第 7章电波传播概论
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
第 7章 电波传播概论
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第 7章电波传播概论
第 7章 电波传播概论
7.1电波传播的基本概念
1,
天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性
天线,若它的辐射功率为 PΣ瓦,则离开天线 r处的球面上的功率
流密度为
S0=
功率流密度又可以表示为
)/(
4
2
2 mwr
p
?
?
s
第 7章电波传播概论
?120
)R e (
2
1
2
0
0
E
nHEs
?
? ???
由此,离天线为 r处的电场强度 E0值为
r
P
E ??
30
0
又假设发射天线是一实际天线,其辐射功率仍为 PΣ,设它的
输入功率为 Pi,若以 Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天
线 r处的最大辐射方向上的场强为
r
GP
E ii
30
0 ?
第 7章电波传播概论
如果接收天线的增益系数为 GR,有效接收面积为 Ae,则在距
离发射天线 r处的接收天线所接收的功率为
?
?
? 44
2
20
Rii
eR
G
r
GpASp ????
将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输
损耗,
RiR
i
bf GG
r
p
PL 14 ?
?
?
??
?
???
?
?
将上式取对数得
R
i
bf p
p
L lg10?
)()()(lg20)(lg2045.32 dBGdBGkmrM H Zf Ri ?????
第 7章电波传播概论
由上式可见, 若不考虑天线的因素,则自由空间中的传输
损耗,是球面波在传播的过程中随着距离的增大, 能量自然扩
散而引起的,它反映了球面波的扩散损耗 。
2,
(1) 传输损耗 （ 信道损耗 ）
电波在实际的媒质 （ 信道 ） 中传播时是有能量损耗的 。
这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也
可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的 。 在
传播距离, 工作频率, 发射天线, 输入功率和接收天线都相
同的情况下,设接收点的实际场强 E,功率 PR′,而自由空间的
场强为 E0,功率为 PR,则信道的衰减因子 A为
第 7章电波传播概论
R
R
P
p
E
E
dBA
?
?? lg10lg20)(
0
则传输损耗 Lb为
)(lg10lg10lg10 dBAL
p
P
p
P
p
P
L bf
R
R
R
i
R
i
b ??
?
????
若不考虑天线的影响,即令 Gi=GR=1,则实际的传输损耗为
)()(lg20)(lg2045.32 dBAkmrM H zfL b ????
式中,前三项为自由空间损耗 Lbf； A为实际媒质的损耗 。
不同的传播方式, 传播媒质,信道的传输损耗不同 。
第 7章电波传播概论
(2)
所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏 。 根据
引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落 。
吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信
号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的 。 如大气中的氧,
水汽以及由后者凝聚而成的云, 雾, 雨, 雪等都对电波有吸
收作用 。
由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号
的衰落 。 由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为
慢衰落,如图 7 1(a)所示 。 慢衰落通常是指信号电平的中值
（ 五分钟中值, 小时中值, 月中值等 ） 在较长时间间隔内的
起伏变化 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 1 衰落现象
( a ) 慢衰 落 ( b ) 快衰 落
100( 秒 )
1 1, 0 0 ( 小时 )
相对
电平
5011 0, 0 0
9, 0 0
20
40
30
50
10
20
30
40
第 7章电波传播概论
干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的 。 在某些传
输方式中,由于收, 发两点间存在若干条传播路径,典型的如
天波传播, 不均匀媒质传播等, 在这些传播方式中,传输媒质
具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使
合成信号幅度和相位都发生随机起伏 。 这种起伏的周期很短,
信号电平变化很快,故称为快衰落,如图 7 -1(b)所示 。 这种衰
落在移动通信信道中表现得更为明显 。
快衰落叠加在慢衰落之上 。 在较短的时间内观察时,前者
表现明显,后者不易被察觉 。 信号的衰落现象严重地影响电波
传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施 （ 如分集接
收等 ） 来加以克服 。
第 7章电波传播概论
(3)
无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真 ——
振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个, 一是媒质的色
散效应,二是随机多径传输效应。
色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速
度有差别而引起的信号失真 。 载有信号的无线电波都占据一
定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成
分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起
波形失真 。 至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体
信道的传输情况而定 。
第 7章电波传播概论
多径传输也会引起信号畸变 。 这是因为无线电波在传播时
通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信
号是几个不同路径传来的电场强度之和 。
设接收点的场是两条路径传来的相位差为 φ=ωτ的两个电场
的矢量和 。 最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多
径时延 τ。 对所传输信号中的每个频率成分,相同的 τ值引起不同
的相差 。 例如对 f1,若 φ1=ω1τ=π,则因二矢量反相抵消,此分量
的合成场强呈现最小值；而对 f2,若 φ2=ω2τ=2π,则因二矢量同相
相加,此分量的合成场强呈现最大值, 如图 7 2(b)所示 。 其余
各成分依次类推 。 显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失
真 。 所以一般情况下,信号带宽不能超过 1/τ。 因此, 引入相关
带宽的概念, 定义相关带宽,
第 7章电波传播概论
图 7-2 多径传输效应
合成
场强
f
1
f
2
f
3
f
( b )( a )
第 7章电波传播概论
?
