第10章-天波传播优秀PPT.ppt

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 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 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的变更较之沿水平方向的变更的变更较之沿水平方向的变更 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旁边，）在各层电子密度最大值旁边，N(h)N(h)分布近似为抛分布近似为抛 物线状。物线状。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rr，若满足，若满足2222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）(1022)假假设设电电离离层层是是由由很很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匀匀整整的的。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，各薄片层的电子密度依次为域，各薄片层的电子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 当频率为f的无线电波以确定的入射角0 由空气射入电离层后，电波在通过每一薄片层时折射一次，当薄片层数目无限增多时，电波的轨迹变成一条光滑的曲线。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 n2 2：媒质：媒质2 2的折射率。的折射率。依据折射定理，可得依据折射定理，可得(1023)将将n0=1，n=90代入上式，可得电波从电离层内反代入上式，可得电波从电离层内反射下来的条件式：射下来的条件式：(1024)式中式中Nn是反射点的电子密度。是反射点的电子密度。该式表明白电波能从电离层返回地面时，电波该式表明白电波能从电离层返回地面时，电波频率频率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之间必需之间必需满足的关系。由该式可得出如下结论：满足的关系。由该式可得出如下结论：（1）电离层反射电波的实力与电波频率有关。）电离层反射电波的实力与电波频率有关。在入射角在入射角0确定时，电波频率越低，越易反射。确定时，电波频率越低，越易反射。（2）电波在电离层中的反射状况还与入射角）电波在电离层中的反射状况还与入射角0有关。有关。当电波频率确定时，入射角越大，越易反射。当电波频率确定时，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nn9090的条件，从的条件，从而使电波从电离层中反射下来。而使电波从电离层中反射下来。临界频率：临界频率：当电波垂直向上放射即当电波垂直向上放射即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 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直入射频率垂直入射频率 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：电离层的正割定律：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：当反射点电子密度确定时（当反射点电子密度确定时（fvfv确定时），通信确定时），通信距离越大（即距离越大（即00越大），允许工作频率越高。越大），允许工作频率越高。临界频率临界频率fcfc的探讨：的探讨：全部全部 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。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 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 白天电子密度大，临界频率高，则允许运用的白天电子密度大，临界频率高，则允许运用的频率就高；频率就高；夜间电子密度小，则必需降低频率才能保证天夜间电子密度小，则必需降低频率才能保证天波传播。波传播。（3）电离层的电子密度有明显的日变更规律）电离层的电子密度有明显的日变更规律 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，就是电波从放射点辐射后传播所谓传输模式，就是电波从放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4000km 表表 1031 传输模式传输模式 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，主要传播模式为为1F模式。但即使是模式。但即使是1F模式，一般也存在着两条传模式，一般也存在着两条传播路径，如图所示，其射线仰角分别为播路径，如图所示，其射线仰角分别为1和和2，低，低仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在较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下来。低的高度上就从电离层反射下来。图图1032 1F模式的两条传播路径模式的两条传播路径 10.3.2 短波天波传播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是指当工作距离确定时，能被电离层反射是指当工作距离确定时，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）一日之内适时变更工作频率。）一日之内适时变更工作频率。不同通信距离时，不同通信距离时，fMUT t的变更的变更 由以上探讨可知，工作频率应低于最高可用频由以上探讨可知，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，以保证有足够的信号强度，即用频率，以保证有足够的信号强度，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，这样可以削减电离层对电波能量的吸取。得高些，这样可以削减电离层对电波能量的吸取。但是，不能把频率选在但是，不能把频率选在fMUF，因为电离层很不稳定，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。当电子密度变小时，电波很可能穿出电离层。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%，这个频率称为这个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)fMUF 和和 fLUF的日变更的日变更曲线曲线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.衰落现象严峻衰落现象严峻 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 不规则的变更现象。不规则的变更现象。衰落衰落 快衰落（干涉型衰落）快衰落（干涉型衰落）慢衰落（吸取型衰落）慢衰落（吸取型衰落）克服方法：接收机中接受自动增益限制克服方法：接收机中接受自动增益限制 克服方法：接受分集接收克服方法：接受分集接收图图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。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)多径时延随时间变更。多径时延随时间变更。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 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”。