廣電局講義培訓 電磁場知識培訓 各波段電波傳播方式和特點

1、一電磁場基本性質(zhì)：1電場和磁場：靜止電荷產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于帶電體有力的作用，這種場稱為電場。不隨時間變化的電場稱為靜電場。運動電荷或電流產(chǎn)生的場表現(xiàn)為對于磁鐵和載流導體有力的作用，這種物質(zhì)稱為磁場。不隨時間變化的磁場稱為恒定磁場。2. 電磁波及麥克斯韋方程： 如果電荷及電流均隨時間改變，它們產(chǎn)生的電場及磁場也是隨時變化的，時變的電場與時變的磁場可以相互轉化，兩者不可分割，它們構成統(tǒng)一的時變電磁場。時變電場與時變磁場之間的相互轉化作用，在空間形成了電磁波。靜電場與恒定磁場相互無關、彼此獨立，可以分別進行研究。 3. 物質(zhì)屬性 電磁場與電磁波雖然不能親眼所見，但是客觀存在的一種物質(zhì)，因為它具有物質(zhì)

2、的 兩種重要屬性：能量和質(zhì)量。但電磁場與電磁波的質(zhì)量極其微小，因此，通常僅研究電磁場與電磁波的能量特性。電磁場與電磁波既然是一種物質(zhì)，它的存在和傳播無需依賴于任何媒質(zhì)。在沒有物質(zhì)存在的真空環(huán)境中，電磁場與電磁波的存在和傳播會感到更加“自由”。因此對于電磁場與電磁波來說，真空環(huán)境通常被稱為“自由空間”。 當空間存在媒質(zhì)時，在電磁場的作用下媒質(zhì)中會發(fā)生極化與磁化現(xiàn)象，結果在媒質(zhì)中又產(chǎn)生二次電場及磁場，從而改變了媒質(zhì)中原先的場分布，這就是場與媒質(zhì)的相互作用現(xiàn)象。4. 歷史的回顧與電磁場與波的應用公元前600年希臘人發(fā)現(xiàn)了摩擦后的琥珀能夠吸引微小物體；公元前300年我國發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的現(xiàn)象；后來人們發(fā)

3、現(xiàn)了地球磁場的存在。1785年法國科學家?guī)靵觯?7361806）通過實驗創(chuàng)建了著名的庫侖定律。1820年丹麥人奧斯特（17771851）發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生的磁場。同年法國科學家安培（17751836）計算了兩個電流之間的作用力。1831年英國科學家法拉第（17911867）發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，創(chuàng)建了電磁感應定律，說明時變磁場可以產(chǎn)生時變電場。1873年英國科學家麥克斯韋（18311879）提出了位移電流的假設，認為時變電場可以產(chǎn)生時變磁場，并以嚴格數(shù)學方程描述了電磁場與波應該遵循的統(tǒng)一規(guī)律，這就是著名的麥克斯韋方程。該方程說明了時變電場可以產(chǎn)生時變磁場，同時又表明時變磁場可以產(chǎn)生時變電場，因此麥克斯

4、韋預言電磁波的存在，后來在1887年被德國物理學家赫茲（18571894）的實驗證實。在這個基礎上俄國的波波夫及意大利的馬可尼于19世紀末先后發(fā)明了用電磁波作為媒體傳輸信息的技術。 靜電復印、靜電除塵以及靜電噴漆等技術都是基于靜電場對于帶電粒子具有力的作用。電磁鐵、磁懸浮軸承以及磁懸浮列車等，都是利用磁場力的作用。當今的無線通信、廣播、雷達、遙控遙測、微波遙感、無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。以上新技術的廣泛應用又促進了電磁理論的發(fā)展。由此創(chuàng)建了很多分析電磁場與波的新方法，研制了很多電磁性能優(yōu)越的新材料。特別是隨著大容量的高性能及高速度計

5、算機出現(xiàn)，不但解決了很多電磁理論的計算問題，同時也萌生了計算電磁場與波的新方法，從而形成計算電磁學的新學科，它是當今電磁學的重要分支。 二大氣層結構及其電磁特性2.1 大氣層的不同分類地球大氣層分為低層（約千里以下）和高層，整個大氣層的垂直結構可按不同的方式劃分，其中按溫度劃分：對流層、平流層、中層、熱層、和逃逸層按成分劃分：均勻?qū)?、非均勻?qū)?、氫層和質(zhì)子層按電磁性劃分：中性大氣層（從對流層到平流層）、電離層和磁層（參圖一）下面著重討論對流層、平流層、電離層和磁層的組成和電磁特性圖一地球大氣層的一種劃分2.2 對流層的組成及對流層與大氣三要素的關系對流層是靠近地球表面大氣的最低層,主要成份是氮、

