近地区域中性介质内的电波传播

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1、RadioWavePropagation无线电波传播第七讲近地区域中性介质内的电波传播2类似于光在不均匀大气中传播中的弯曲现象，电波在对流层传播中由于大气的不均匀也会发生弯曲，电波射线的弯曲程度与折射率值无关而与其梯度相关。在标准大气环境下，大气折射指数随海拔高度增高指数递减，此时折射率沿高度的分布是条单调递降的光滑曲线。然而在反常的大气环境下，大气折射率沿高度的分布可以分成若干个区段，在某些区段折射率梯度远远偏离正常值，使电波射线的弯曲程度加大。在一定气象条件下，以较低仰角发射的电波射线甚至会折向地面，使得电波射线不断返回下垫层，再

2、次返向折射或反射向前传播，形成类似于金属波导的传播效应，被称之为大气波导传播。对流层传播研究过程中，为了解释对流层波导传播这样的反常传播，主要使用了三种从麦克斯韦方程组演化出来的基本理论。它们是波导模理论，抛物型方程理论以及几何光学理论。几何光学理论在对流层传播中被演化为射线描迹技术。通过对电波射线的准确描迹可以给出波导传播的明晰物理图景，利用较先进的计算程序射线描迹也可以将大气的不均匀分布考虑在内来模拟波导传播。4.6对流层中电波的折射4.6.1对流层对电波传播的影响（1）气象三要素——温、压、湿的变化。导致大气密度、导电性能随高度

3、或位置变化，引起电波折射指数的变化。（2）天气现象——云、雨、雾的影响。引起电波散射与吸收。（1）对流层中折射指数的局部起伏可引起电波能量的散射；（2）折射指数水平分层时的突变可导致电波的反射；（3）折射指数的大尺度的变化可引起电波的折射。特别是n的负梯度的出现会引起波导传播。上述影响的结果是使无线电波的能量远远超过正常的视距而传播，并产生各无线电路之间的干扰。折射指数变化对电波的具体影响4.6.2对流层中的射线弯曲根据几何光学的知识，大气折射指数随高度变化的一般后果是无线电波不再是直线传播，这是因为射线可能遭到连续折射以致弯曲。对流

4、层的折射指数由下式给出：式中，p和e分别是总大气压和水汽压，T是温度，A和B是由实验确定的常数。大气折射率N也可采用公式设大气是水平分层的，且其特性只随高度变化，每一薄层中的大气参数不变（密度、温度、水汽），并在每个薄层间的界面处用斯涅耳定律，如图：或一般表示为：如果用仰角表示，则（4-71）（4-72）由上图（b），有（4-73）负号可以这样说明：因为我们选取的射线元是向上凸的，随着Δs的增加仰角减小，而习惯上又称为正曲率。对（4-72）式求微商（4-75）在对流层中，对于低仰角射线，因此，射线的曲率半径为：（4-76）可见折射率沿

5、高度的梯度愈大，射线的曲率半径愈小，曲率愈大。研究电波在大气中的折射时，方便的是用几何方法得到等效地球或等效射线模型。这种方法认为电波在大气层中仍是直线传播，所不同的是不在实际地球上空，而是在等效地球上空。为使得二者等效，必须使得等效地球上空直线轨迹上的任一点到等效地球的距离与真实地面上空的弯曲射线上该点到真实地面的距离相等。如图，（a）实际地球和实际射线；（b）直线轨迹与等效地球半径；（c）平面地球模型和等效射线半径。对于直线轨迹，由图4-24（a）、（b），有对于平面地球模型，由图4-24（a）、（c）这里，前者的后者的因此，（4

6、-77）即：两种等效方法所得的结果一致。（4-78）（4-79）标准大气的折射指数梯度为计算求得等效地球半径因子为4.6.3对流层中的射线描迹射线描迹是对电波射线轨迹的描述。射线轨迹的求解：主要涉及到Snell折射公式如图3一1所示，T为发射源位置，氏为电波射线的初始出射仰角，在己知地面折射指数n0，地球半径r0和的情况下，可用地面上的距离x和高度h的函数关系代表射线的轨迹方程，一组x和h的数据，唯一的确定射线上对应点的位置。现在来推导对应的轨迹方程。4.7对流层散射传播4.7.1对流层散射机理上世纪四十年代，人们从大气波导的实验中发

7、现了微波的超视距传播现象。为了解释微波的超视距传播，人们提出了许多理论来研究对流层散射传播，即：湍流理论，非相干反射理论和相干反射理论。如图，（a）表示对流层湍动结构的不相干散射；（b）表示稳定层的相干反射；（c）表示锐变层的非相干反射。前已指出，对流层中由于高的或低的温度和（或）湿度的局部起伏，会引起折射指数的小尺度变化。如果n的不均匀性足够强，他们将散射无线电波能量。对流层中，当一种空气流运动到另一气流上，或潮湿和热气团的垂直运动等，导致一种气团完全进入有不同湿度和温度的区域。这种气团的运动，不同n值较大尺度的空气团因为风切变进一

8、步被破碎。由这种非均匀体所散射的电波，可以到达从散射体上所能看到的所有接收点。例如，当散射体位于地面上空10km高度时，其地面覆盖半径可达700km。如考虑对流层的折射，其传播距离更远。对流层散射特性依赖于非均匀体的几何