1?? f
(4)
当电波在无限大的均匀, 线性媒质内传播时,射线是沿直
线传播的 。 然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的,
不同媒质的分界处将使电波折射, 反射 ; 媒质中的不均匀体如
对流层中的湍流团将使电波产生散射 ; 球形地面和障碍物将使
电波产生绕射 ; 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机
变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号
产生严重的衰落 。
因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波
传播方向的变化也是重要内容之一 。
第 7章电波传播概论
7.2
所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见
的视线距离内的传播方式 。 地面通信, 卫星通信以及雷达等都
可以采用这种传播方式 。 它主要用于超短波和微波波段的电波
传播 。
1,
设发射天线高度为 h1,接收天线高度为 h2（ 图 7-3）,由于
地球曲率的影响,当两天线 A,B间的距离 r＜ rv时,两天线互相
,看得见,,当 r＞ rv时,
第 7章电波传播概论
图 7-3 视线距离
A
h
1
h
2r
v
BC
O
a
第 7章电波传播概论
两天线互相, 看不见,,距离 rv为收, 发天线高度分别为
h2和 h1时的视线极限距离,简称视距 。 图 7 3 中,AB与地球表
面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式,
)(2 21 hhar v ??
将地球半径 a=6.370× 106m代入上式,即有
3
21 10)(57.3 ??? hhr v
式中, h1和 h2的单位为米 。
视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电
波产生折射与衰减 。 由于大气层是非均匀媒质,其压力, 温度
与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数 。
第 7章电波传播概论
在标准大气压下,大气层的介电常数 εr随高度增加而减小,
并逐渐趋近于 1,因此大气层的折射率 n= 随高度的增加而减
小 。 若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,各薄层的
折射率 n随高度的增加而减小 。 这样当电波在大气层中依次通
过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条
向下弯曲的弧线, 如图 7 4 所示 。
当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公
式应修正为
r?
)(10)(12.4)(2 32121 mhhhhar ev ?????
在光学上,r＜ rv的区域称为照明区,r＞ rv的区域称为阴影区。
第 7章电波传播概论
图 7 – 4 大气层对电波的折射
( b )
n
1
n
2
n
3
n
4
( a )
第 7章电波传播概论
于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学
的观点划分区域 。 通常把 r＜ 0.8rv的区域称为照明区,将 r＞
1.2rv的区域称为阴影区,而把 0.8rv＜ r＜ 1.2rv的区域称为半照明
半阴影区 。
2,
大气对电波的衰减主要来自两个方面 。 一方面是云, 雾,
雨等小水滴对电波的热吸收及水分子, 氧分子对电波的谐振吸
收 。 热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关 。
另一方面是云, 雾, 雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小
水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比 。
第 7章电波传播概论
当工作波长短于 5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,
尤其当工作波长短于 3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重 。
就云, 雾, 雨, 雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最
为严重,对 10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多
数情况下是可观的 。 因此在地面和卫星通信线路的设计中都要
考虑由降雨引起的衰减 。
3,
在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射
波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波,
如图 75 所示 。 因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 5 直射波与反射波
?
? ′
d
h
1
h
2
h
1
z
第 7章电波传播概论
设 h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收, 发天线
间距,E为接收点场强,Eθ1为直射波,Eθ2为反射波 。 根据上面的
分析,
E=Eθ1+Eθ2
Eθ1=E 0 f(θ)
r
e jkr?
Eθ2=RE0f(θ′)
r
e rjk
?
??
式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e jφ,f(θ)为天线方向
函数 。
如果两天线间距离 d>>h1,h2,则有
第 7章电波传播概论
θ=θ′
F
r
efEaE jk r?? )(
0 ??
])([1 ??????? rrkjeRF式中,
而
d
hh
d
hh
d
hhrr 21212221 2
2
)(
2
)( ???????
