射功率为例如，发射功率为150W的电台，用的电台，用64m双极天线，双极天线，通信距离可达通信距离可达1
23、000多千米。多千米。电离层吸收及地面损耗则较小，在中等距离电离层吸收及地面损耗则较小，在中等距离(1000km左右左右)上，电离层的平均损耗只不过上，电离层的平均损耗只不过10dB左右。左右。第42页，本讲稿共52页（2）白天和夜间要更换工作频率。）白天和夜间要更换工作频率。电离层的电子密度、高度在白天和夜间是不同的，电离层的电子密度、高度在白天和夜间是不同的，因此工作频率也应不同，白天工作频率高，夜间工作频因此工作频率也应不同，白天工作频率高，夜间工作频率低。在日出日落前后要更换工作频率。率低。在日出日落前后要更换工作频率。（3）传播不太稳定，衰落严重。）传播不太稳定，衰落严重。电离层的情
24、况随年份、季节、昼夜和地理位置的不电离层的情况随年份、季节、昼夜和地理位置的不同而变化，因此天波传播不如地面波稳定，且衰落严重。同而变化，因此天波传播不如地面波稳定，且衰落严重。第43页，本讲稿共52页（4）天波传播随机多径效应严重。）天波传播随机多径效应严重。多径时延多径时延较大，多径传输媒质的相关带宽较大，多径传输媒质的相关带宽f =1/较小，因此对传输的信号带宽有较大的限制。较小，因此对传输的信号带宽有较大的限制。（5）电台拥挤、干扰大。）电台拥挤、干扰大。波段范围比较窄，因此短波波段内的电台特别拥波段范围比较窄，因此短波波段内的电台特别拥挤，电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离层吸挤
25、，电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离层吸收减弱，干扰更大。收减弱，干扰更大。第44页，本讲稿共52页短波通信的优点短波通信的优点 1.电离层媒质抗毁性好；电离层媒质抗毁性好；2.传输损耗小，能以较小功率实现远距离通信；传输损耗小，能以较小功率实现远距离通信；3.短波通信电路建立迅速，机动性好；短波通信电路建立迅速，机动性好；4.设备简单、价格低廉。设备简单、价格低廉。目前，短波通信仍然是一种十分重要的目前，短波通信仍然是一种十分重要的通信手段。通信手段。第45页，本讲稿共52页中波通常在中波通常在E层反射层反射 白天：地波（天波被白天：地波（天波被D层吸收）层吸收）夜晚：地波夜晚：地波+天
26、波天波 中波广播波段频率：中波广播波段频率：150kHz1.5MHz 波长：波长：2000200m因此，中波波段的广播电台信号晚上比白天多。因此，中波波段的广播电台信号晚上比白天多。10.4 10.4 中波天波传播的介绍中波天波传播的介绍 第46页，本讲稿共52页中波收听质量的三个服务区中波收听质量的三个服务区 根据广播波段的传播特性，通常可按距离远近根据广播波段的传播特性，通常可按距离远近将电波收听质量分为三个服务区：将电波收听质量分为三个服务区：第47页，本讲稿共52页（1）主要服务区（良好接收区）主要服务区（良好接收区）离发射台较近地区。离发射台较近地区。此区域接收的此区域接收的电波以地
27、面波为主电波以地面波为主，即使在夜间，即使在夜间，地面波场强也远大于天波场强，故白天和夜间，此区域地面波场强也远大于天波场强，故白天和夜间，此区域内的场强都很强，所以内的场强都很强，所以接收点场强稳定，没有明显的衰落，接收点场强稳定，没有明显的衰落，不受太阳的影响不受太阳的影响，称为良好接收区，是广播电台的主要服，称为良好接收区，是广播电台的主要服务区。此服务区的半径决定于发射机功率、发射天线的方务区。此服务区的半径决定于发射机功率、发射天线的方向性以及地面的导电性质。频率愈高，地面波传播损耗愈向性以及地面的导电性质。频率愈高，地面波传播损耗愈大，作用距离半径将减小。大，作用距离半径将减小。第
28、48页，本讲稿共52页 距离进一步增大则地面波场强逐渐减弱。如果辐距离进一步增大则地面波场强逐渐减弱。如果辐射功率大于几十千瓦，则在射功率大于几十千瓦，则在150300km的距离范围内，的距离范围内，地面波仍有一定强度。在地面波仍有一定强度。在白天因为没有天波白天因为没有天波，较弱的地面，较弱的地面波仍然比较稳定，只要接收机灵敏度足够高，仍能满意地收波仍然比较稳定，只要接收机灵敏度足够高，仍能满意地收听。到了听。到了夜间，出现了电离层反射的天波夜间，出现了电离层反射的天波，由于电离层的电，由于电离层的电子密度的随机变化，使得天波传播的射线行程也随之变化，子密度的随机变化，使得天波传播的射线行程
29、也随之变化，（2）衰落区）衰落区稍远地区。稍远地区。第49页，本讲稿共52页 因此，因此，天波和地面波的干涉作用，使得合成场强形成天波和地面波的干涉作用，使得合成场强形成干涉性衰落干涉性衰落，此区域称为衰落区。防止衰落的积极措，此区域称为衰落区。防止衰落的积极措施，是发射天线采用施，是发射天线采用抗衰落天线抗衰落天线，即设法使天线沿低，即设法使天线沿低仰角方向集中辐射，尽量减小天波辐射。仰角方向集中辐射，尽量减小天波辐射。第50页，本讲稿共52页（3）次要服务区）次要服务区很远地区。很远地区。此区域地面波已经消失，只有在晚上才能收到较强的此区域地面波已经消失，只有在晚上才能收到较强的天波信号，称为广播电台的次要服务区。这个区域的特点天波信号，称为广播电台的次要服务区。这个区域的特点是是白天收不到远距离的广播电台信号，而在夜晚，由于天白天收不到远距离的广播电台信号，而在夜晚，由于天波传播损耗减小，故可以收到信号波传播损耗减小，故可以收到信号，这就是为什么中波，这就是为什么中波波段的广播信号到夜晚突然增多的原因。波段的广播信号到夜晚突然增多的原因。第51页，本讲稿共52页思考题思考题 1.临界频率与电波反射有何关系？临界频率与电波反射有何关系？2.短波天波传播的主要特性是什么？短波天波传播的主要特性是什么？第52页，本讲稿共52页