电波传播学习.pptx

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1、一、使用波长一、使用波长在长、中波波段和短波的低频段（在长、中波波段和短波的低频段（10103 310106 6Hz)Hz)均可用这种传播方式。（均可用这种传播方式。（波长波长200m200m 的中长波段）的中长波段）由于大地表面是导体，当电磁波在其表面传播时，一部分能量将被损耗掉，且频率越由于大地表面是导体，当电磁波在其表面传播时，一部分能量将被损耗掉，且频率越高，趋附效应越明显，衰减越大。高，趋附效应越明显，衰减越大。信号稳定，受气候影响较小，无多径效应，使用于远距离通信。信号稳定，受气候影响较小，无多径效应，使用于远距离通信。二、电波极化形式及地表介电特性二、电波极化形式及地表介电特性假

2、设地面是假设地面是“理想导体光滑理想导体光滑”面，根据镜像原理可知，水平极化天线镜像为负象，垂面，根据镜像原理可知，水平极化天线镜像为负象，垂直极化天线为镜像为正象，所以水平极化天线在接收点场强为零，垂直极化天线在接收直极化天线为镜像为正象，所以水平极化天线在接收点场强为零，垂直极化天线在接收点场强加强。点场强加强。第1页/共37页二、电波极化形式及地球表面介电特性二、电波极化形式及地球表面介电特性假设地面是假设地面是“理想导体光滑理想导体光滑”面，根据镜像原理可知，水平极化天线镜像为负象，垂面，根据镜像原理可知，水平极化天线镜像为负象，垂直极化天线为镜像为正象，所以水平极化天线在接收点场强为

3、零，垂直极化天线在接收直极化天线为镜像为正象，所以水平极化天线在接收点场强为零，垂直极化天线在接收点场强加强。点场强加强。地波传播只适用于垂直极化波传播；或者说水平地波传播只适用于垂直极化波传播；或者说水平极化波传播距离很短。极化波传播距离很短。若大地是理想导体平面若大地是理想导体平面,则接收天线接收到的仍是则接收天线接收到的仍是垂直极化波。垂直极化波。实际上实际上,大地是非理想导电媒质大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场垂直极化波的电场沿地面传播时沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流进而形成电流,从而产生欧姆损耗从而产生欧姆损耗,

4、造成大地对电波造成大地对电波的吸收的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量并沿地表面形成较小的电场水平分量并沿地表面形成较小的电场水平分量并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波致使波致使波致使波前倾斜前倾斜前倾斜前倾斜,并变为椭圆极化波并变为椭圆极化波并变为椭圆极化波并变为椭圆极化波第2页/共37页第3页/共37页二、电波极化形式及地球表面介电特性实际上,大地是非理想导电媒质大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波致使波

5、前倾斜前倾斜,并变为椭圆极化波并变为椭圆极化波在交变场的作用下介质内有位移电流传导电流通常把看成导体与电介质的分界线地壳的电特性影响电波传播.1良导体:海水(中波)1电介质:湿土,干土(长波)可以看到介电特性与频率（波长）有关电介质转化地球的介电特性进一步解释了地波传播适合波段的原因，“导电特性”说明了地波传播适合垂直极化波传播。j第4页/共37页实际上,大地是非理想导电媒质大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波致使波前

6、倾斜前倾斜,并变为椭圆极化波并变为椭圆极化波1良导体:海水(中波)1电介质:湿土,干土(长波)可以看到介电特性与频率（波长）有关电介质转化地球的介电特性进一步解释了地波传播适合波段的原因，“导电特性”说明了地波传播适合垂直极化波传播。j二、电波极化形式及地球表面介电特性在交变场的作用下介质内有位移电流传导电流通常把看成导体与电介质的分界线地壳的电特性影响电波传播.第5页/共37页通过测量可以得出的等效介电参数，进而研究地波传播等效电特性，对中频以下主要是等效导电率，基本的测量方法有两种。一是表面阻抗(或波前倾斜)法。二是传播衰减法，发射源一般采用中波广播台、长波与超长波标准时间台与导航台的信号

7、.1电介质:湿土,干土(长波)在交变场的作用下介质内有位移电流传导电流通常把看成导体与电介质的分界线地壳的电特性影响电波传播.j1良导体:海水(中波)可以看到介电特性与频率（波长）有关电介质转化第6页/共37页通过测量可以得出的等效介电参数，进而研究地波传播等效电特性，对中频以下主要是等效导电率，基本的测量方法有两种。一是表面阻抗(或波前倾斜)法。二是传播衰减法，发射源一般采用中波广播台、长波与超长波标准时间台与导航台的信号1电介质:湿土,干土(长波)在交变场的作用下介质内有位移电流传导电流通常把看成导体与电介质的分界线地壳的电特性影响电波传播.j1良导体:海水(中波)可以看到介电特性与频率（