将其代入式 （ 7 2 7） 得
)/( 2121 ????? dhhkjeRF
当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有
RH≈RV≈1
第 7章电波传播概论
式中,RH为水平极化波的反射系数 ; RV垂直极化波的反射系数 。
对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的 （ 通常
小于 1° ）,所以有
)
2
s i n (21 21/2 21
?
?
d
hh
eF dhhjk ??? ?
由上式可得到下列结论,
① 当工作波长和收, 发天线间距不变时,接收点场强随天
线高度 h1和 h2的变化而在零值与最大值之间波动, 如图 7 6 所
示 。
② 当工作波长 λ和两天线高度 h1和 h2都不变时,接收点场
强随两天线间距的增大而呈波动变化,间距减小, 波动范围减
小, 如图 7 7所示 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 7 –7 接收点场强随间距 d的变化曲线
第 7章电波传播概论
③ 当两天线高度 h1和 h2和间距 d不变时,接收点场强随工
作波长 λ呈波动变化, 如图 7 8 所示 。
总之,在微波视距通信设计中,为使接收点场强稳定,希望
反射波的成分愈小愈好 。 所以在通信信道路径的设计和选择
时,要尽可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波场强削
弱或改变反射波的传播方向,使其不能到达接收点,以保证接
收点场强稳定 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 8 接收点场强随工作波长 λ的变化曲线
0, 2
0, 4
0, 6
0, 8
1
1, 2
1, 4
1, 6
1, 8
2
10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ? / m
衰
减
因
子
F
第 7章电波传播概论
7.3
天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离
层反射后到达接收点的传播方式,有时也称电离层电波传播,
主要用于中波和短波波段 。
1,
电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面 60km的高度
一直延伸到 1000 km的高空 。 由于电离层电子密度不是均匀
分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为 D,E,F1,F2
四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 7 - 9所示 。
电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照
密切相关 ——白天大,晚间小,而且晚间 D层消失 ; 电离层电子密
度又随四季不同而发生变化 。 除此之外,太阳的骚动与黑子活
动也对电离层电子密度产生很大影响 。
第 7章电波传播概论
图 7- 9 电离层电子密度的高度分布
10
3
10
4
10
5
10
6
500
1000
F
2
电 子 浓 度 / ( 个数 / c m
3
)
高度
/
k
m
F
1
D
E
第 7章电波传播概论
2,
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
2
8.801
f
N e
r ???
其折射率为
18.801 2 ???
f
Nn e
式中,f为电波的频率。
第 7章电波传播概论
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 。
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
第 7章电波传播概论
图 7 –10 电离层对电波的连续折射
?
0
?
1
?
2
n
0
n
1
n
2
第 7章电波传播概论
20
8.801s i n
f
Nn i
i ????
0s e c8.80 ?iNf ?
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,
（ 1）
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
0m a xm a x s e c8.80 ?Nf ?
第 7章电波传播概论
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）
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
第 7章电波传播概论
图 7 – 11 θ0 一定而频率不同时的射线
?
0
f
1
f
2
f
3
＞ f
m a x
f
3
＞ f
2
＞ f
1
第 7章电波传播概论
2
m a x
m i n0
8.801a r c s i n
f
N???
这就是说, 当电波频率一定时,射线对电离层的入射角 θ0越
小,电波需要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来,且通信
距离越近, 如图 7 - 12 的曲线, 1”,,2” 所示； 但当 θ0继续
减小时,通信距离变远,如图 7 -12 中的曲线, 3”; 当入射角 θ0＜
θ0 min时,则电波能被电离层, 反射, 回来所需的电子密度超出
实际存在的 Nmax值,于是电波穿出电离层,如图 7 -12中的曲线
,4”。
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 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 12 频率一定时通信距离与入射角的关系
?
