第四部分地面波傳播

1、第四部分 地面波傳播沿地球表面的無線電波傳播稱為地面波傳播, 簡(jiǎn)稱地波傳播(Propagation of Ground Wave), 其特點(diǎn)是信號(hào)比較穩(wěn)定。當(dāng)天線設(shè)置在緊靠地面上時(shí)，天線輻射的電波是沿著半導(dǎo)電性質(zhì)和起伏不平的地表面進(jìn)行傳播的。一方面由于地表面的半導(dǎo)電性質(zhì)，使電波的場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并引起電波吸收；另一方面由于地球表面呈現(xiàn)球形使電波傳播的路徑按繞射的方式進(jìn)行。地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。由圖可見，水平極化波的衰減因子Ah遠(yuǎn)大于垂直極化波的衰減因子Av。這是因?yàn)殡妶?chǎng)水平極化時(shí)，電場(chǎng)平行于地面，傳播中在地面引起較大的感應(yīng)電流，致使電波產(chǎn)

2、生很大衰減。水平極化和垂直極化波的地面衰減 4一、地面波傳播的場(chǎng)分布波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場(chǎng)向傳播方向傾斜的一種現(xiàn)象，地面波傳播的重要特點(diǎn)之一。(a)電場(chǎng)方向 (b)坡印廷矢量方向波前傾斜現(xiàn)象波前傾斜現(xiàn)象的解釋1設(shè)直立天線沿x軸放置，輻射垂直極化波，電波能量沿z軸傳播，輻射場(chǎng)為Ex1和Hy1。當(dāng)某瞬間Ex1位于A點(diǎn)，在地面上必然會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷。當(dāng)波向前傳播時(shí)，便產(chǎn)生了沿z方向的感應(yīng)電流。由于大地是半導(dǎo)電媒質(zhì)，有一定的地電阻，故在z軸方向產(chǎn)生電壓降，也即在z方向產(chǎn)生新的水平分量Ez2。由于邊界電場(chǎng)切向分量連續(xù)，即存在Ez1，這樣靠近地面的合電場(chǎng)E1就向傳播方向傾斜。波前傾斜現(xiàn)象的解釋

3、2從能量的角度看，由于地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，電波沿地面?zhèn)鞑r(shí)產(chǎn)生衰減，這就意味著有一部分電磁能量由空氣層進(jìn)入大地內(nèi)。坡印亭矢量的方向不再平行于地面而發(fā)生傾斜，出現(xiàn)了垂直于地面向地下傳播的功率流密度Sx1，這一部分電磁能量被大地吸收。由電磁理論知道，坡印亭矢量是與等相面即波前垂直的，故當(dāng)存在地面吸收時(shí)，在地面附近的波前將向傳播方向傾斜。顯然，地面吸收越大，Sx1越大，傾斜將越嚴(yán)重。只有沿地面?zhèn)鞑サ腟z1分量才是有用的。波前傾斜現(xiàn)象由于地面是半導(dǎo)電媒質(zhì)，低架直立天線輻射的垂直極化波將在傳播方向上存在電場(chǎng)分量。天線沿x軸放置，電磁波的傳播方向?yàn)閦方向。 yOz平面為兩媒質(zhì)的分界面, x0的上半無限大空間

4、的媒質(zhì)為空氣, xr+1弱導(dǎo)電地面，x-0.7時(shí), J(v)可按下式近似計(jì)算: 圓形障礙繞射衰減當(dāng)目標(biāo)被圓頂障礙遮蔽時(shí), 其繞射衰減為其中當(dāng)v0且1時(shí), 有當(dāng)7(1+2v)1時(shí), 障礙可視為刃形。 五、地下與水下傳播1、地下波的傳播方式地下與水下傳播方式與輻射源所處的位置和具體環(huán)境情況等有關(guān)，主要有：淺地層的超越傳播方式這種傳播方式是將收/發(fā)天線分別水平埋設(shè)在淺層地殼中, 深度可為幾米或十幾米。發(fā)射天線所輻射的無線電波在地層內(nèi)垂直向上傳播, 其場(chǎng)強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減, 稱為穿透損耗。遇到兩種介質(zhì)層會(huì)產(chǎn)生折射損耗。也可穿出地面形成地波或一定仰角的天波。 穿透損耗和折射損耗與地質(zhì)電導(dǎo)率和無線電波頻率f

