1各波段电波传播方式和特点.docx

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1各波段电波传播方式和特点

一．电磁场基本性质：

1．电场和磁场：

静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。

不随时间变化的电场称为静电场。

运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。

不随时间变化的磁场称为恒定磁场。

2.电磁波及麦克斯韦方程：

如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。

时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。

静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。

3.物质属性

电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的两种重要属性：

能量和质量。

但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。

电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。

在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。

因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。

4.历史的回顾与电磁场与波的应用

公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。

1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。

1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。

同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。

1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。

1873年英国科学家麦克斯韦（1831－1879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，这就是著名的麦克斯韦方程。

该方程说明了时变电场可以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（1857－1894）的实验证实。

在这个基础上俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。

静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。

电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。

当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。

以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。

由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。

特别是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科，它是当今电磁学的重要分支。

二．大气层结构及其电磁特性

2.1大气层的不同分类

　地球大气层分为低层（约５０千里以下）和高层，整个大气层的垂直结构可按不同的方式划分，其中

按温度划分：

对流层、平流层、中层、热层、和逃逸层

按成分划分：

均匀层、非均匀层、氢层和质子层

按电磁性划分：

中性大气层（从对流层到平流层）、电离层和磁层（参图一）

下面着重讨论对流层、平流层、电离层和磁层的组成和电磁特性

图一　地球大气层的一种划分

2.2对流层的组成及对流层与大气三要素的关系

对流层是靠近地球表面大气的最低层,主要成份是氮、氧、氢、二氧化碳和水汽混合物，是具有旋转气团、各种云层、暖锋、冷锋、雨雪和风暴活动的湍动区,平均高度为11千米,呈中性状态。

它对超短波和微

波传播的影响甚大，主要表现为对电波的折射衰减和散射，其折射率n和折射指数N受温度Ｔ、压强Ｐ、湿度ｅ气象三要素的控制，对其它波段的无线电波，可将对流层视为自由空间处理。

2.3平流层的性质

平流层是指从对流层顶到60km高度的大气层。

平流层中各分层排列有序并不混合，20km以下的平流层的温度基本保持不变,所以又称为同温层。

在20-50km高度范围内，其温度在逐渐升高，到达50km约

的最大值。

除臭氧外，这一区域中的大气化学成分基本恒定不变。

臭氧能吸收太阳的紫外辐射，然后向平流层释放热量，使大气层维持热平衡，另外臭氧还能吸收太阳紫外辐射，对地球的生态环境和生命活动起着巨大的保护作用。

2.4电离层的形成、结构、成分

电离层是中性大气层和磁层之间的过渡区域，稀薄的大气受太阳辐射的紫外线，X射线和各种微粒辐射的作用，电离为自由电子和离子,加之电离作用较快,复合作用较慢,致使电离层中存在的自由电子和离子,数量上足以影响无线电波的传播,一般认为其高度大约从60千米延伸到1000千米左右,其中电子密度变化达四个量级,在某些简化假设下,查普曼从电离与复合平衡出发提出了电离层的简单形成理论（a、大气仅由一种成分的气体组成，且为平面分层。

b、太阳光为平行的单色辐射。

c、大气处于平衡和等温状态。

d、重力加速度不随高度变化）,电离层的结构为

D层：

高度60—90千米,白天存在,夜间消失。

是电波的主要吸收区域

E层：

高度90—150千米,平均高度110千米附近，变化范围从

/

到

/

，夜间减小一个量级，

有

/秒的量级，受太阳天顶角变化影响，服从查普曼分布规律。

F层：

高度180—400千米高度范围，夏季白天又有

层和

层之分，

在

/

之间变化，有

/秒的量级。

Ｆ层特性变化复杂，受太阳活动性，地磁变化等因素影响。

电离层结构和成分随时空而异，但其特性变化并非不可琢磨。

通过长期实验观测表明，电离层特性有规则变化和不规则变化之分，其中

规则变化：

①日变季变（与太阳天顶角有关）。

　　②随地磁（或地理）经纬度而变。

　　　③随太阳的11年活动周期函而变化，因此

层临界频率

与太阳黑子数R表现出正的相关性。

不规则变化：

①突发E层（或

层）。

②扩展F层。

③电离层暴。

2.5磁层

磁层是地球磁场所控制的空间区域，其中向日面一侧离地面约10个地球半径的距离，背日面一边向后延伸象数十甚至上百个地球半径长的彗星一样，故称磁尾，太阳风中的带电粒子常从磁尾和极尖区进入地球大气压层，影响电离层，并形成磁暴和极光等地球物理现象。