0
静区
2
3 11 2 3 4
4
第 7章电波传播概论
（ 3）
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 。
电离层的电子密度随气候不时发生起伏,引起各射线路
径也不时变化,这样,各射线间的波程差也不断变化,从而使接
收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点
场强的起伏变化称为多径效应 。 正如本章前面所述,多径效应
造成了信号的衰落 。
（ 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 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 13 多径效应
第 7章电波传播概论
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 。 然而当工作频率过高时,电波需到达电
子密度很大的地方才能被, 反射, 回来,这就大大增长了电波
的电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减 。
为此,通常取最佳工作频率 fopt为
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,
第 7章电波传播概论
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 。 而这个频率的确
定,不仅与年, 月, 日, 时有关,还与通信距离有关 。 同样的
电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,
最高可用频率高 。 显然,为了通信可靠,必须在不同时刻使用
不同的频率 。 但为了避免换频的次数太多,通常一日之内使用
两个 （ 日频和夜频 ） 或三个频率 。
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 。 因此,对传输信号的带宽有很大限制,特别是对于数
字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必须采用相应的抗
多径措施 。
第 7章电波传播概论
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 。
第 7章电波传播概论
7.4 地 面 波 传
无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播,当
天线低架于地面,且最大辐射方向沿地面时,这时主要是地面
波传播 。 在长, 中波波段和短波的低频段 （ 103~106 Hz)均可
用这种传播方式 。
设有一直立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿地
面传播时,若大地是理想导体,则接收天线接收到的仍是垂直
极化波 （ 图 7 - 14） 。 实际上,大地是非理想导电媒质,垂直极
化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正
电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸
收 ; 并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变
为椭圆极化波,如图 7 - 15所示 。 显然,波前的倾斜程度反映了
大地对电波的吸收程度 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 14 理想导电地面的场结构
x
E
x 1
H
y 1
y
z
第 7章电波传播概论
图 7 – 15 非理想导电地面的场结构
?
E
x 1
E
z 1
x
z
第 7章电波传播概论
从以上知识可以得到如下结论,
① 垂直极化波沿非理想导电地面传播时,由于大地对电波
能量的吸收作用,产生了沿传播方向的电场纵向分量 Ez1,因此
可以用 Ez1的大小来说明传播损耗的情况 。 当地面的电导率越
小或电波频率越高,Ez1越大,说明传播损耗越大 。 因此,地面波
传播主要用于长, 中波传播,短波和米波小型电台采用这种传
播方式工作时,只能进行几千米或十几千米的近距离通信 。 海
水的电导率比陆地的高,因此在海面上要比陆地上传得远的多 。
② 地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有
实用意义 。 由于 Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜 。
但在某些场合,由于受到条件的限制,也可以采用低架水平天线
接收 。
第 7章电波传播概论
③ 地面波由于地表面的电性能及地貌, 地物等并不随时
间很快地变化,并且基本上不受气候条件的影响,因此信号稳
定,这是地面波传播的突出优点 。
应该指出,地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关
系 。 大多数地质情况下,大地的磁导率 μ≈μ0,很难存在横电波
模式, 因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的 。 根据
横磁波存在的各场分量 Ex1,Ez1,Hy1,其电场分量在入射平面内,
故称为垂直极化波 。 换句话说,只有垂直极化波才能进行地面
波传播 。
第 7章电波传播概论
7.5
除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播 。 电波在
低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的, 介质团, 时就会
发生散射,散射波的一部分到达接收天线处 （ 图 7 - 16）,这种
传播方式称为不均匀媒质的散射传播 。 电离层散射主要用于
30～ 100MHz频段,对流层散射主要用于 100 MHz以上频段 。 就
其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的
相似性； 就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射
传播方式应用广泛 。 现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质
的散射传播的原理 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 16 不均匀媒质传播
介质 团
B
A
第 7章电波传播概论
对流层是大气的最低层,通常是指从地面算起至高达 13± 5
千米的区域,在太阳的辐射下, 受热的地面通过大气的垂直对
流作用,对流层升温 。 一般情况下,对流层的温度, 压强, 湿
度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小
尺度起伏,形成了不均匀的介质团 。 当超短波, 短波投射到这
些不均匀体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,
将入射的电磁能量向四面八方再辐射 。 于是电波就到达不均匀
介质团所能, 看见, 但电波发射点却不能, 看见, 的超视距范
围 。 电磁波的这种无规则, 无方向的辐射,即为散射,相应的
介质团称为散射体,如图 7 - 16 所示 。 对于任一固定的接收点
来说,其接收场强就是收发双方都能, 看见, 的那部分空间 ——
收, 发天线波束相交的公共体积中的所有散射体的总和 。 通
过上述分析,可以看出对流层散射传播具有下列特点,
第 7章电波传播概论
① 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大 （ 包括自由空间
传输损耗, 散射损耗, 大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,
一般超过 200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机,
高灵敏度接收机和高增益天线 。
② 由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间
在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随
机的 。 这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落 。 这
种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服 。
③ 这种传播方式的优点是, 容量大,可靠性高,保密性好,
单跳跨距达 300~800 km,一般用于无法建立微波中继站的地区,
如用于海岛之间或跨越湖泊, 沙漠, 雪山等地区 。
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
第 7章 电波传播概论
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第 7章电波传播概论
第 7章 电波传播概论
7.1电波传播的基本概念
1,
天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性
天线,若它的辐射功率为 PΣ瓦,则离开天线 r处的球面上的功率
流密度为
S0=
功率流密度又可以表示为
)/(
4
2
2 mwr
p
?