8、波长）有关电介质转化第7页/共37页 地地球球形形似似一一略略扁扁的的球球体体，平平均均半半径径为为6370km6370km6370km6370km。根根据据地地震震波波的的传传播播证证明明，地地球球从从里里到到外外可可分分为为地地核核、地地幔幔和和地地壳壳三三层层。表表层层7070707080km80km80km80km厚厚的的坚坚硬硬部部分分，称称为为地地壳壳，地地壳壳各各处处的的厚厚度度不不同同，海海洋洋下下面面较较薄薄，最最薄薄处处约约5km5km5km5km，陆陆地地处处的的地地壳壳较较厚，总体的平均厚度约厚，总体的平均厚度约33km33km33km33km。第8页/共37页 地地壳

9、壳的的表表面面是是电电导导率率较较大大的的冲冲积积层层。由由于于地地球球内内部部作作用用（如如地地壳壳运运动动、火火山山爆爆发发等等），以以及及外外部部的的风风化化作作用用，使使得得地地球球表表面面形形成成高高山山、深深谷谷、江江河河、平平原原等等地地形形地地貌貌，再再加加上上人人为为所所创创建建的的城城镇镇田田野野等等，这这些些不同的地质结构及地形地物，不同的地质结构及地形地物，在一定程度上影响着无线电波的传播。在一定程度上影响着无线电波的传播。第9页/共37页第10页/共37页土壤的介电特性、电导率与含水量及水的类别和温度有密切关系，而且与温度和含水量呈正相关！第11页/共37页土壤的介电

10、特性、电导率与电磁波的频率密切相关，但是变化关系比较复杂。第12页/共37页三、接收点处电场分布特点三、接收点处电场分布特点当垂直极化波在地面附近时遇到当垂直极化波在地面附近时遇到“边界边界”（即传输环（即传输环境发生了变化），境发生了变化），将会在地面上感应出将会在地面上感应出“电荷电荷”（边界（边界条件），当波前向前传播时候，在条件），当波前向前传播时候，在z z方向产生感应电流，方向产生感应电流，有电压降有电压降在在z z方向产生了新的场分量方向产生了新的场分量E E2z2zE E2z2z由边界条件：由边界条件：I IE E1z1z第13页/共37页E1zE2zE2xH2y列翁托维奇边界

11、条件列翁托维奇边界条件第14页/共37页地波传播中场分量关系第15页/共37页J思考思考请问为什么地面波传播需要垂直接收天线；这指的是在哪儿接收；如果在地下接收应该用什么天线，解释为什么？9.2地面波传播特性1.地波是横磁波(H没有z分量)(地上地上)第16页/共37页1.1.地波是横磁波地波是横磁波(H(H没有没有z z分量分量)(地上地上地上地上)倾角倾角2.2.2.2.直立天线本身辐射垂直极化波直立天线本身辐射垂直极化波天线方向天线方向SzSx沿地面传播时沿地面传播时,大地吸收产生大地吸收产生代表了损耗代表了损耗或或损耗损耗适合于长波适合于长波,中波、超长波中波、超长波第17页/共37页

12、3.可分析倾斜角,使用相应天线,有效接收等分量大气部分大地中地面用直立天线收地下用水平天线收1.地波是横磁波(H没有z分量)(地上地上)倾角2.2.直立天线本身辐射垂直极化波天线方向SzSx沿地面传播时,大地吸收产生代表了损耗或损耗适合于长波,中波近距、超长波第18页/共37页 9.39.3地波场强的计算地波场强的计算 地波场强计算复杂地波场强计算复杂,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的曲线图计算的曲线图计算.使使用用条条件件地面光滑地面光滑,地质均匀地质均匀发射天线使用发射天线使用的直立天线的直立天线发射条件条件是发射条件条件是:可算出可算出再用公式计算其余分

13、量再用公式计算其余分量第19页/共37页使使用用条条件件地面光滑地面光滑,地质均匀地质均匀发射天线使用发射天线使用的直立天线的直立天线发射条件条件是发射条件条件是:可算出可算出再用公式计算其余分量再用公式计算其余分量 注意：计算场强为注意：计算场强为E E1x1x的有效值，单位为的有效值，单位为第20页/共37页使使用用条条件件地面光滑地面光滑,地质均匀地质均匀发射天线使用发射天线使用的直立天线的直立天线发射条件条件是发射条件条件是:可算出可算出再用公式计算其余分量再用公式计算其余分量横坐标为传播距离横坐标为传播距离虚线虚线自由空间或者理想自由空间或者理想导电地面的场强有导电地面的场强有效值效