6、氧、氫、二氧化碳和水汽混合物，是具有旋轉氣團、各種云層、暖鋒、冷鋒、雨雪和風暴活動的湍動區(qū),平均高度為11千米,呈中性狀態(tài)。它對超短波和微波傳播的影響甚大，主要表現(xiàn)為對電波的折射衰減和散射，其折射率n和折射指數(shù)n受溫度、壓強、濕度氣象三要素的控制，對其它波段的無線電波，可將對流層視為自由空間處理。 2.3 平流層的性質(zhì)平流層是指從對流層頂?shù)?0km高度的大氣層。平流層中各分層排列有序并不混合，20km以下的平流層的溫度基本保持不變,所以又稱為同溫層。在20-50km高度范圍內(nèi)，其溫度在逐漸升高，到達50km約的最大值。除臭氧外，這一區(qū)域中的大氣化學成分基本恒定不變。臭氧能吸收太陽的紫外輻射，然

7、后向平流層釋放熱量，使大氣層維持熱平衡，另外臭氧還能吸收太陽紫外輻射，對地球的生態(tài)環(huán)境和生命活動起著巨大的保護作用。2.4 電離層的形成、結構、成分電離層是中性大氣層和磁層之間的過渡區(qū)域，稀薄的大氣受太陽輻射的紫外線，x射線和各種微粒輻射的作用，電離為自由電子和離子,加之電離作用較快,復合作用較慢,致使電離層中存在的自由電子和離子,數(shù)量上足以影響無線電波的傳播,一般認為其高度大約從60千米延伸到1000千米左右,其中電子密度變化達四個量級,在某些簡化假設下,查普曼從電離與復合平衡出發(fā)提出了電離層的簡單形成理論(a、大氣僅由一種成分的氣體組成，且為平面分層。b、太陽光為平行的單色輻射。c、大氣處

8、于平衡和等溫狀態(tài)。d、重力加速度不隨高度變化),電離層的結構為d層：高度6090千米,白天存在,夜間消失。是電波的主要吸收區(qū)域e層：高度90150千米,平均高度110千米附近，變化范圍從/到/，夜間減小一個量級，有/秒的量級，受太陽天頂角變化影響，服從查普曼分布規(guī)律。f層：高度180400千米高度范圍，夏季白天又有層和層之分，在/之間變化，有/秒的量級。層特性變化復雜，受太陽活動性，地磁變化等因素影響。電離層結構和成分隨時空而異，但其特性變化并非不可琢磨。通過長期實驗觀測表明，電離層特性有規(guī)則變化和不規(guī)則變化之分，其中規(guī)則變化：日變季變（與太陽天頂角有關）。 隨地磁（或地理）經(jīng)緯度而變。 隨太

9、陽的11年活動周期函而變化，因此層臨界頻率與太陽黑子數(shù)r表現(xiàn)出正的相關性。不規(guī)則變化：突發(fā)e層（或?qū)樱U展f層。電離層暴。2.5 磁層磁層是地球磁場所控制的空間區(qū)域，其中向日面一側離地面約10個地球半徑的距離，背日面一邊向后延伸象數(shù)十甚至上百個地球半徑長的彗星一樣，故稱磁尾，太陽風中的帶電粒子常從磁尾和極尖區(qū)進入地球大氣壓層，影響電離層，并形成磁暴和極光等地球物理現(xiàn)象。電磁波穿過電離層，甚至在離地球更遠的磁層和行星際媒質(zhì)中的傳播，正在受到人們的關注：1、天線頻率要超過最大可用頻率，才能穿過電離層進入太空。2、電波沿地球磁力線的導引問題。3、對調(diào)頻波段觀測到“宇宙回波”現(xiàn)象的解釋。4、穿過地球

10、大氣層，并沿地球磁力線傳播的哨聲等甚低頻電磁波在磁層中的傳播。 2.6 日地空間 太陽與地球之間延伸的范圍是日地空間，其中有變化的是電場和磁場，電磁輻射和各種等離子體波動等等。它們以復雜的方式相互作用。太陽周圍有強的磁場，由于太陽自身的轉動（約27天一個周期），故在日地空間的星際磁場呈扇形結構，一些太陽事件，如太陽爆發(fā)，太陽耀斑等等都會直接或間接影響近地區(qū)域的環(huán)境，這些事件可破壞地面無線電通信、雷達、長途電信和輸電網(wǎng)的正常工作，甚至干擾宇宙飛船中的電子設備等。 三各電波波段傳播方式和特點：3.1 電磁波波段的粗略劃分及幾種電波傳播途徑a、電磁波波段的粗略劃分名稱長波中波短波超短波微波光波頻率范