?
s
第 7章电波传播概论
?120
)R e (
2
1
2
0
0
E
nHEs
?
? ???
由此,离天线为 r处的电场强度 E0值为
r
P
E ??
30
0
又假设发射天线是一实际天线,其辐射功率仍为 PΣ,设它的
输入功率为 Pi,若以 Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天
线 r处的最大辐射方向上的场强为
r
GP
E ii
30
0 ?
第 7章电波传播概论
如果接收天线的增益系数为 GR,有效接收面积为 Ae,则在距
离发射天线 r处的接收天线所接收的功率为
?
?
? 44
2
20
Rii
eR
G
r
GpASp ????
将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输
损耗,
RiR
i
bf GG
r
p
PL 14 ?
?
?
??
?
???
?
?
将上式取对数得
R
i
bf p
p
L lg10?
)()()(lg20)(lg2045.32 dBGdBGkmrM H Zf Ri ?????
第 7章电波传播概论
由上式可见, 若不考虑天线的因素,则自由空间中的传输
损耗,是球面波在传播的过程中随着距离的增大, 能量自然扩
散而引起的,它反映了球面波的扩散损耗 。
2,
(1) 传输损耗 （ 信道损耗 ）
电波在实际的媒质 （ 信道 ） 中传播时是有能量损耗的 。
这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也
可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的 。 在
传播距离, 工作频率, 发射天线, 输入功率和接收天线都相
同的情况下,设接收点的实际场强 E,功率 PR′,而自由空间的
场强为 E0,功率为 PR,则信道的衰减因子 A为
第 7章电波传播概论
R
R
P
p
E
E
dBA
?
?? lg10lg20)(
0
则传输损耗 Lb为
)(lg10lg10lg10 dBAL
p
P
p
P
p
P
L bf
R
R
R
i
R
i
b ??
?
????
若不考虑天线的影响,即令 Gi=GR=1,则实际的传输损耗为
)()(lg20)(lg2045.32 dBAkmrM H zfL b ????
式中,前三项为自由空间损耗 Lbf； A为实际媒质的损耗 。
不同的传播方式, 传播媒质,信道的传输损耗不同 。
第 7章电波传播概论
(2)
所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏 。 根据
引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落 。
吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信
号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的 。 如大气中的氧,
水汽以及由后者凝聚而成的云, 雾, 雨, 雪等都对电波有吸
收作用 。
由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号
的衰落 。 由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为
慢衰落,如图 7 1(a)所示 。 慢衰落通常是指信号电平的中值
（ 五分钟中值, 小时中值, 月中值等 ） 在较长时间间隔内的
起伏变化 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 1 衰落现象
( a ) 慢衰 落 ( b ) 快衰 落
100( 秒 )
1 1, 0 0 ( 小时 )
相对
电平
5011 0, 0 0
9, 0 0
20
40
30
50
10
20
30
40
第 7章电波传播概论
干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的 。 在某些传
输方式中,由于收, 发两点间存在若干条传播路径,典型的如
天波传播, 不均匀媒质传播等, 在这些传播方式中,传输媒质
具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使
合成信号幅度和相位都发生随机起伏 。 这种起伏的周期很短,
信号电平变化很快,故称为快衰落,如图 7 -1(b)所示 。 这种衰
落在移动通信信道中表现得更为明显 。
快衰落叠加在慢衰落之上 。 在较短的时间内观察时,前者
表现明显,后者不易被察觉 。 信号的衰落现象严重地影响电波
传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施 （ 如分集接
收等 ） 来加以克服 。
第 7章电波传播概论
(3)
无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真 ——
振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个, 一是媒质的色
散效应,二是随机多径传输效应。
色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速
度有差别而引起的信号失真 。 载有信号的无线电波都占据一
定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成
分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起
波形失真 。 至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体
信道的传输情况而定 。
第 7章电波传播概论
多径传输也会引起信号畸变 。 这是因为无线电波在传播时
通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信
号是几个不同路径传来的电场强度之和 。
设接收点的场是两条路径传来的相位差为 φ=ωτ的两个电场
的矢量和 。 最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多
径时延 τ。 对所传输信号中的每个频率成分,相同的 τ值引起不同
的相差 。 例如对 f1,若 φ1=ω1τ=π,则因二矢量反相抵消,此分量
的合成场强呈现最小值；而对 f2,若 φ2=ω2τ=2π,则因二矢量同相
相加,此分量的合成场强呈现最大值, 如图 7 2(b)所示 。 其余
各成分依次类推 。 显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失
真 。 所以一般情况下,信号带宽不能超过 1/τ。 因此, 引入相关
带宽的概念, 定义相关带宽,
第 7章电波传播概论
图 7-2 多径传输效应
合成
场强
f
1
f
2
f
3
f
( b )( a )
第 7章电波传播概论
?
