第7章微波技术与天线.ppt

7.1电波传播的基本概念 7.2 视距传播 7.3 天波传播 7.4 地面波传播 7.5 不均匀媒质的散射传播 2. 无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。 根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为 其折射率为 式中, f为电波的频率。 (7-3-1) (7-3-2) 当电波入射到空气—电离层界面时, 由于电离层折射率小于空气折射率, 折射角大于入射角, 射线要向下偏折。当电波进入电离层后, 由于电子密度随高度的增加而逐渐减小, 因此各薄片层的折射率依次变小, 电波将连续下折, 直至到达某一高度处电波开始折回地面。 可见, 电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。  如图 7 - 10, 在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得  n0 sinθ0=n1 sinθ1=…= ni sinθi 式中, n0为空气折射率, n0=1,θ0为电波进入电离层时的入射角。 (7-3-3) 图 7 –10 电离层对电波的连续折射 上式揭示了天波传播时, 电波频率f(Hz)与入射角θ0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。 由此引入下列几个概念:  (7-3-4) (7-3-5) 设电波在第i层处到达最高点, 然后即开始折回地面, 则将θi=90°代入上式得 或 （1） 最高可用频率 由式（7 -3 -5）可求得当电波以θ0角度入射时, 电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为 (7-3-6) 式中, Nmax为电离层的最大电子密度。 也就是说, 当电波入射角θ0一定时, 随着频率的增高, 电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时, 由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度, 因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，见图 7-11 所示, 这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。 （2） 天波静区 由式（7 -3 -4）可得电离层能把频率为f(Hz)的电波“反射”回来的最小入射角θ0 min为 由于入射角θ0＜θ0min的电波不能被电离层“反射”回来, 使得以发射天线为中心的、一定半径的区域内就不可能有天波到达, 从而形成了天波的静区。  (7-3-7) 图 7 – 11 θ0 一定而频率不同时的射线 图 7 – 12 频率一定时通信距离与入射角的关系 （3） 多径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线, 各根射线的入射角稍有不同, 它们将在不同的高度上被“反射”回来, 因而有多条路径到达接收点（图 7 - 13）, 这种现象称为多径传输。  图 7 – 13 多径效应 （4） 最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量, 使电波发生衰减, 但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。因此，为了减小电离层对电波的吸收, 天波传播应尽可能采用较高的工作频率。   fopt=0.85fmax 还需要注意的是, 电离层的D层对电波的吸收是很严重的, 夜晚, D层消失, 致使天波信号增强, 这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。  总之, 天波通信具有以下特点: ① 频率的选择很重要, 频率太高, 电波穿透电离层射向太空; 频率太低, 电离层吸收太大, 以致不能保证必要的信噪比。 因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。 ② 天波传播的随机多径效应严重, 多径时延较大, 信道带宽较窄。 ③ 天波传播不太稳定, 衰落严重, 在设计电路时必须考 虑衰落影响, 使电路设计留有足够的电平余量。  ④ 电离层所能反射的频率范围是有限的, 一般是短波范围。 由于波段范围较窄, 因此短波电台特别拥挤, 电台间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸收减小, 电波传播条件有所改善, 台间干扰更大。  ⑤ 由于天波传播是靠高空电离层的反射, 因而受地面的吸收及障碍物的影响较小, 也就是说这种传播方式的传输损耗较小, 因此能以较小功率进行远距离通信。  ⑥ 天波通信, 特别是短波通信, 建立迅速，机动性好, 设备简单, 是短波天波传播的优点之一。