11、圍300khz3003000khz330mhz301000mhz1g300ghz150thz波長范圍1001km1km100m100m10m10m30cm30cm1mm3000.006mb、地波傳播 地表面象導電體一樣，也有引導電磁波傳播的能力，這種沿地表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ň徒凶龅夭ɑ虮砻娌?。由于地球表面的彎曲，地波主要是由繞射形成的繞地表面?zhèn)鞑サ臒o線電波，只有當波長與障礙物的高度可以比較時，才有繞射作用，所以實際上只有長波中波和短波的部分波段能夠繞過地面?zhèn)鞯捷^遠的地方去。為使地波傳得更遠，波場應是垂直極化的，因為水平分量會在地面引起傳導電流，從而增加傳輸損耗。地波傳播分兩類，一是沿地球表面彎曲傳

12、播的表面波，它包括長波中波和部分短波，靠繞射來實現(xiàn)。二是由直射波和經(jīng)地面反射波組成的“空間波”。c、對流層波無線電波在對流層中傳播時，由于介質(zhì)特性的非均勻性，會引起電波的折射散射現(xiàn)象。經(jīng)理論推導對流層中某處的曲率半徑與折射指數(shù)梯度關系到為：圖二折射的幾種形式散射的形成：對流層中，當一種空氣流運動到另一氣流上或潮濕和熱氣團的垂直運動，甚至于發(fā)生一連串的這種過程時，導致一種氣團完全進入有不同溫度和濕度的相臨區(qū)域，進而形成湍流不均勻體。當無線電波投射到這種湍流不均勻體上時，其中每一個不均勻體中都必須有感應電流發(fā)生，因而這些湍流不均體，就如同基本偶極子一樣，成為一個二次輻射體，每個二次輻射體均對接收點

13、提供一個散射分量，這就是無線電波在對流層非均勻體上的散射作用，由這種非均勻體所散射的電波可到達從散射體上能看到的地面所接收點。d、電離層波電離層能反射無線電波，使得對無線電波的工作頻率擴展到短波頻譜，使傳播模式由地波改變?yōu)樘觳ā?、長波和超長波頻段頻率低，能滿足反射條件，可以用天波傳播，通常認為在由地面電離層組成的波導中傳播。因頻率低，電離層反射的電子濃度要求不大，白天在d層下邊界反射，夜間被e層反射，可認為幾乎不穿過電離層，地面和電離層的吸收損耗都很小。2、電離層對中波頻段的反射，要求電子濃度有更大的數(shù)值，常在e層被反射，白天中波經(jīng)d層e層的吸收比夜間經(jīng)過e層吸收要大得多，所以隨著黑夜的來臨

14、，對中波的吸收急劇減少，電離層波開始產(chǎn)生，加之地波的信號，以致使信號強度達到足夠電平，常出現(xiàn)白天收不到的信號晚上可能會被收到。3、短波的頻率的升高，使得電離層中f層是反射波，d層和e層是吸收層，同時因電離層的吸收作用，隨頻率增大而減少，使短波受到的吸收作用就不大，借助于電離層的一次和多次反射，短波可作為任何遠距離通訊之用。3.2 長波傳播方式和傳播途徑長波可沿地波傳播、無線電電波傳播、視距傳播、地下傳播、磁層傳播，但由于頻率很低、通頻帶很窄，收發(fā)設備笨重和需要龐大的天線等原因，視距傳播沒有什么應用價值，常用作全球海底通信、全球?qū)Ш?、核爆炸的探測、外空間的研究。長波在海水中傳播衰減率較中波、短波

15、小，而且能傳入海水約十多米至上百米的深度。波長越長，則傳播衰減率越小，能傳入海水的深度越大。至于土壤，則能傳入的深度更大些。電導率越小，能傳入的深度越大。長波能沿地面?zhèn)鞑浊踔翈兹f公里，用于遠距離通信廣播導航和報時等，而且沿地面到達接收點的長波都穩(wěn)定可靠。對長波，波長可達幾千甚至幾萬公里，這時由地面和電離層組成的球殼狀空腔會對電波產(chǎn)生諧振（共振）的作用，傳播的衰減特別小，可很容易的傳播幾萬公里。對長波而言，電離層的電氣性質(zhì)像良導體，能很好地反射它們。地面（土壤、海洋）也能很好地反射長波，電離層和土壤都是良導體，長波可由電離層和地面土壤交替?zhèn)鬟f到很遠距離。長波采用鉛垂極化方式傳播。3.3 中波