1?? f
(4)
当电波在无限大的均匀, 线性媒质内传播时,射线是沿直
线传播的 。 然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的,
不同媒质的分界处将使电波折射, 反射 ; 媒质中的不均匀体如
对流层中的湍流团将使电波产生散射 ; 球形地面和障碍物将使
电波产生绕射 ; 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机
变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号
产生严重的衰落 。
因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波
传播方向的变化也是重要内容之一 。
第 7章电波传播概论
7.2
所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见
的视线距离内的传播方式 。 地面通信, 卫星通信以及雷达等都
可以采用这种传播方式 。 它主要用于超短波和微波波段的电波
传播 。
1,
设发射天线高度为 h1,接收天线高度为 h2（ 图 7-3）,由于
地球曲率的影响,当两天线 A,B间的距离 r＜ rv时,两天线互相
,看得见,,当 r＞ rv时,
第 7章电波传播概论
图 7-3 视线距离
A
h
1
h
2r
v
BC
O
a
第 7章电波传播概论
两天线互相, 看不见,,距离 rv为收, 发天线高度分别为
h2和 h1时的视线极限距离,简称视距 。 图 7 3 中,AB与地球表
面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式,
)(2 21 hhar v ??
将地球半径 a=6.370× 106m代入上式,即有
3
21 10)(57.3 ??? hhr v
式中, h1和 h2的单位为米 。
视距传播时,电波是在地球周围的大气中传播的,大气对电
波产生折射与衰减 。 由于大气层是非均匀媒质,其压力, 温度
与湿度都随高度而变化,大气层的介电常数是高度的函数 。
第 7章电波传播概论
在标准大气压下,大气层的介电常数 εr随高度增加而减小,
并逐渐趋近于 1,因此大气层的折射率 n= 随高度的增加而减
小 。 若将大气层分成许多薄片层,每一薄层是均匀的,各薄层的
折射率 n随高度的增加而减小 。 这样当电波在大气层中依次通
过每个薄层界面时,射线都将产生偏折,因而电波射线形成一条
向下弯曲的弧线, 如图 7 4 所示 。
当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公
式应修正为
r?
)(10)(12.4)(2 32121 mhhhhar ev ?????
在光学上,r＜ rv的区域称为照明区,r＞ rv的区域称为阴影区。
第 7章电波传播概论
图 7 – 4 大气层对电波的折射
( b )
n
1
n
2
n
3
n
4
( a )
第 7章电波传播概论
于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学
的观点划分区域 。 通常把 r＜ 0.8rv的区域称为照明区,将 r＞
1.2rv的区域称为阴影区,而把 0.8rv＜ r＜ 1.2rv的区域称为半照明
半阴影区 。
2,
大气对电波的衰减主要来自两个方面 。 一方面是云, 雾,
雨等小水滴对电波的热吸收及水分子, 氧分子对电波的谐振吸
收 。 热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关 。
另一方面是云, 雾, 雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小
水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比 。
第 7章电波传播概论
当工作波长短于 5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,
尤其当工作波长短于 3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重 。
就云, 雾, 雨, 雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最
为严重,对 10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多
数情况下是可观的 。 因此在地面和卫星通信线路的设计中都要
考虑由降雨引起的衰减 。
3,
在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射
波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波,
如图 75 所示 。 因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 5 直射波与反射波
?
? ′
d
h
1
h
2
h
1
z
第 7章电波传播概论
设 h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收, 发天线
间距,E为接收点场强,Eθ1为直射波,Eθ2为反射波 。 根据上面的
分析,
E=Eθ1+Eθ2
Eθ1=E 0 f(θ)
r
e jkr?
Eθ2=RE0f(θ′)
r
e rjk
?
??
式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e jφ,f(θ)为天线方向
函数 。
如果两天线间距离 d>>h1,h2,则有
第 7章电波传播概论
θ=θ′
F
r
efEaE jk r?? )(
0 ??
])([1 ??????? rrkjeRF式中,
而
d
hh
d
hh
d
hhrr 21212221 2
2
)(
2
)( ???????
将其代入式 （ 7 2 7） 得
)/( 2121 ????? dhhkjeRF
当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有
RH≈RV≈1
第 7章电波传播概论
式中,RH为水平极化波的反射系数 ; RV垂直极化波的反射系数 。
对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的 （ 通常
小于 1° ）,所以有
)
2
s i n (21 21/2 21
?
