第9章 地面波傳播

第9章地面波傳播

9.0媒質(zhì)對電波的影響9.1地球表面電特性9.2地面波的傳播特性9.3地面波場強的計算9.4地面不均勻性對地面波傳播的影響本章內(nèi)容無線電波傳播的實際媒質(zhì)包括地球環(huán)境和宇宙空間。主要有兩方面：電波在其中傳播時受媒質(zhì)的電參數(shù)的影響；電波遇到不同媒質(zhì)交界面的影響媒質(zhì)對平面波的影響

均勻媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)

為了既反映媒質(zhì)的介電性εr，又反映媒質(zhì)的導電性σ，可采用相對復(fù)介電常數(shù)其中,ε0＝1/36π×10-9F/m；λ是自由空間波長。對極大多數(shù)媒質(zhì)即半導電媒質(zhì)中的電磁波均勻絕緣介質(zhì)中介質(zhì)折射率半導電媒質(zhì)中半導電媒質(zhì)中折射率媒質(zhì)吸收系數(shù)相位常數(shù)衰減常數(shù)因媒質(zhì)吸收能量而振幅衰減，衰減快慢與介質(zhì)和頻率有關(guān)。傳播速度與介質(zhì)和頻率有關(guān)。色散：電波傳播的相速與頻率有關(guān)的現(xiàn)象。電波在半導電媒質(zhì)中傳播傳播速度媒質(zhì)吸收系數(shù)判斷某種媒質(zhì)是呈現(xiàn)導電性還是介電性

判斷標準通常把傳導電流密度Jf與位移電流密度JD作為衡量標準。當傳導電流比位移電流大得多,即60λσ/εr>>1時，媒質(zhì)具有良導體性質(zhì)；當位移電流比傳導電流大得多,即60λσ/εr<<1時，可視為電介質(zhì)；而二者相差不大時，稱為半導電介質(zhì)。不同介質(zhì)分界面上的反射與折射反射波：入射角等于反射角折射波：入射角與折射角與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)n1n2地面波傳播GroundWavePropagation/表面波傳播Surface-WavePropagation

：無線電沿著地球表面?zhèn)鞑?。適用波段：中波、長波和超長波的遠距離導航、對潛通信；短波、超短波的軍事近距離通信、偵察和干擾。優(yōu)點：傳輸損耗小，作用距離遠；受電離層擾動影響??；傳輸情況穩(wěn)定，有較強穿透土壤和海水的能力。缺點：大氣噪聲電平高，工作頻帶窄。9.1地球表面電特性地球結(jié)構(gòu)示意圖

地面對電波傳播的影響主要表現(xiàn)為兩個方面：地面的不平坦性，當?shù)孛嫫鸱黄降某潭认鄬τ陔姴úㄩL來說很小時，地面可近似看成是光滑地面。對于長波和中波傳播，除高山外均可視地面為平坦的。地質(zhì)的情況，主要研究它的電磁特性。描述大地電磁特性的主要參數(shù)是介電常數(shù)ε（或相對介電常數(shù)εr）、電導率σ和磁導率μ。地面的電參數(shù)

地質(zhì)導電性與介電性的衡量：60λσ/εr>>1時，大地具有良導體性質(zhì);60λσ/εr<<1時，可將大地視為電介質(zhì);而二者相差不大時，為半電介質(zhì)。各種地質(zhì)的60λσ/εr值

9.2地面波的傳播特性當天線設(shè)置在緊靠地面上時，天線輻射的電波是沿著半導電性質(zhì)和起伏不平的地表面進行傳播的。一方面由于地表面的半導電性質(zhì)，使電波的場結(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行。地面波傳播還與電波的極化有關(guān)，理論計算和實驗均證明地面波不宜采用水平極化波傳播。水平極化和垂直極化波的地面衰減

波前傾斜現(xiàn)象是指由于地面損耗造成電場向傳播方向傾斜的一種現(xiàn)象，地面波傳播的重要特點之一。波前傾斜現(xiàn)象xE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(b)E1(a)電場方向(b)坡印廷矢量方向由于地面是半導電媒質(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分量地面波的場結(jié)構(gòu)波沿z軸方向傳播yOz面為地平面下標“1”表示在空氣內(nèi)下標“2”表示在大地內(nèi)利用邊界條件，有若地面滿足M.A.列翁托維奇近似邊界條件：利用邊界條件又在空氣中有:在界面大地一側(cè)的電、磁場水平分量之間滿足地面波各場分量