5、有一定的關(guān)系。地質(zhì)愈大，穿透損耗和折射損耗愈大; 但頻率愈高, 穿透損耗愈大, 折射損耗愈小因此，地下天線最好埋在巖層電導(dǎo)率較低的地層中。 對(duì)于工作頻率的選擇, 還需要結(jié)合無線電波穿過地層后傳播路徑的損耗情況而定。如無線電波是沿地表傳播的, 降低頻率可以減小穿透損耗和地面波的路徑傳輸損耗。 雖然折射損耗會(huì)增大, 但當(dāng)天線埋設(shè)較深或傳播距離較遠(yuǎn)時(shí), 折射損耗要比其他兩項(xiàng)損耗小很多。 因此, 為了減小總的無線電波傳播損耗, 應(yīng)選用較低的工作頻率。這種傳播方式的主要優(yōu)點(diǎn)是天線不需要埋得很深, 在工程上較易實(shí)現(xiàn)。 此外, 由于無線電波主要是通過低空大氣層、 電離層或是沿著空氣與大地的分界面?zhèn)鞑サ? 因

6、而傳播損耗較小(與地下波導(dǎo)傳播方式比較而言), 使用不太大的發(fā)射功率就可以達(dá)到一定的通信距離。 但這種傳播方式由于無線電波要穿出地層, 因而仍然要受到天電干擾及其他信號(hào)干擾的影響, 對(duì)提高信噪比來說沒有顯示出更多的優(yōu)越性。 通常使用的頻率范圍是長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波波段。 地下波導(dǎo)傳播方式收/發(fā)設(shè)備及天線均埋設(shè)在深層地殼中, 無線電波完全在地層內(nèi)傳播。其傳播損耗包括兩部分（缺點(diǎn)）: 一部分是球面波傳播的擴(kuò)散損耗, 另一部分是由于巖石層對(duì)無線電波能量吸收而引起的介質(zhì)損耗, 特別是后者使得接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)相當(dāng)弱。優(yōu)點(diǎn)： 由于地表面的沖積層相對(duì)于巖石層而言是一種電導(dǎo)率較高的地質(zhì), 它對(duì)地面上的大氣噪聲(這是低頻

7、、 甚低頻頻段的主要噪聲來源)也起到了很好的屏蔽作用。這種傳播方式存在兩個(gè)難題: 一是由于地下傳播損耗很大, 要達(dá)到一定的通信距離需要很大的發(fā)射功率以及由此帶來的供電、 冷卻、 工程設(shè)施等一系列的問題； 二是如何保持這種波導(dǎo)在水平方向上的連續(xù)性問題，地殼中的某些地區(qū)可能出現(xiàn)深陷或斷裂都將破壞無線電波傳播預(yù)定的正常途徑。2、水下波的傳播與叢林通信水下通信的無線電波傳播方式與上述的地下通信有極大的相似性。目前, 水下無線電通信主要是指岸上基地對(duì)潛艇的指揮通信和潛艇對(duì)岸上基地的上報(bào)通信。 由于海水是高電導(dǎo)率的媒質(zhì), 無線電波在其中傳播損耗很大，因此必須選用頻率很低的波段。 叢林通信（是指在熱帶、亞熱帶叢林地區(qū)進(jìn)行的通信）的無線電波傳播方式也類似上述情況。 在熱帶、 亞熱帶叢林中, 由于山高、 林密， 叢林的濃密枝葉對(duì)無線電波的吸收很大, 天線置于其中類似置于半導(dǎo)電的媒質(zhì)之內(nèi)。無線電波傳播的主要途徑是“上-越-下”方式, 即無線電波穿出叢林或沿著叢林以地面波方式傳播, 或是經(jīng)高空