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）接受高仰角辐射波束天线。）接受高仰角辐射波束天线。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 消退反向回波：接受单方向性辐射的收发天线。消退反向回波：接受单方向性辐射的收发天线。消退正向回波：适当降低辐射功率和选择适当的消退正向回波：适当降低辐射功率和选择适当的 工作频率。工作频率。消退环球回波的方法：消退环球回波的方法：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。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，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电离层骚扰引起的。离层暴或电离层骚扰引起的。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，特殊是对于最上面的遭到破坏，特殊是对于最上面的F2F2层影响最大，因层影响最大，因而可能造成信号突然中断。而可能造成信号突然中断。防止电离层暴的影响，通常可实行以下措施：防止电离层暴的影响，通常可实行以下措施：（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，马上运用较低工作频率利用马上运用较低工作频率利用E E层反射；层反射；（2 2）增大放射机功率，使反射回地面的电波增加；）增大放射机功率，使反射回地面的电波增加；（3 3）在电离层暴最严峻时刻，若利用以上方法尚不）在电离层暴最严峻时刻，若利用以上方法尚不能复原正常时，可接受转播方法以绕过暴变地区。能复原正常时，可接受转播方法以绕过暴变地区。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取电离层吸取损耗损耗 Lp是一项综合估算值，它是由大量电路实测的是一项综合估算值，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天波传播损耗数据，扣除已指明的三项损耗后而得到的。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，（小时）有关，可按下述数值估算可按下述数值估算:Lp=18.0dB 22T04Lp=16.6dB 04T10Lp=15.4dB 10T16Lp=16.6dB 16T22(1039)10.3.5 短波天波传播的特点短波天波传播的特点综合以上探讨，短波天波传播的基本特点是：综合以上探讨，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，不天波传播是靠高空电离层反射来实现的，不受地面吸取及障碍物的影响，损耗主要是自由空受地面吸取及障碍物的影响，损耗主要是自由空间的传输损耗。间的传输损耗。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，放射功率为例如，放射功率为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1000多千米。多千米。电离层吸取及地面损耗则较小，在中等距离电离层吸取及地面损耗则较小，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。（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，夜的，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。间工作频率低。在日出日落前后要更换工作频率。（3）传播不太稳定，衰落严峻。）传播不太稳定，衰落严峻。电离层的状况随年份、季节、昼夜和地理位置电离层的状况随年份、季节、昼夜和地理位置的不同而变更，因此天波传播不如地面波稳定，且的不同而变更，因此天波传播不如地面波稳定，且衰落严峻。衰落严峻。（4）天波传播随机多径效应严峻。）天波传播随机多径效应严峻。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殊波段范围比较窄，因此短波波段内的电台特殊拥挤，电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离拥挤，电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离层吸取减弱，干扰更大。层吸取减弱，干扰更大。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.短波通信电路建立快速，机动性好；短波通信电路建立快速，机动性好；4.设备简洁、价格低廉。设备简洁、价格低廉。目前，短波通信仍旧是一种特别重要的通信手段。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层吸取）层吸取）夜晚：地波夜晚：地波+天波天波 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 中波收听质量的三个服务区中波收听质量的三个服务区 依据广播波段的传播特性，通常可按距离远近依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：（1）主要服务区（良好接收区）主要服务区（良好接收区）离放射台较近地区。离放射台较近地区。此区域接收的电波以地面波为主，即使在夜间，此区域接收的电波以地面波为主，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，所以接收点场强稳定，没有区域内的场强都很强，所以接收点场强稳定，没有明显的衰落，不受太阳的影响，称为良好接收区，明显的衰落，不受太阳的影响，称为良好接收区，是广播电台的主要服务区。此服务区的半径确定于是广播电台的主要服务区。此服务区的半径确定于放射机功率、放射天线的方向性以及地面的导电性放射机功率、放射天线的方向性以及地面的导电性质。频率愈高，地面波传播损耗愈大，作用距离半质。频率愈高，地面波传播损耗愈大，作用距离半径将减小。径将减小。距离进一步增大则地面波场强渐渐减弱。假如距离进一步增大则地面波场强渐渐减弱。假如辐射功率大于几十千瓦，则在辐射功率大于几十千瓦，则在150300km的距离的距离范围内，地面波仍有确定强度。在白天因为没有天范围内，地面波仍有确定强度。在白天因为没有天波，较弱的地面波仍旧比较稳定，只要接收机灵敏波，较弱的地面波仍旧比较稳定，只要接收机灵敏度足够高，仍能满足地收听。到了夜间，出现了电度足够高，仍能满足地收听。到了夜间，出现了电离层反射的天波，由于电离层的电子密度的随机变离层反射的天波，由于电离层的电子密度的随机变更，使得天波传播的射线行程也随之变更，更，使得天波传播的射线行程也随之变更，（2）衰落区）衰落区稍远地区。稍远地区。因此，天波和地面波的干涉作用，使得合成场因此，天波和地面波的干涉作用，使得合成场强形成干涉性衰落，此区域称为衰落区。防止衰落强形成干涉性衰落，此区域称为衰落区。防止衰落的主动措施，是放射天线接受抗衰落天线，即设法的主动措施，是放射天线接受抗衰落天线，即设法使天线沿低仰角方向集中辐射，尽量减小天波辐射。使天线沿低仰角方向集中辐射，尽量减小天波辐射。（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逝，只有在晚上才能收到此区域地面波已经消逝，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。这个区域的特点是白天收不到远距离的广播电台信号，个区域的特点是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，故可以收到信而在夜晚，由于天波传播损耗减小，故可以收到信号，这就是为什么中波波段的广播信号到夜晚突然号，这就是为什么中波波段的广播信号到夜晚突然增多的缘由。增多的缘由。思索题思索题 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？