式中地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量若已知E1x地面波傳播特性地面波傳播采用垂直極化波，天線則多采用直立天線的形式。波前傾斜現(xiàn)象具有很大的實用意義。可以采用相應(yīng)形式的天線，有效地接收各場強分量。地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量

波前傾斜角為地面上電場為狹長橢圓極化波。在短波、超短波段，垂直分量與水平分量相位差趨于零，所以可近似認為電場是與橢圓長軸方向一致的線極化波。地面波在傳播過程中有衰減。沿-x方向傳播的功率流密度頻率越低，地面對電波的吸收越小。因此地面波傳播方式特別適用于長波、超長波波段。電波的傳輸損耗傳播較穩(wěn)定。由于大地的電特性、地貌地物等不會隨時改變，并且地面波基本上不受氣候條件的影響，故地面波傳播信號穩(wěn)定。有繞射損耗。障礙物越高，波長越短，則繞射損耗越大。長波繞射能力最強，中波次之，短波較弱，而超短波繞射能力最弱。9.3地面波場強的計算

千米時，必須考慮球面地造成的繞射損耗。地面衰減因子輻射功率方向系數(shù)一般計算E1x有效值的表達式為

工程應(yīng)用上，常采用國際無線電咨詢委員會（CCIR）推薦的一組曲線（布雷默Bremmer計算曲線），來計算E1x。使用條件是：（1）假設(shè)地面是光滑的，地質(zhì)是均勻的；（2）發(fā)射天線使用短于λ/4的直立天線（其方向系數(shù)D≈3），輻射功率Pr＝1kW；（3）計算的是E1x的有效值。海水表面?zhèn)鞑デ€濕地表面?zhèn)鞑デ€干地表面?zhèn)鞑デ€當Pr≠1kW，D≠3時，則換算關(guān)系為當Pr=1kW，D=3時9.4地面不均勻性對地面波傳播的影響

近似計算方法假設(shè)電波在第2段路徑遭受到的吸收與第1段的吸收無關(guān)，可以分段計算。首先按下式計算B點的場強:式中A1(r1)是第1種地面上距離為r1的衰減因子。如果把第1段地面用與第2段性質(zhì)相同的地面代替，則要在B點保持場強不變，天線輻射功率應(yīng)由原來的Pr調(diào)整到一個新的數(shù)值P′r，其大小由下式確定:所以式中A2(r1)是地質(zhì)為ε2、σ2，距離為r1的衰減因子?，F(xiàn)在，輻射功率P′r

在完全是第2種地質(zhì)情況下傳播至C點的場強就被認為是原來的數(shù)值。因而可求得C點的場強為式中,E1(r1)是電波在第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強;E2(r1)是以第2種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播r1距離后的場強;E2(r1＋r2)是以第2種媒質(zhì)代替第1種媒質(zhì)傳播r1+r2距離后的場強。

——不滿足互易原理。

為了補救這一缺點，密林頓（Millington）提出取兩者的幾何平均作為近似解，即接收點場強為

用上述方法計算場強雖然不嚴格，但方法簡便，結(jié)果符合工程要求，所以應(yīng)用很廣。上述方法可以推廣到多種不同電參數(shù)組成的混合路徑的傳播。

對電波在不同性質(zhì)地面上的傳播進行計算，所得結(jié)果對于合理選擇收發(fā)兩點的地質(zhì)情況具有重要意義。三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑ナ疽鈭D例如，在下圖所示的條件下，地面波從A點出發(fā)，經(jīng)混合路徑到達B點，可算出衰減因子。三段不同性質(zhì)地面?zhèn)鞑サ乃p因子

由圖可見，雖然總的路徑是相等的，但“海洋-干土-海洋”的路徑損耗小于“干土-海洋-干土”的路徑損耗。這說明地面波路徑的各段起的作用不相同，鄰近發(fā)射天線和接收天線的地區(qū)，對地面波的吸收起決定性的作用，而路徑中段的地質(zhì)情況對整個路徑衰減的影響不如兩端大?？梢园训孛娌ǖ膫鞑ミ^程和飛機的飛行相比擬，好像電波是從發(fā)射天線地區(qū)起飛，在離開地表面一定高度上向接收天線方