第十九讲地面波传播.

电波传播§5.1电波传播概述1.微波技术2.天线3.电波传播三者都是研究无线电技术的一个重要组成部分，它们共同的基础是电磁场理论，但三者研究的对象和目的有所不同。§5.1电波传播概述微波技术主要研究引导电磁波在微波传输系统中如何进行有效的传输，它希望电磁波按一定要求沿传输系统无辐射地传输。天线是将微波导行波变成向空间定向辐射的电磁波，或将空间的电磁波变为微波设备中的导行波。转换器功能。电波传播研究电波在空间的传播方式和特点。§5.1电波传播概述无线电波频率范围：频率从几十Hz到3000GHz（波长从几十兆m到0.1mm）无线电波传播：发射天线或者自然辐射源所辐射的无线电波，通过媒质到达观察点的过程无线电波研究对象及其应用：总体来说就是研究各种媒质中电磁波的传播规律§5.1电波传播概述无线电波研究对象对无线电波传播媒质特性的研究研究媒质的电特性对电波传播的影响无线电波研究的应用不断完善对现有几种传播方式的传播机制、传输特性的研究，提高接收点场强计算的准确度与精度加强对于新开拓频段的电波传播问题的研究不断扩大无线电波在其他科学领域的应用eg：医疗光子带隙结构--自然界中的例子蝴蝶蛋白石海鼠§5.1电波传播概述电波传播主要方式：地面波传播天波传播视距传播对流层散射传播波导传播§5.1电波传播概述地面波传播无线电波沿着地球表面传播，特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。所以，只适用于长波和中波波段天波传播电波经高空电离层反射回来而到达地面接收点。长，中，短波都可以利用天波进行远距离通信§5.1电波传播概述视距传播收、发天线离地面高度远大于波长，电波直接从发射天线传到接收地点（有时有地面反射波）。这种传播方式仅限于视线距离之内。目前广泛应用的微波接力电路和卫星通信电路的传播方式均属这种传播方式对流层散射传播利用对流层和电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用实现超视距传播。主要用于超短波和微波远距离通信§5.1电波传播概述波导传播电波在电离层下缘和地面所组成的同心球壳形波导内的传播。长波，超长波或极长波利用这种传播方式能以较小的衰减进行远距离通信。以上五中传播方式，在实际通信中往往取其一种作为主要的传播途径，但并不排除某些条件下几种传播途径并存的可能性。电波传播的研究重点电波传播基本概念无线电波在自由空间内的传播自由空间严格来讲是真空，只是一种理想情况实际上，总要受到存在媒质以及障碍物的不同程度的影响，提出自由空间传播概念只提供一个比较标准，简化各种信道传输损耗的计算传输媒质对电波传播的影响实际中电波是在各种空间场所内（地表，低空大气层，电离层等）传播的，各种媒质必然要对传输信号产生影响，例如使得信号衰减、畸变或者使电波的极化形式改变；引入干扰、使接收端信噪比下降；改变电波的传播方向或传播速度等。此外，某些媒质例如电离层的电参数具有明显的随机性，使得通过它而传输的电信号也是一个随机信号，因此必须考虑实际媒质对于电波传播的影响。电波传播的研究重点§5.2电波传播基本概念1传输损耗2衰落现象3传输失真4电波的折射、反射和绕射现象5干扰与噪声的影响研究方法几何光学法：射线理论—直射、反射、绕射物理光学法：电流近似积分场论方法：Maxwell方程关键问题损耗定义：实际接收场强和自由空间场强之比衰落：吸收性衰落、干涉性衰落失真：随机多径效应、色散效应020logEE22LoutinRP=PGG4rA发0EAE地面波传播天线接近地面，最大辐射方向沿地面时形成的以地球表面作为导波系统沿地面传播的电波。其特点是信号稳定，多径干扰小。对于长波传播，除高山以外都可以看作平坦地面，最主要的参数变为土壤的介电系数、导电率、介磁常数、地质相对介电常数导电率（西/米）范围平均范围平均海水80800.66-6.64淡水80800.001-0.0240.001湿土10-30200.003-0.030.01干土2-640.00001-0.0020.001地面波传播的菲涅尔区如上图所示：电波在空气（x0）和地面（X0）交界面上传播，以发射天线中心T和接收天线中心R为焦点的椭球称为电波传播过程中的“菲尼尔区”。当收发距离较远时，椭球非常狭长，此时可认为场沿y轴几乎不变。第一菲涅尔区：122rrTR§5.3地面波传播地面波传播讨论地面波传播时，一般是将对流层视为均匀媒质，电离层的影响不予考虑，而主要考虑地球表面对电波传播的影响。土壤的电参数：由于大地是半导电媒质，因此必须考虑电导率对电波传播的影响。