?
d
hh
eF dhhjk ??? ?
由上式可得到下列结论,
① 当工作波长和收, 发天线间距不变时,接收点场强随天
线高度 h1和 h2的变化而在零值与最大值之间波动, 如图 7 6 所
示 。
② 当工作波长 λ和两天线高度 h1和 h2都不变时,接收点场
强随两天线间距的增大而呈波动变化,间距减小, 波动范围减
小, 如图 7 7所示 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 7 –7 接收点场强随间距 d的变化曲线
第 7章电波传播概论
③ 当两天线高度 h1和 h2和间距 d不变时,接收点场强随工
作波长 λ呈波动变化, 如图 7 8 所示 。
总之,在微波视距通信设计中,为使接收点场强稳定,希望
反射波的成分愈小愈好 。 所以在通信信道路径的设计和选择
时,要尽可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波场强削
弱或改变反射波的传播方向,使其不能到达接收点,以保证接
收点场强稳定 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 8 接收点场强随工作波长 λ的变化曲线
0, 2
0, 4
0, 6
0, 8
1
1, 2
1, 4
1, 6
1, 8
2
10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ? / m
衰
减
因
子
F
第 7章电波传播概论
7.3
天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离
层反射后到达接收点的传播方式,有时也称电离层电波传播,
主要用于中波和短波波段 。
1,
电离层是地球高空大气层的一部分,从离地面 60km的高度
一直延伸到 1000 km的高空 。 由于电离层电子密度不是均匀
分布的,因此,按电子密度随高度的变化相应地分为 D,E,F1,F2
四层,每一个区域的电子浓度都有一个最大值,如图 7 - 9所示 。
电离层主要是太阳的紫外辐射形成的,因此其电子密度与日照
密切相关 ——白天大,晚间小,而且晚间 D层消失 ; 电离层电子密
度又随四季不同而发生变化 。 除此之外,太阳的骚动与黑子活
动也对电离层电子密度产生很大影响 。
第 7章电波传播概论
图 7- 9 电离层电子密度的高度分布
10
3
10
4
10
5
10
6
500
1000
F
2
电 子 浓 度 / ( 个数 / c m
3
)
高度
/
k
m
F
1
D
E
第 7章电波传播概论
2,
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
2
8.801
f
N e
r ???
其折射率为
18.801 2 ???
f
Nn e
式中,f为电波的频率。
第 7章电波传播概论
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 。
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
第 7章电波传播概论
图 7 –10 电离层对电波的连续折射
?
0
?
1
?
2
n
0
n
1
n
2
第 7章电波传播概论
20
8.801s i n
f
Nn i
i ????
0s e c8.80 ?iNf ?
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,
（ 1）
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
0m a xm a x s e c8.80 ?Nf ?
第 7章电波传播概论
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）
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
第 7章电波传播概论
图 7 – 11 θ0 一定而频率不同时的射线
?
0
f
1
f
2
f
3
＞ f
m a x
f
3
＞ f
2
＞ f
1
第 7章电波传播概论
2
m a x
m i n0
8.801a r c s i n
f
N???
这就是说, 当电波频率一定时,射线对电离层的入射角 θ0越
小,电波需要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来,且通信
距离越近, 如图 7 - 12 的曲线, 1”,,2” 所示； 但当 θ0继续
减小时,通信距离变远,如图 7 -12 中的曲线, 3”; 当入射角 θ0＜
θ0 min时,则电波能被电离层, 反射, 回来所需的电子密度超出
实际存在的 Nmax值,于是电波穿出电离层,如图 7 -12中的曲线
,4”。
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 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 12 频率一定时通信距离与入射角的关系
?