电磁波穿过电离层，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：

1、天线频率要超过最大可用频率，才能穿过电离层进入太空。

2、电波沿地球磁力线的导引问题。

3、对调频波段观测到“宇宙回波”现象的解释。

4、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中的传播。

2.6日地空间

　太阳与地球之间延伸的范围是日地空间，其中有变化的是电场和磁场，电磁辐射和各种等离子体波动等等。

它们以复杂的方式相互作用。

太阳周围有强的磁场，由于太阳自身的转动（约27天一个周期），故在日地空间的星际磁场呈扇形结构，一些太阳事件，如太阳爆发，太阳耀斑等等都会直接或间接影响近地区域的环境，这些事件可破坏地面无线电通信、雷达、长途电信和输电网的正常工作，甚至干扰宇宙飞船中的电子设备等。

三．各电波波段传播方式和特点：

3.1电磁波波段的粗略划分及几种电波传播途径

A、电磁波波段的粗略划分

名称

长波

中波

短波

超短波

微波

光波

频率范围

３～300KHZ

300~3000KHZ

3~30MHZ

30~1000MHZ

1G~300GHZ

1~50THZ

波长范围

100~1KM

1KM~100M

100M~10M

10M~30CM

30CM~1MM

300~0.006

M

B、地波传播

地表面象导电体一样，也有引导电磁波传播的能力，这种沿地表面传播的电磁波就叫做地波或表面波。

由于地球表面的弯曲，地波主要是由绕射形成的绕地表面传播的无线电波，只有当波长与障碍物的高度可以比较时，才有绕射作用，所以实际上只有长波中波和短波的部分波段能够绕过地面传到较远的地方去。

为使地波传得更远，波场应是垂直极化的，因为水平分量会在地面引起传导电流，从而增加传输损耗。

地波传播分两类，一是沿地球表面弯曲传播的表面波，它包括长波中波和部分短波，靠绕射来实现。

二是由直射波和经地面反射波组成的“空间波”。

C、对流层波

无线电波在对流层中传播时，由于介质特性的非均匀性，会引起电波的折射散射现象。

经理论推导对流层中某处的曲率半径与折射指数梯度关系到为：

图二　折射的几种形式

散射的形成：

对流层中，当一种空气流运动到另一气流上或潮湿和热气团的垂直运动，甚至于发生一连串的这种过程时，导致一种气团完全进入有不同温度和湿度的相临区域，进而形成湍流不均匀体。

当无线电波投射到这种湍流不均匀体上时，其中每一个不均匀体中都必须有感应电流发生，因而这些湍流不均体，就如同基本偶极子一样，成为一个二次辐射体，每个二次辐射体均对接收点提供一个散射分量，这就是无线电波在对流层非均匀体上的散射作用，由这种非均匀体所散射的电波可到达从散射体上能看到的地面所接收点。

D、电离层波

电离层能反射无线电波，使得对无线电波的工作频率扩展到短波频谱，使传播模式由地波改变为天波。

1、长波和超长波频段频率低，能满足反射条件，可以用天波传播，通常认为在由地面—电离层组成的波导中传播。

因频率低，电离层反射的电子浓度要求不大，白天在D层下边界反射，夜间被E层反射，可认为几乎不穿过电离层，地面和电离层的吸收损耗都很小。

2、电离层对中波频段的反射，要求电子浓度有更大的数值，常在E层被反射，白天中波经D层E层的吸收比夜间经过E层吸收要大得多，所以随着黑夜的来临，对中波的吸收急剧减少，电离层波开始产生，加之地波的信号，以致使信号强度达到足够电平，常出现白天收不到的信号晚上可能会被收到。

3、短波的频率的升高，使得电离层中F层是反射波，D层和E层是吸收层，同时因电离层的吸收作用，随频率增大而减少，使短波受到的吸收作用就不大，借助于电离层的一次和多次反射，短波可作为任何远距离通讯之用。

3.2长波传播方式和传播途径

长波可沿地波传播、无线电电波传播、视距传播、地下传播、磁层传播，但由于频率很低、通频带很窄，收发设备笨重和需要庞大的天线等原因，视距传播没有什么应用价值，常用作全球海底通信、全球导航、核爆炸的探测、外空间的研究。

长波在海水中传播衰减率较中波、短波小，而且能传入海水约十多米至上百米的深度。

波长越长，则传播衰减率越小，能传入海水的深度越大。

至于土壤，则能传入的深度更大些。

电导率越小，能传入的深度越大。

长波能沿地面传播几千甚至几万公里，用于远距离通信广播导航和报时等，而且沿地面到达接收点的长波都稳定可靠。

对长波，波长可达几千甚至几万公里，这时由地面和电离层组成的球壳状空腔会对电波产生谐振（共振）的作用，传播的衰减特别小，可很容易的传播几万公里。

对长波而言，电离层的电气性质像良导体，能很好地反射它们。

地面（土壤、海洋）也能很好地反射长波，电离层和土壤都是良导体，长波可由电离层和地面土壤交替传递到很远距离。

长波采用铅垂极化方式传播。

3.3中波传播方式和传播途径

中波既可以沿地面绕射传播相当远的距离，也可以由电离层反射传播到千里之外，采用铅垂极化方式传播。

当整个传播距径全部进入背阳面时，中波（

）的场结构在黄昏发生显著的变化。

日落之后，电离层对中波的反射系数实际上等于1，白天虽然反射系数一般随午后太阳高度的下降而有所增大，但仍然保持很小，约为

。

因为中波在电离层D区内被强烈地吸收，因此，白天的中波完全由地球表面传播的地波所决定，而在夜间，即使在离发射机几十公里的距离上，场就已经是地球和反射波相迭加而成，这就是使场振幅增加并且作强烈变化的原因，这种变化还随观测者的距离的增加而加强。