设电磁场随时间作简谐振荡（），在无源线性各向同性、半导电媒质内，麦氏第一、二方程的复数形式为jwte§5.3地面波传播将第一方程改写为括号中可视为等效介电常数，用表示，即HjwEEEjwH()HjwjEwcjwc（5-14）（5-13）（5-12）§5.3地面波传播式中的实数部分就是大地的介电常数，反映媒质的极化特性，虚数部分表示媒质的导电情况，表示媒质是有耗媒质。复介电常数是表征地质电特性的重要参数。其相对复介电常数为0r00crrjw(5-15)§5.3地面波传播将真空的介电常数值代入上式中，得到在交变电磁场的作用下，大地土壤内既存在有位移电流又存在有传导电流，位移电流密度为，传导电流密度为。通常将传导电流密度与位移电流密度的比值看作是导体和电介质的分界线，若，则媒质具有良导体性质；，则媒质具有电介质性质。0060rrj(5-16)wEE0601rw060r060r地波传播的理论分析导波一般解流图Maxwell出发点无源区中方程222200EkEHkH支配方程222200zzzzEkEHkH纵向分量方程z1234,,,,,,zxzzyzzxzzyzzEHEfEHEfEHHfEHHfEH其它分量用表示地波传播的理论分析采用分离变量法同样可以得到zzzzEE(x,y)eHH(x,y)e22zz222zz2EEzHHz纵向方程变为：2222zzz222EEE0xyzzkE22z2E0xzkE纵向分量沿y方向不变2z2E0y22kk空气中的场222222211100kk令：221z112E0xzkE1jkz1zEAeex1jkz1zHBeex22222222220ckk令：222z222E0xzkE2jkz2zECeex2jkz2zHFeex大地中的场c0(60)rj地面波传播的边界条件1、连续性边界条件：在x=0的分界面上要求电场强度和磁场强度的切向分量连续，电位移矢量、磁感应强度的法向分量连续2、有限边界条件，在场趋向于0xTE（水平极化）Ez=0X011jkz01y1jkz1x1EBeeHBeexxkjk2zE02jkz2zHFeexX022jkz02y2jkz2x2EFeeHFeexxkjk1zE01jkz1zHBeexTE（水平极化）根据边界连续条件（x=0）12jkjkzz001y2y12EBee=EFeexxkk12BFkk且二者不能满足意味着地面波传播中不存在横电磁波的传播模式；或者说水平极化波将快速衰减1z2zHHBFTM（垂直极化）Hz=0X0111jkz1zjkz1x1jkz01y1EeeEAeeHeexxxAjkAk2zH0X0222jkz2zjkz2x2jkz2y2EeeECeeHCeexxxcCjkk1zH0TM（垂直极化）边界连续条件12jkjk0zz1z2zEeeEeexxxACAC12jkjk0zz001y2y1212Hee=HCeexxxccAkkkk221002220ckk2200c0cc0(60)rj22kkTM（垂直极化）参数121224022022240224022401k1(60)(60)k1(60)(60)1(60)rjrrjrrjrececec0100200601arctan2160601arctanarctan21606011arctanarctan2212rrrrrTM（垂直极化）良导体参数K1有正的实部，所以E1的表达式中取exp(jk1x)，以满足在x正无穷大时场有限并且由于K1与导电率相关，所以空气中场的分布受大地参数的影响K2有负的实部，所以E2的表达式中取exp(jk2x)，以满足在x负无穷大时场有限大地的导电率较大时，场仅能穿透大地的很浅一部分，但此时衰减减小。Z方向传播因子中有一正的实部，可见由于电磁波沿地表传播时具有衰减。exp()z0110022045,(),45,()90,()0rrimagkimagkimagTM（垂直极化）X=0处的场量由于E的z分量和x分量幅度的差别，形成了合成场量随相位呈椭圆变化，在干土中，几乎成沿长轴的线极化波。称为波面倾斜。112012200112606060120xzzrxzxrrxyyEEEjEEEjjEHH2240arctan((60)r地面波场强的计算1173(/)()rTxPDEAmVmrkm短距离理想地平面波的场强估算：220.320.6A2202200(1)6060rrr作业：电波在湿土表面传播天线辐射功率为10千瓦，方向系数为3，波长12km。求离开天线250km处的场强。10,0.01/r西米地、水下波的传播方式水平面陆地抗干扰特性、保密特性的高要求地面波传播的注意事项：通常选用直立天线构成横电磁波；由于电场的波面倾斜须对接收天线采用适当的方式实现极化匹配；菲涅尔区的地面特性对电波传播影响较大；长距离传播时应当考虑地球曲率的影响；