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無線電波的傳播
頻率從幾十赫（甚至更低）到30000千兆赫左右（波長從幾萬千米到0.1毫米左右）整個頻譜范圍內(nèi)的電磁波，稱為無線電波。發(fā)射天線或自然源輻射的無線電波，通過介質(zhì)或受到介質(zhì)分界面的影響，而到達接收天線的過程，稱為無線電波傳播。無線電波在介質(zhì)或介質(zhì)分界面的影響下，有被折射、反射、散射、繞射和吸收等現(xiàn)象。接收點的無線電信號，也有衰減和干擾出現(xiàn)。為了確定無線電系統(tǒng)的頻率、功率、增益、靈敏度、信號噪聲比和工作方式等，都需要對無線電波傳播特性有所了解。 根據(jù)何種介質(zhì)或何種介質(zhì)分界面對電波傳播產(chǎn)生主要的影響，可將常遇到的電波傳播方式分為：（1）地波傳播（電波傳播主要受地球表面的影響）。（2）對流層電波傳播（電波傳播主要受對流層影響）。（3）電離層電波傳播（電波傳播主要受電離層影響）。（4）地—電離層波導(dǎo)電波傳播（電波傳播主要受電離層下緣和地面的影響，此外還有埋地天線、地殼中電波傳播、火箭噴焰、再入等離子體鞘套和核爆炸等影響）。
各種頻段的無線電波的傳播方式和特點及其應(yīng)用，可見各有關(guān)詞匯。
l 地波傳播
沿地球表面的無線電波的傳播，稱為地波傳播。其特點是信號比較穩(wěn)定。在討論地波傳播問題時，一般是將對流層視為均勻介質(zhì)（有時認為對流層的折射指數(shù)垂直梯度為常數(shù)），電離層的影響不予考慮，而主要考慮地球表面對電波傳播的影響。半導(dǎo)電性地球表面的影響，一方面使地波的垂直方向電場強度遠大于水平方向電場強度，并因在地面上產(chǎn)生感應(yīng)電流，使地波有較大的衰減；另一方面，由于地球是橢球形，在視線距離以外，地波傳播可以認為是圍繞弧形地球面的繞射傳播。垂直偶極子所產(chǎn)生的地波垂直電場E通常表示為
E=E0ν
其中：E0為理想導(dǎo)電地面上的垂直電場，ν稱為衰減因子，它是頻率、距離和地面電參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)。一般說來，頻率愈高，地面電導(dǎo)率愈低，地波隨距離衰減就愈快。計算地波，有相應(yīng)于高天線、低天線、近距離（視線傳播）和遠距離（超地平傳播）的一般解答，但通常是查閱圖表。
在視線傳播的情況下，如果收發(fā)天線離地高度遠大于波長，接收點處的地波，可歸結(jié)為直射波與地面反射波相干涉的結(jié)果。因為這種情況下對流層的折射影響必須考慮，所以將它歸入對流層傳播。微波中繼通信即是這種傳播方式。在超地平傳播的情況下到達接收點的地波為繞過弧形地面的表面波。中波和長波多利用地波傳播，但在一定的條件下，也出現(xiàn)它們的電離層反射波。
l 對流層電波傳播
無線電波在對流層與平流層中的傳播，簡稱為對流層電波傳播。對流層的折射指數(shù)，在20千兆赫以下的頻率以及其他大氣窗口，與頻率無關(guān)，因而對流層通常是一種非色散介質(zhì)。由于折射指數(shù)的空間變化，電波射線會因折射而彎曲。在對流層中，氣體分子與水汽凝聚物（云、霧、雨、雪等）對電波有吸收與散射作用。波長長于3厘米的電波，所受的吸收十分微弱，計算場強時可不考慮。波長短于3厘米時，需要考慮水汽和氧的吸收。在毫米波與亞毫米波頻段，對流層有許多吸收較小的頻帶，通常稱為大氣窗口。