　电离层的非线性效应，使得中波通过时出现交叉调制（最明显的例子是晚上用收听中波电台易串台），而且大多在夜间，相互作用的区域位于80KM至100KM的高度上，在不同的情况下，调制深度M的最大值在1%至8%的范围内变动。

　但沿地面传播时，因中波波长（100m—1km）较短，当遇到的山峰的高度接近甚至大于中波波长时，会产生明显的阻挡作用，使传播损耗率增大，场强减小，传播距离也减小。

另外，在白天，由于电离层D层的强烈损耗，中波不可能由电离层反射传播；因而不可能传播很远。

在夜间，电离层D层消失，中波经由E层反射传播到千里之外，E层对中波的损耗要比D层小得多，产生日变化，且到了夜间，出现电离层反射的天波和地波相互干涉，使场强发生忽大忽小的严重衰落，外加强功率的短波能量倾注电离层，容易形成交叉调制。

3.4短波传播方式和传播途径

短波传播除了靠电离层反射传播外，还可以地面波空间波传播，以及通过电离层的“反射”来实现，采用水平极化方式传播。

短波电离层传播主要优点是吸收不大。

缺点是：

由于F层结构稳定，因此短波具有不稳定的传播条件，能观察到深度的衰落，必须采用专门的办法来克服。

另外，短波传播过程还有回波现象、漫反射现象、寂静区等特点。

短波场强对距离和昼夜时间的依从关系随频率季节和太阳活动周期而明显地改变,从数量上描述短波状态的参数在很长的时间内不会保持稳定,其具有的一个显著特点是,它们在一昼夜的任何时候都能够在很远的距离上传播。

在黄昏或季节改变时,只需要调整波长就可以保证最好的远距离可达范围。

短波的这一特点是由于它们在电离层反射中损耗很小的缘故。

由太阳光耀斑爆发产生的极强的X射线和紫外线辐射，以光速向外传播，约经8分多钟到达地球，使白昼部分上空电离增强，尤其是D区的电子密度可比正常值大10倍以上。

这种电离层的骚扰和电离层的暴乱使通讯质量大大下降，甚至中断。

寂静区（又称死区）指的是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，因而只能反射到寂静区以外的地点。

3.5超短波传播方式和传播途径

它们在作视距传播（空间波）时，主要是受对流层大气的影响，同时受地球表面上地物地影响，容易出现衰落。

视距外传播主要通过对流层散射来实现。

超短波传播既可采用水平极化也可以采用铅垂极化来传播。

对由多径效应产生的多径抗衰落以及由于地形地物遮挡引起的阴影衰落，必须采取一定抗衰落措施来减小衰落，以确保通讯质量。

抗衰落主要通过分集接收来实现。

分集技术按分集方式可分为：

空间分集、频率分集、角度分集、时间分集、极化分集。

空间分集就是接收天线在距离几十个工作波长发上同时接收来波信号。

频率分集通过同一天线发射和接收两个频率信号，然后进行合成。

角度分集就是同时接收从几个不同方向来的信号，然后加以合成。

超短波频带很宽，使通讯系统的通信能力得到加强。

超短波广泛应用于电视、调频广播、雷达、导航以及遥感遥测、射电天文等。

3.6微波传播方式和传播途径

正由于微波波长的特殊性，它具有以下特点：

①、似光性（主要表现在反射性、直线传播性及集束性）．②、穿透性．③、宽频带性．④、热效应性．⑤、散射特性．⑥、抗低频干扰性．⑦、视距传播特性．⑧、分布参数不稳定性．⑨、电磁兼容与电磁环境污染。

视距内以空间波传播。

视距外采用对流层散射或中继方式传播。

由于微波具有频域信息、极化信息、时域信息，人们通过对不同物体的散射特性的检测，从中提取目标特征信息，从而进行目标识别。

这是实现微波遥感雷达成像的基础。

另一方面，还可以利用大气对流层的散射作用实现远距离微波散射通讯。

如微波通讯网，除用来传送电视、电话、电报、传真高速数据外，还广泛应用于地面和空间飞行体以及空间飞行体之间地球和其它星球的通讯以及遥控、遥感、射电天文等方面。