第2讲-地波传播

SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering电波传播方式分类及特点：5大类自由空间：概念自由空间接收点场强|E0|，接收功率Pr，自由空间传输损耗Lbf：实际接收点场强|E|，接收功率Pr，基本传输损耗Lb：衰落：含义、分类（干涉型、吸收型）失真：原因（色散效应、多径传输）干扰与噪声：含义、分类第一讲─电波传播基础回顾32.4520lg(MHz)20lg(km)dBbfLfd-dBbbfLLAEMWPropagationEngineering2015,April.2第二讲地波传播SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波场强计算地球表面的电特性内容安排地面不均匀性对地波传播的影响地波传播特性2016/3/82/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地球，形似一略扁的球体，平均半径为6370km。地球从里至外可分为三层：地核、地幔和地壳，如图1所示。海洋下面地壳较薄，最薄处约5km左右，陆地处地壳较厚，总体的平均厚度约33km。地壳的表层是电导率较大的冲击层等。由于地球内部运动（如地壳运地球表面的电特性图1地球结构示意图动、火山爆发等），以及外部的风化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，再加上人为所创建的城镇田野等，这些不同的地质结构及地形地物，在一定程度上影响着无线电波的传播。2016/3/83/29地心地幔地核海洋60km3460km2850km地壳（平均33km）SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波是沿着空气和大地交界面处传播的，因此其传播状况主要取决于地面条件，主要表现在一是地面的不平坦性，二是地质的情况。前者，当地面起伏不平的程度相当于电波波长时很小时，地面可近似地看成是光滑地面。对长、中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。而后者主要是地面的电磁特性，影响着电波传播情况。描述大地电磁性质的主要参数是介电常数ε（或相对介电常数εr），电导率σ和磁导率μ。据实测，绝大多数地质μ近似等于真空磁导率μ0。表1列出了几种常见地质的电参数。地球表面的电特性2016/3/84/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地球表面的电特性表1地面的电参数2016/3/85/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering正弦无线电波在无源、线性、各向同性、半导电媒质内传播时，大地电参数可用复介电常数εe来表示，即式中的实部就是大地的介电常数，它反映媒质的极化特性；式中（σ/ω）表示媒质的导电性，σ≠0说明媒质是有耗媒质。相对复介电常数为将代入上式，得λ0为自由空间波长。地球表面的电特性ej(1)r00errj(2)90110(F/m)36060rrj(3)2016/3/86/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering在交变电场作用下，大地土壤内既有位移电流又有传导电流。位移电流密度为，传导电流密度为,通常把传导电流与位移电流之比作为是导体和电介质的分界线。若，则大地具有良导体性质；若，则可将大地视为电解质。表2给出了在各种地质中随频率的变化情况。地球表面的电特性EE0601r060060060/rrr2016/3/87/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地球表面的电特性表2各种地质（）值060r2016/3/88/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波场强计算地球表面的电特性内容安排地面不均匀性对地波传播的影响地波传播特性2016/3/89/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering讨论最简单的情况，假设地面是光滑的、均匀的平面地面时的电波传播情况。地波传播特性地波传输场的结构为适应地波传播特点，通常使用低架直立天线，辐射垂直极化波。建立坐标如图2所示，天线沿x轴放置，其辐射电磁场为Ex1和Ey1分量，电磁波沿z轴传播。由于地面是半导电媒质，电波沿地面传播时产生衰减，向地下-x方向传播的波是由Ez1和Hy1分量产生的，即为所谓的横磁TM模式。此外，在地表两侧（一侧为空气，另一侧为半导电媒质）的电、磁场须满足一定的边界条件，即：当分界面处无自由面电荷和电流时，电场E、磁场H的切线分量是连续的；电位移矢量D、磁感应强度B的法线分量是连续的，即2016/3/810/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波传播特性12121201212@=0()0zzyyxxxexxxEEHHxDDEEBB或(4)图2地表面处场结构（x0区域：空气；x0区域：大地）2016/3/811/29xOyE1zH1yE2zH2yE2xE1xzSchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering下脚注“1”和“2”分别表示在空气和大地内。由于大地对电波能量的吸收作用，产生了沿电波传播方向上的电场纵向分量Ez1，合成场强E1()极化方向向地面倾斜，称为波面倾斜现象，如图3所示。