按物理機制或傳播情況的不同，對流層電波傳播可以分為下列四種傳播方式：（1）視線傳播，應(yīng)用于微波中繼通信與衛(wèi)星通信、超短波與微波的定位測速；（2）對流層散射傳播，應(yīng)用于米波與分米波的超地平通信；（3）障礙繞射傳播，對于短波高端、超短波和微波無線電通信電路，當電路上存在山峰時，出現(xiàn)障礙繞射傳播，在某些情況下還會有障礙增益；（4）大氣波導(dǎo)傳播，當對流層的折射指數(shù)梯度滿足一定的條件時，對于米波至厘米波的無線電射線會出現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播。
l 電離層電波傳播
這是指無線電波在電離層中的傳播。在這種情況下的電波傳播，往往要受地磁場的影響，將電波分裂成尋常波和非常波，此現(xiàn)象稱為磁離子分裂。對應(yīng)于它們二者的折射指數(shù)比較復(fù)雜，特別還依賴于地磁場強度和傳播方向，故電離層是一種各向異性的色散介質(zhì)。在一定條件下，可以忽略地磁場的影響，這時電離層的折射指數(shù)只依賴于電波頻率、碰撞頻率和電子濃度。在這種情況下電離層是一種各向同性的色散介質(zhì)。
短波段的電波，在電離層中受到折射和吸收，在一定條件下能在電離層反射，回到地面。中頻段的電波，通常在電離層的D層（70~90公里）和E層（100~120公里）中受到吸收，在F層中反射。甚高頻段電波，基本能透過電離層，少數(shù)情況在一定條件下，也能在電離層反射，它在電離層中發(fā)生的散射現(xiàn)象能加以利用。微波段電波能透過電離層，它的折射很小。長波、超長波波段的電波，大部分在電離層低層的下緣被反射。
依據(jù)物理機制的不同，電離層電波傳播可以分為下列三種傳播方式：（1）短波經(jīng)電離層反射的傳播，這是應(yīng)用很久而且很廣的傳播方式，用于通信、廣播和超地平雷達等；（2）甚高頻經(jīng)電離層不均勻體散射傳播；（3）甚高頻經(jīng)流星余跡反射的傳播，后兩種傳播方式，已經(jīng)用來建立通信電路。
此外電離層電波傳播的各種效應(yīng)，可作為探測電離層結(jié)構(gòu)的各種手段，如脈沖反射，法拉第旋轉(zhuǎn)、多普勒頻移、非相干散射、部分反射等。
還有一些實際問題，如核爆炸產(chǎn)生的附加電離區(qū)對電波的作用、火箭噴焰與再入等離子體鞘套對電波的影響等，都與電離層電波傳播緊密相關(guān)。
l 地--電離層波導(dǎo)電波傳播
以低電離層下緣和地面為兩壁，構(gòu)成的同心球殼形波導(dǎo)，稱為地--電離層波導(dǎo),在其中的電波傳播稱為地--電離層波導(dǎo)傳播。長波以及波長更長的無線電波，當它們的輻射源處于地與低電離層之間時，輻射的電磁波能量，基本上限制在地--電離層波導(dǎo)中傳播，能以較小的衰減繞過彎曲地面。它們的傳播機理，可用“波跳”和“波導(dǎo)模”兩種理論加以解釋：“波跳”理論認為電波在地與低電離層之間是以地波和天波方式傳播的，波的總場可表為地波與各跳天波的各場分量的級數(shù)和；“波導(dǎo)模”理論則認為電波在地--電離層波導(dǎo)之間的傳播與微波在金屬波導(dǎo)中的傳播有些類似，波的總場可表為代表各階波導(dǎo)模的各場分量的級數(shù)和。在某些情況下，兩種級數(shù)和可以等效。考慮到級數(shù)解只有當它具有快收斂特性時才具有實用意義，因此，波跳理論多用于長波，波導(dǎo)模理論多用于甚低頻、音頻以及極低頻的電波傳播。無線電波在地--電離層波導(dǎo)中傳播時，其場強的擴散損耗與地面距離，波長的關(guān)系為(其中為地球半徑)，而地面與電離層的吸收，使場強隨距離的增加按指數(shù)衰減。