16、傳播方式和傳播途徑中波既可以沿地面繞射傳播相當遠的距離，也可以由電離層反射傳播到千里之外，采用鉛垂極化方式傳播。當整個傳播距徑全部進入背陽面時，中波()的場結構在黃昏發(fā)生顯著的變化。日落之后，電離層對中波的反射系數(shù)實際上等于1，白天雖然反射系數(shù)一般隨午后太陽高度的下降而有所增大，但仍然保持很小，約為。因為中波在電離層d區(qū)內(nèi)被強烈地吸收，因此，白天的中波完全由地球表面?zhèn)鞑サ牡夭ㄋ鶝Q定，而在夜間，即使在離發(fā)射機幾十公里的距離上，場就已經(jīng)是地球和反射波相迭加而成，這就是使場振幅增加并且作強烈變化的原因，這種變化還隨觀測者的距離的增加而加強。 電離層的非線性效應，使得中波通過時出現(xiàn)交叉調(diào)制（最明顯的例

17、子是晚上用收聽中波電臺易串臺），而且大多在夜間，相互作用的區(qū)域位于80km至100km的高度上，在不同的情況下，調(diào)制深度m的最大值在1%至8%的范圍內(nèi)變動。 但沿地面?zhèn)鞑r，因中波波長（100m1km）較短，當遇到的山峰的高度接近甚至大于中波波長時，會產(chǎn)生明顯的阻擋作用，使傳播損耗率增大，場強減小，傳播距離也減小。另外，在白天，由于電離層d層的強烈損耗，中波不可能由電離層反射傳播；因而不可能傳播很遠。在夜間，電離層d層消失，中波經(jīng)由e層反射傳播到千里之外，e層對中波的損耗要比d層小得多，產(chǎn)生日變化，且到了夜間，出現(xiàn)電離層反射的天波和地波相互干涉，使場強發(fā)生忽大忽小的嚴重衰落，外加強功率的短波能

18、量傾注電離層，容易形成交叉調(diào)制。 3.4 短波傳播方式和傳播途徑短波傳播除了靠電離層反射傳播外，還可以地面波空間波傳播，以及通過電離層的“反射”來實現(xiàn)，采用水平極化方式傳播。短波電離層傳播主要優(yōu)點是吸收不大。缺點是：由于f層結構穩(wěn)定，因此短波具有不穩(wěn)定的傳播條件，能觀察到深度的衰落，必須采用專門的辦法來克服。另外，短波傳播過程還有回波現(xiàn)象、漫反射現(xiàn)象、寂靜區(qū)等特點。 短波場強對距離和晝夜時間的依從關系隨頻率季節(jié)和太陽活動周期而明顯地改變,從數(shù)量上描述短波狀態(tài)的參數(shù)在很長的時間內(nèi)不會保持穩(wěn)定,其具有的一個顯著特點是,它們在一晝夜的任何時候都能夠在很遠的距離上傳播。在黃昏或季節(jié)改變時,只需要調(diào)整波

19、長就可以保證最好的遠距離可達范圍。短波的這一特點是由于它們在電離層反射中損耗很小的緣故。 由太陽光耀斑爆發(fā)產(chǎn)生的極強的x射線和紫外線輻射，以光速向外傳播，約經(jīng)8分多鐘到達地球，使白晝部分上空電離增強，尤其是d區(qū)的電子密度可比正常值大10倍以上。這種電離層的騷擾和電離層的暴亂使通訊質(zhì)量大大下降，甚至中斷。寂靜區(qū)（又稱死區(qū)）指的是圍繞發(fā)射機的一個環(huán)形區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)不可能接收到信號，而在這個區(qū)域外，均能滿意地接收信號。寂靜區(qū)的存在是由于：短波波段的地波受到很大衰減，不能達到寂靜區(qū)，而電離層波由于從電離層反射時存在著最大反射頻率，因而只能反射到寂靜區(qū)以外的地點。 3.5 超短波傳播方式和傳播途徑它們在作視距傳播（空間波）時，主要是受對流層大氣的影響，同時受地球表面上地物地