14、值第21页/共37页发射功率发射功率,方向性系数方向性系数,传播距离传播距离,衰减因子衰减因子包含了大地吸收损耗，包含了大地吸收损耗，绕射传播损耗绕射传播损耗如果如果P Pr r 1 1；D D 33则则其它场分量，依照场分量之间其它场分量，依照场分量之间的关系得出的关系得出第22页/共37页图中表示出不同波长图中表示出不同波长的无线电波沿地表面的无线电波沿地表面传播时的振幅变化情传播时的振幅变化情况。在同样的距离上，况。在同样的距离上，波长越长，则场强的波长越长，则场强的衰减越小。衰减越小。中实线表示平地上的电场衰减，虚线表示球中实线表示平地上的电场衰减，虚线表示球面地上的电场衰减。面地上的

15、电场衰减。研究地表面波的经典方法，是在给定的边界条件下求解由麦克斯韦方程导出研究地表面波的经典方法，是在给定的边界条件下求解由麦克斯韦方程导出的波动方程。理论计算的主要任务是求出衰减因子的波动方程。理论计算的主要任务是求出衰减因子A A的表示公式。的表示公式。第23页/共37页实际的地面并不都具有相同的电参数，也不能认为都是光滑而无起伏的。当从实际的地面并不都具有相同的电参数，也不能认为都是光滑而无起伏的。当从陆地到海面传播时，地面性质突变，会使电波的主要传播方向发生偏折；在起伏陆地到海面传播时，地面性质突变，会使电波的主要传播方向发生偏折；在起伏不平的地面上传播时又会产生散射，使能量转移，而

16、且波长越短散射现象越严重；不平的地面上传播时又会产生散射，使能量转移，而且波长越短散射现象越严重；当传播距离增大时，电波由发射天线斜向投射到电离层，所产生的反射波会在接当传播距离增大时，电波由发射天线斜向投射到电离层，所产生的反射波会在接收点与沿地面传播的表面波相干涉而引起信号强度的起伏变化。收点与沿地面传播的表面波相干涉而引起信号强度的起伏变化。按照地波传播的规律，在远距离通信时，波长越长越有利。但后来发现，利用电离层按照地波传播的规律，在远距离通信时，波长越长越有利。但后来发现，利用电离层可以用较短的波长以较多的信息容量和较小的功率来实现远距离通信。这样，单纯用可以用较短的波长以较多的信息

17、容量和较小的功率来实现远距离通信。这样，单纯用地表面波进行通信的范围就受到了限制。不过，地表面波信号比较稳定地表面波进行通信的范围就受到了限制。不过，地表面波信号比较稳定,在长波和中波在长波和中波的广播、导航的广播、导航,以及短波乃至于超短波的近距离通信中仍广泛使用地表面波以及短波乃至于超短波的近距离通信中仍广泛使用地表面波。第24页/共37页 9.49.4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 实际的地面并不都具有相同的电参数，也不能认为都是光滑而无起伏的。当从实际的地面并不都具有相同的电参数，也不能认为都是光滑而无起伏的。当从陆地到海面传播时，地面性质突变，会使电波的

18、主要传播方向发生偏折；在起伏陆地到海面传播时，地面性质突变，会使电波的主要传播方向发生偏折；在起伏不平的地面上传播时又会产生散射，使能量转移，而且波长越短散射现象越严重；不平的地面上传播时又会产生散射，使能量转移，而且波长越短散射现象越严重；当传播距离增大时，电波由发射天线斜向投射到电离层，所产生的反射波会在接当传播距离增大时，电波由发射天线斜向投射到电离层，所产生的反射波会在接收点与沿地面传播的表面波相干涉而引起信号强度的起伏变化。收点与沿地面传播的表面波相干涉而引起信号强度的起伏变化。第25页/共37页 9.49.4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 多种不同电参

19、数组成的混合路径的传播场强计算多种不同电参数组成的混合路径的传播场强计算我们一起从几个侧面学习解决这种我们一起从几个侧面学习解决这种问题的方法。问题的方法。第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。第二：如果分段不是两段而是三段甚至第二：如果分段不是两段而是三段甚至n n段你将如何解决。段你将如何解决。第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示。第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示。如果路径没有不均匀性则场强如何计算，也即在如果路径没有不均匀性则场强如何计算，也即在A A点发射在点发射在B B点接收到的场强如点接收到的场强如何计算？何计算？第26页/共37页 9.49.