地--電離層波導(dǎo)的傳播方式，用于遠距離可靠通信、遠距離無線電導(dǎo)航、標準頻率與時間信號的廣播以及對電離層的研究等。
l 極低頻與音頻電波傳播
頻率從30赫到300赫(波長從10000千米到1000千米)的無線電波稱為極低頻無線電波，頻率從300赫到3000赫(波長從1000千米到100千米)的無線電波稱為音頻無線電波。
此兩頻段的無線電波以橫電磁(TEM)波模方式在地--電離層波導(dǎo)中傳播，無多模干涉現(xiàn)象，傳播衰減隨頻率降低而減小，在100赫左右時，衰減率僅有1~2 ;可以穿透電離層以哨聲模方式沿地磁力線在地面上的兩個磁共軛點間多次往返傳播，或偏離地磁力線在外層空間傳播；在低頻端，因波長可與地球周長相比，將產(chǎn)生地--電離層空腔諧振(舒曼諧振)現(xiàn)象。
這兩頻段的主要特點是：由于頻率低，在海水中的衰減比其他頻段都小，故透入海水最深，但是天線很大，設(shè)備很昂貴。音頻電波可用于水下核潛艇的指揮通信；利用雷電輻射的音頻電波，可以研究電離層與外層空間的結(jié)構(gòu)。
l 甚低頻電波傳播
頻率從3千赫到30千赫(波長從100千米到10千米)的無線電波稱為甚低頻無線電波或超長波。在此頻段內(nèi)，輻射的電磁波能量，除了在低頻端有一部分可穿透電離層以哨聲模方式傳播以外，基本上都限制在地面和低電離層下緣所構(gòu)成的地--電離層波導(dǎo)之中，其傳播機理多用波導(dǎo)模的概念來解釋，但對高頻端的近距離傳播，用天、地波的概念有時也可得到有效解釋。根據(jù)傳播的不同特點，其全球性的作用區(qū)可分為四種傳播區(qū)域(見圖示)：(1)地波區(qū)；(2)多模干涉區(qū)(在此區(qū)內(nèi)同時存在幾個模)。(3)單模區(qū)(僅存在一個最低衰減模)。(4)長短大圓路徑干涉區(qū)(同時存在長、短大圓路徑兩種信號)。波導(dǎo)模的傳播衰減率與相速取決于頻率、地面電導(dǎo)率、太陽天頂角、傳播方向與地磁場水平分量間的夾角、地磁緯度和太陽活動性等因素。
甚低頻電波的全球性作用區(qū)
此頻段的優(yōu)點是：(1)傳播衰減小，作用距離遠甚至達到全球；(2)傳播相位較穩(wěn)定，且有良好的可預(yù)測性；(3)受電離層擾動的影響小，傳播情況穩(wěn)定；(4)透入海水能力較強。此頻段的缺點是：(1)因頻率低，數(shù)據(jù)率比較低，通常約每分鐘15~60個字；(2)大氣噪聲干擾大；(3)需要大的發(fā)射天線，設(shè)備較貴。
甚低頻廣泛應(yīng)用于遠距離的可靠通信(這時數(shù)據(jù)率低不是主要的，而可靠性是主要的)，還應(yīng)用于遠距甚至全球的無線電導(dǎo)航；標準頻率和時間信號的廣播；對水下潛艇的通信等。同時也可用于低電離層研究和雷爆定位等。
l 低頻電波傳播
頻率從30千赫到300千赫（波長從10千米到1千米）的無線電波稱為低頻無線電波或長波。
長波以地波和天波兩種方式進行傳播，地波作用距離可達2000~3000公里，天波在白天經(jīng)D層反射。而在夜間經(jīng)E層反射，經(jīng)一跳或多跳傳播，作用距離可達幾千公里以至上萬公里。一般說，在200~300公里以內(nèi)地波占優(yōu)勢，2000~3000公里以上天波占優(yōu)勢，在兩者之間，天地波同時存在。在某些應(yīng)用中，天波通常被視為有害干擾，但在此波段，可根據(jù)天地波脈沖相對時延，采用區(qū)分天、地波技術(shù)以排除天波影響。從而使地波作用距離得到充分的利用。