0
静区
2
3 11 2 3 4
4
第 7章电波传播概论
（ 3）
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 。
电离层的电子密度随气候不时发生起伏,引起各射线路
径也不时变化,这样,各射线间的波程差也不断变化,从而使接
收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点
场强的起伏变化称为多径效应 。 正如本章前面所述,多径效应
造成了信号的衰落 。
（ 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 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 13 多径效应
第 7章电波传播概论
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 。 然而当工作频率过高时,电波需到达电
子密度很大的地方才能被, 反射, 回来,这就大大增长了电波
的电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减 。
为此,通常取最佳工作频率 fopt为
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,
第 7章电波传播概论
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 。 而这个频率的确
定,不仅与年, 月, 日, 时有关,还与通信距离有关 。 同样的
电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,
最高可用频率高 。 显然,为了通信可靠,必须在不同时刻使用
不同的频率 。 但为了避免换频的次数太多,通常一日之内使用
两个 （ 日频和夜频 ） 或三个频率 。
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 。 因此,对传输信号的带宽有很大限制,特别是对于数
字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必须采用相应的抗
多径措施 。
第 7章电波传播概论
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 。
第 7章电波传播概论
7.4 地 面 波 传
无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播,当
天线低架于地面,且最大辐射方向沿地面时,这时主要是地面
波传播 。 在长, 中波波段和短波的低频段 （ 103~106 Hz)均可
用这种传播方式 。
设有一直立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿地
面传播时,若大地是理想导体,则接收天线接收到的仍是垂直
极化波 （ 图 7 - 14） 。 实际上,大地是非理想导电媒质,垂直极
化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正
电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸
收 ; 并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变
为椭圆极化波,如图 7 - 15所示 。 显然,波前的倾斜程度反映了
大地对电波的吸收程度 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 14 理想导电地面的场结构
x
E
x 1
H
y 1
y
z
第 7章电波传播概论
图 7 – 15 非理想导电地面的场结构
?
E
x 1
E
z 1
x
z
第 7章电波传播概论
从以上知识可以得到如下结论,
① 垂直极化波沿非理想导电地面传播时,由于大地对电波
能量的吸收作用,产生了沿传播方向的电场纵向分量 Ez1,因此
可以用 Ez1的大小来说明传播损耗的情况 。 当地面的电导率越
小或电波频率越高,Ez1越大,说明传播损耗越大 。 因此,地面波
传播主要用于长, 中波传播,短波和米波小型电台采用这种传
播方式工作时,只能进行几千米或十几千米的近距离通信 。 海
水的电导率比陆地的高,因此在海面上要比陆地上传得远的多 。
② 地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有
实用意义 。 由于 Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜 。
但在某些场合,由于受到条件的限制,也可以采用低架水平天线
接收 。
第 7章电波传播概论
③ 地面波由于地表面的电性能及地貌, 地物等并不随时
间很快地变化,并且基本上不受气候条件的影响,因此信号稳
定,这是地面波传播的突出优点 。
应该指出,地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关
系 。 大多数地质情况下,大地的磁导率 μ≈μ0,很难存在横电波
模式, 因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的 。 根据
横磁波存在的各场分量 Ex1,Ez1,Hy1,其电场分量在入射平面内,
故称为垂直极化波 。 换句话说,只有垂直极化波才能进行地面
波传播 。
第 7章电波传播概论
7.5
除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播 。 电波在
低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的, 介质团, 时就会
发生散射,散射波的一部分到达接收天线处 （ 图 7 - 16）,这种
传播方式称为不均匀媒质的散射传播 。 电离层散射主要用于
30～ 100MHz频段,对流层散射主要用于 100 MHz以上频段 。 就
其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的
相似性； 就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射
传播方式应用广泛 。 现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质
的散射传播的原理 。
第 7章电波传播概论
图 7 – 16 不均匀媒质传播
介质 团
B
A
第 7章电波传播概论
对流层是大气的最低层,通常是指从地面算起至高达 13± 5
千米的区域,在太阳的辐射下, 受热的地面通过大气的垂直对
流作用,对流层升温 。 一般情况下,对流层的温度, 压强, 湿
度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小
尺度起伏,形成了不均匀的介质团 。 当超短波, 短波投射到这
些不均匀体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,
将入射的电磁能量向四面八方再辐射 。 于是电波就到达不均匀
介质团所能, 看见, 但电波发射点却不能, 看见, 的超视距范
围 。 电磁波的这种无规则, 无方向的辐射,即为散射,相应的
介质团称为散射体,如图 7 - 16 所示 。 对于任一固定的接收点
来说,其接收场强就是收发双方都能, 看见, 的那部分空间 ——
收, 发天线波束相交的公共体积中的所有散射体的总和 。 通
过上述分析,可以看出对流层散射传播具有下列特点,
第 7章电波传播概论
① 由于散射波相当微弱,即传输损耗很大 （ 包括自由空间
传输损耗, 散射损耗, 大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,
一般超过 200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机,
高灵敏度接收机和高增益天线 。
② 由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间
在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随
机的 。 这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落 。 这
种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服 。
③ 这种传播方式的优点是, 容量大,可靠性高,保密性好,
单跳跨距达 300~800 km,一般用于无法建立微波中继站的地区,
如用于海岛之间或跨越湖泊, 沙漠, 雪山等地区 。
