第十九講 地面波傳播

電波傳播§5.1電波傳播概述1.微波技術(shù)2.天線3.電波傳播三者都是研究無線電技術(shù)的一個重要組成部分，它們共同的基礎(chǔ)是電磁場理論，但三者研究的對象和目的有所不同?！?.1電波傳播概述微波技術(shù)主要研究引導(dǎo)電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中如何進行有效的傳輸，它希望電磁波按一定要求沿傳輸系統(tǒng)無輻射地傳輸。天線是將微波導(dǎo)行波變成向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒖臻g的電磁波變?yōu)槲⒉ㄔO(shè)備中的導(dǎo)行波。

轉(zhuǎn)換器功能。電波傳播研究電波在空間的傳播方式和特點?！?.1電波傳播概述無線電波頻率范圍：頻率從幾十Hz到3000GHz（波長從幾十兆m到0.1mm）無線電波傳播：發(fā)射天線或者自然輻射源所輻射的無線電波，通過媒質(zhì)到達(dá)觀察點的過程無線電波研究對象及其應(yīng)用：總體來說就是研究各種媒質(zhì)中電磁波的傳播規(guī)律§5.1電波傳播概述無線電波研究對象對無線電波傳播媒質(zhì)特性的研究研究媒質(zhì)的電特性對電波傳播的影響無線電波研究的應(yīng)用不斷完善對現(xiàn)有幾種傳播方式的傳播機制、傳輸特性的研究，提高接收點場強計算的準(zhǔn)確度與精度加強對于新開拓頻段的電波傳播問題的研究不斷擴大無線電波在其他科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用eg：醫(yī)療光子帶隙結(jié)構(gòu)--自然界中的例子

蝴蝶蛋白石海鼠§5.1電波傳播概述電波傳播主要方式：地面波傳播天波傳播視距傳播對流層散射傳播波導(dǎo)傳播§5.1電波傳播概述地面波傳播無線電波沿著地球表面?zhèn)鞑?，特點是信號比較穩(wěn)定，但電波頻率愈高，地面波隨距離的增加衰減愈快。所以，只適用于長波和中波波段天波傳播電波經(jīng)高空電離層反射回來而到達(dá)地面接收點。長，中，短波都可以利用天波進行遠(yuǎn)距離通信§5.1電波傳播概述視距傳播收、發(fā)天線離地面高度遠(yuǎn)大于波長，電波直接從發(fā)射天線傳到接收地點（有時有地面反射波）。這種傳播方式僅限于視線距離之內(nèi)。目前廣泛應(yīng)用的微波接力電路和衛(wèi)星通信電路的傳播方式均屬這種傳播方式對流層散射傳播利用對流層和電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過大氣時的電離余跡對電磁波的散射作用實現(xiàn)超視距傳播。主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通信§5.1電波傳播概述波導(dǎo)傳播電波在電離層下緣和地面所組成的同心球殼形波導(dǎo)內(nèi)的傳播。長波，超長波或極長波利用這種傳播方式能以較小的衰減進行遠(yuǎn)距離通信。以上五中傳播方式，在實際通信中往往取其一種作為主要的傳播途徑，但并不排除某些條件下幾種傳播途徑并存的可能性。電波傳播的研究重點電波傳播基本概念無線電波在自由空間內(nèi)的傳播自由空間嚴(yán)格來講是真空，只是一種理想情況實際上，總要受到存在媒質(zhì)以及障礙物的不同程度的影響，提出自由空間傳播概念只提供一個比較標(biāo)準(zhǔn)，簡化各種信道傳輸損耗的計算傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響實際中電波是在各種空間場所內(nèi)（地表，低空大氣層，電離層等）傳播的，各種媒質(zhì)必然要對傳輸信號產(chǎn)生影響，例如使得信號衰減、畸變或者使電波的極化形式改變；引入干擾、使接收端信噪比下降；改變電波的傳播方向或傳播速度等。此外，某些媒質(zhì)例如電離層的電參數(shù)具有明顯的隨機性，使得通過它而傳輸?shù)碾娦盘栆彩且粋€隨機信號，因此必須考慮實際媒質(zhì)對于電波傳播的影響。電波傳播的研究重點§5.2電波傳播基本概念1傳輸損耗2衰落現(xiàn)象3傳輸失真4電波的折射、反射和繞射現(xiàn)象5干擾與噪聲的影響研究方法幾何光學(xué)法：射線理論—直射、反射、繞射物理光學(xué)法：電流近似積分場論方法：Maxwell方程關(guān)鍵問題損耗定義：實際接收場強和自由空間場強之比衰落：吸收性衰落、干涉性衰落失真：隨機多徑效應(yīng)、色散效應(yīng)地面波傳播天線接近地面，最大輻射方向沿地面時形成的以地球表面作為導(dǎo)波系統(tǒng)沿地面?zhèn)鞑サ碾姴?。其特點是信號穩(wěn)定，多徑干擾小。對于長波傳播，除高山以外都可以看作平坦地面，最主要的參數(shù)變?yōu)橥寥赖慕殡娤禂?shù)、導(dǎo)電率、介磁常數(shù)、地質(zhì)相對介電常數(shù)導(dǎo)電率（西/米）范圍平均范圍平均海水80800.66-6.64淡水80800.001-0.0240.001濕土10-30200.003-0.030.01干土2-640.00001-0.0020.001地面波傳播的菲涅爾區(qū)如上圖所示：電波在空氣（x>0）和地面（X<0）交界面上傳播，以發(fā)射天線中心T和接收天線中心R為焦點的橢球稱為電波傳播過程中的“菲尼爾區(qū)”。當(dāng)收發(fā)距離較遠(yuǎn)時，橢球非常狹長，此時可認(rèn)為場沿y軸幾乎不變。第一菲涅爾區(qū)：§5.3地面波傳播地面波傳播討論地面波傳播時，一般是將對流層視為均勻媒質(zhì)，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。土壤的電參數(shù)：由于大地是半導(dǎo)電媒質(zhì)，因此必須考慮電導(dǎo)率對電波傳播的影響。設(shè)電磁場隨時間作簡諧振蕩（），在無源線性各向同性、半導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)，麥?zhǔn)系谝?、二方程的?fù)數(shù)形式為§5.3地面波傳播將第一方程改寫為