長波主要用于遠距離精密無線電導(dǎo)航，標準頻率與時間信號的廣播、可靠通信、低電離層的研究等。
l 中頻電波傳播
頻率從300千赫到3兆赫（波長從1000米到100米）的無線電波稱為中頻無線電波或中波。
中波可以用天波和地波的方式傳播。使用地波傳播時，因為波長較短，地面損耗較大，繞射能力較差，所以傳播的有效距離比長波近，但比短波遠，一般為幾百公里。又因中波的頻率在電離層臨界頻率以下，電離層能反射中頻天波，但白天因D、E層的吸收作用大，故天波不能有效反射；在晚上，D、E層的吸收顯著減小，天波顯著增強，且作用距離可大大超過地波。由于天、地波或各跳天波間的干涉，在夜間遠距離上產(chǎn)生明顯的衰落現(xiàn)象。中波電離層傳播還存在獨特的交叉調(diào)制效應(yīng)。
中波主要用于近距離廣播與無線電導(dǎo)航，535~1605千赫是國際規(guī)定的中波廣播段。還可用它的交叉調(diào)制效應(yīng)研究低電離層。
l 高頻電波傳播
頻率從3赫到30兆赫（波長從100米到10米）的無線電波，稱為高頻無線電波，又稱短波。
通常短波是經(jīng)電離層的反射而到達地面。所以短波廣泛應(yīng)用于各種距離的定點通信、國際通信及廣播、船岸間的航海移動通信和飛機地面間的航空移動通信等。
車輛移動電臺和軍用戰(zhàn)術(shù)小型電臺，也有用短波的地波傳播方式通信的，因為短波段的地波，隨距離增大而衰減很快，故只用于近距。
短波波段的優(yōu)點：相對長、中波段而言，得到相同傳輸效果，其發(fā)射功率較小，設(shè)備較簡單，成本較低。電波經(jīng)電離層反射或電離層地面間多次反射，可實現(xiàn)遠距離（數(shù)千到萬公里）的通信。但是短波也有嚴重的缺點：（1）通信不穩(wěn)定。國為電離層傳播有跳距現(xiàn)象，選擇工作頻率時有最高可用頻率的限制。為了適應(yīng)電離層的日變化、季變化和11年太陽黑子周期的變化，必需在不同的時間選用不同的頻率。如果通信距離較近（數(shù)百公里），還應(yīng)考慮射仰角隨電離層的變化。選頻不適當和天線仰角不適當，常是通信中斷的原因。電離層騷擾和核爆炸的影響，也可造成通信中斷。（2）短波電臺過分擁擠，互相干擾。這個由于歷史造成的問題，日益嚴重。當前解決的辦法是采用單邊帶制，并把不是必需在本波段的業(yè)務(wù)，移到別的波段去。（3）短波有嚴重的衰落，通常采用各種分集接收來克服。
l 甚高頻電波傳播
頻率從30兆赫到300兆赫（波長從10米到1米）的無線電波，稱為甚高頻無線電波，又稱米波或超短波。除了這頻段的低端還有可能被電離層反射外（在太陽活動高年及Es層），一般來說，它將穿透電離層而不被反射。因此這一頻電波主要傳播方式是視線傳播以及對流層和電離層的散射傳播。在一定條件下，也可采用障礙繞射傳播。這一頻段主要應(yīng)用于調(diào)頻廣播、電視廣播、陸上移動通信、航空移動通信、海上移動通信、定點散射通信、雷達、射電天文學(xué)等方面。
l 微波傳播
頻率從300兆赫到300千兆赫（波長從100厘米到1毫米）的無線電波（即分米波、厘米波及毫米波）稱為微波。微波與其他頻段的電波相比有如下的特點：微波天線的輻射波束可做得很窄，因而天線的增益較高，有利于定向傳播。其次微波的頻率很高，信道容量很大。這一波段的傳播方式，主要是視線傳播，低端部分也有用對流層散射傳播的。
由于微波具有上述特點，目前應(yīng)用的范圍很廣，如用于定點及移動通信、導(dǎo)航、雷達定位測速、衛(wèi)星通信、中繼通信、氣象以及天文學(xué)方面等。
(責(zé)任編輯：陳曉亮)