地波传播特性111ˆˆxzExEzE图3地波功率流密度示意图2016/3/812/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering沿地表传播的功率流密度S1可分解为两个分量而式中和分别是电场和磁场强度的复振幅，表示电波沿地表面向z轴方向传播的那部分功率流密度，表示电波沿(-x)方向传播的亦即是被大地吸收的那部分功率流密度；S1则为在空气中紧贴地表传播的总功率流密度。假定空气和半导电媒质分界面上满足列翁托维奇边界条件地波传播特性111ˆˆzxzSxSS(5)1111Re2zxySEH(6)1111Re2xzySEH(7)EH1zS1xS0601rrj(8)2016/3/813/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering则在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足或写成当观察点远离波源，则可将到达观察点处的电波视为平面波，令时谐因子为，为空气中的波数。地波传播特性220eyzHE(9)110eyzHE(10)0110jkzxxmEEex(11)jte000k(12)2016/3/814/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering则根据列翁托维奇边界条件，由（10）有根据边界条件，由（4）可得地波传播特性0110yxHE(13)000111110060xxzyxeerrEEEHEj(14)01121060xxxxerrEEEEj(15)21zzEE(16)21yyHH(17)2016/3/815/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering统一写出上述分量若已知值，则其余各分量均可由以上各式求出。上述场强表示式是在满足列翁托维奇条件下提出的。对于中、长波地波传播情况，沿一般地质传播时该条件是满足的。地波传播特性0601arctan2112224060rjxzzrEEEe(18)060arctan1222060rjxxrEEe(19)112120xyyEHH(20)1xE2016/3/816/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波传播特性场模式与极化地波属于TM模式，即沿传播方向上的电场分量不为零。在贴近地面靠近大气一侧电场横向分量Ex1远大于纵向分量Ez1，二者相位亦不同，因而合成场是一椭圆极化波，如图4所示，电场的倾角ψ为图4平面地上的椭圆极化波2240arctan60r(21)地波传播特性2016/3/817/29xE1zE1xzE10000rSchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering作用距离垂直极化波沿地面传播时，由于大地对电波能量的吸收，产生了电场纵向分量Ez1，相应的沿-x方向传播的功率流密度代表地波的传输损耗。若地面电导率σ越大或电波频率愈低，Ez1分量就愈小，说明传输损耗也就愈小。因此地波传输方式尤其适用于长波、超长波波段。中波可作为近距离地波传播。接收天线选择沿地表大气一侧内，电场横向分量Ex1远大于纵向分量Ez1，而在大地中，纵向分量Ez2却远大于横向分量Ex2。因此在地面上接收地波场分量时，宜选用直立天线以接收Ex1。若受条件限制，也可使用低架或铺地水平天线接收Ez1分量，但由于Ez1远小于Ex1，故需使用有效长度长的天线来接收，并且接收天线附近地质宜选择εr及σ较小*111Re2xzySEH地波传播特性2016/3/818/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering的干燥地为宜。若用埋地天线接收地波场强时，必须采用水平天线接收Ez2分量。由于地下波传播随着深度的增加，场强是按指数规律衰减的，因此，天线的埋地深度不宜过大，以浅埋为好。地波传输优势地波是沿着地表传播的，由于大地的电特性及地貌地物等并不随时间很快的发生变化，并且基本上不受气候条件的影响，特别是无多径传输现象，因此地波传播信号稳定，这是一大突出优点。地波传播特性2016/3/819/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波场强计算地球表面的电特性内容安排地面不均匀性对地波传播的影响地波传播特性2016/3/820/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering严格计算地波场强是非常复杂的。工程应用中可利用国际无线电咨询委员会（CCIR）推荐的布雷默曲线，作为计算地面波场强的一种方法。图5绘制了地波沿海面及湿地表面传播时的场强曲线。使用条件是：①假设地面是光滑的、地质是均匀的；②发射天线使用短于λ/4波长的直立天线（方向系数Dt约等于3），辐射功率PΣ为1kW；③计算场强是横向电场分量Ex1。图中纵坐标表示电场强度（有效值），以μV/m计，或以dB（μV/m）表示。1μV/m相当于0dB。该曲线查出的场强值为Ex1的有效值。代入PtGt=PΣDt的关系式，则Ex1可写为地波场强计算1173kWmV/mkmtxPDEAd(22)2016/3/821/29SchoolofElectronicEngineeringEMWPropagationEngineering地波场强计算图5地波传播曲线1（海水：σ=4S/m，εr=80）2016/3/822/2910612346