括號中可視為等效介電常數(shù)，用表示，即（5-14）（5-13）（5-12）§5.3地面波傳播式中的實數(shù)部分就是大地的介電常數(shù)，反映媒質(zhì)的極化特性，虛數(shù)部分表示媒質(zhì)的導(dǎo)電情況，表示媒質(zhì)是有耗媒質(zhì)。復(fù)介電常數(shù)是表征地質(zhì)電特性的重要參數(shù)。其相對復(fù)介電常數(shù)為(5-15)§5.3地面波傳播將真空的介電常數(shù)值代入上式中，得到在交變電磁場的作用下，大地土壤內(nèi)既存在有位移電流又存在有傳導(dǎo)電流，位移電流密度為，傳導(dǎo)電流密度為。通常將傳導(dǎo)電流密度與位移電流密度的比值看作是導(dǎo)體和電介質(zhì)的分界線，若，則媒質(zhì)具有良導(dǎo)體性質(zhì)；，則媒質(zhì)具有電介質(zhì)性質(zhì)。(5-16)地波傳播的理論分析導(dǎo)波一般解流圖

地波傳播的理論分析采用分離變量法同樣可以得到縱向方程變?yōu)椋嚎v向分量沿y方向不變空氣中的場大地中的場地面波傳播的邊界條件1、連續(xù)性邊界條件：在x=0的分界面上要求電場強度和磁場強度的切向分量連續(xù)，電位移矢量、磁感應(yīng)強度的法向分量連續(xù)2、有限邊界條件，在場趨向于0TE（水平極化）Ez=0X>0X<0TE（水平極化）根據(jù)邊界連續(xù)條件（x=0）二者不能滿足意味著地面波傳播中不存在橫電磁波的傳播模式；或者說水平極化波將快速衰減TM（垂直極化）Hz=0X>0X<0TM（垂直極化）邊界連續(xù)條件TM（垂直極化）參數(shù)TM（垂直極化）良導(dǎo)體參數(shù)K1有正的實部，所以E1的表達(dá)式中取exp(jk1x)，以滿足在x

正無窮大時場有限并且由于K1與導(dǎo)電率相關(guān)，所以空氣中場的分布受大地參數(shù)的影響K2有負(fù)的實部，所以E2的表達(dá)式中取exp(jk2x)，以滿足在x

負(fù)無窮大時場有限大地的導(dǎo)電率較大時，場僅能穿透大地的很淺一部分，但此時衰減減小。Z方向傳播因子中有一正的實部，可見由于電磁波沿地表傳播時具有衰減。TM（垂直極化）X=0處的場量由于E的z分量和x分量幅度的差別，形成了合成場量隨相位呈橢圓變化，在干土中，幾乎成沿長軸的線極化波。稱為波面傾斜。地面波場強的計算短距離理想地平面波的場強估算：作業(yè)：電波在濕土表面?zhèn)鞑ヌ炀€