20、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 第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。如果路径没有不均匀性则场强如何计算，也即在如果路径没有不均匀性则场强如何计算，也即在A A点发射在点发射在B B点接收到的场强如点接收到的场强如何计算？何计算？多种不同电参数组成的混合路径的传播场强计算多种不同电参数组成的混合路径的传播场强计算我们一起从几个侧面学习解决这种我们一起从几个侧面学习解决这种问题的方法。问题的方法。第二：如果分段不是两段而是三段甚至第二：如果分段不是两段而是三段甚至n n段你将如何解决。段你将如何解决。第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示

21、。第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示。发射功率发射功率,方向性系数方向性系数,传播传播距离距离,衰减因子衰减因子包含了大地吸收损耗，绕包含了大地吸收损耗，绕射传播损耗射传播损耗我们的目的是计算我们的目的是计算C C点的场强，点的场强，C C点场强是在点场强是在B B点结果点结果的基础上依的基础上依2 2中条件继续传播，但是现有公式中参量没中条件继续传播，但是现有公式中参量没有场量。有场量。智慧的人采取了智慧的人采取了“等效等效”的方法，的方法，而等效的原理正是采用了场量关而等效的原理正是采用了场量关系。系。于是于是C C点的场强等效于发射功率为点的场强等效于发射功率为P Pr r，路径

22、条件为，路径条件为2 2时传播了时传播了r r1 1r r2 2的距离。的距离。第27页/共37页第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。于是于是C C点的场强等效于发射功率为点的场强等效于发射功率为P Pr r，路径条件为，路径条件为2 2时传播了时传播了r r1 1r r2 2的距离。的距离。第28页/共37页第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。总的说来，在研究此问题的过程中采用了总的说来，在研究此问题的过程中采用了“等效等效”的的思路，思路，“等价等价”变形的手段。变形的手段。但计算结果不满足但计算结果不满足互易定理互易定理 线性无源网络中，当

23、激励与响应的位置互换则对于线性无源网络中，当激励与响应的位置互换则对于同一激励源则响应相同同一激励源则响应相同互易定理互易定理第29页/共37页第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。但计算结果不满足但计算结果不满足互易定理互易定理 线性无源网络中，当激励与响应的位置互换则对于线性无源网络中，当激励与响应的位置互换则对于同一激励源则响应相同同一激励源则响应相同所以工程上所以工程上用用“密林顿密林顿”公式计算公式计算其近似解其近似解计算方法同上计算方法同上第30页/共37页第一：学明白书上所给出的提示。第一：学明白书上所给出的提示。但计算结果不满足但计算结果不满足互易定理互易

24、定理 线性无源网络中，当激励与响应的位置互换则对于线性无源网络中，当激励与响应的位置互换则对于同一激励源则响应相同同一激励源则响应相同所以工程上所以工程上用用“密林顿密林顿”公式计算公式计算其近似解其近似解计算方法同上计算方法同上第二：如果分段不是两段而是三段甚至第二：如果分段不是两段而是三段甚至n n段你将如何解决。段你将如何解决。如何计算场强；满足互易定理！应该是我们思考的问题如何计算场强；满足互易定理！应该是我们思考的问题如果你在自学，看到这个公式如何结合我们详细推导内容来解释和理解该公式；如果你在自学，看到这个公式如何结合我们详细推导内容来解释和理解该公式；该结果与我们所讲结果有什么差

25、别。该结果与我们所讲结果有什么差别。第31页/共37页第二：如果分段不是两段而是三段甚至第二：如果分段不是两段而是三段甚至n n段你将如何解决。段你将如何解决。仍然按CCIR标准:第32页/共37页第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示。第三：反思一下解决问题过程中给出你什么启示。第33页/共37页发射功率发射功率,方向性系数方向性系数,传播传播距离距离,衰减因子衰减因子包含了大地吸收损耗，绕包含了大地吸收损耗，绕射传播损耗射传播损耗其它场分量，依照场分量之间的关系得出其它场分量，依照场分量之间的关系得出第34页/共37页考虑均匀考虑均匀(、与空间位置与空间位置 r r 无关无关)、导电（、导电（0 0）、无源）、无源(0 0)媒质中电磁场的特性。媒质中电磁场的特性。简谐电磁场满足的方程为：简谐电磁场满足的方程为：将最后一式进一步简化：将最后一式进一步简化：第35页/共37页第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页