电波传播理论（徐立勤）03无线电波传播环境

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1、3.1地球大气、地面与无线电波传播人类活动和赖以生存的主耍空间场所仍然限于地球表面及其周圉不远的空间范圉。无线电通信业务及其用以远距离传输业务信息的无线电波传播自然也主要发生在这些空间场所。所以，我们很容易理解，大体而言，地球大气是无线电波在自然环境中传播时所要遭受其影响的主要的、甚至是唯一的介质，而地面及其覆盖物则是无线电波在自然环境屮传播时所要遭遇的主要的、甚至是唯一的边界条件。总之，大气层和地面是影响自然坏境下无线电波传播的主要因素。通常，从低到高，依次把包圉地球的大气层分为四个层次：对流层、平流层（同温

2、层）、电离层、磁球层，如图3」所示。图3・1大气层、地面与无线电通信方式1:地面通信；2:对流层散射通信；3：卫星通信；4：短波电离层通信。3.1.1对流层从地面到对流层顶的大气层被称为对流层。在对流层中，大体上，温度随高度以6.5。。公里的速率下降，当在某一高度上温度开始不再降低，而达到大约的恒定值时，这一高度就被定义为对流层顶。在中纬度地区，对流层顶的海拔高度大约为12公里，在我国大陆地区，对流层顶的高度为11〜13公里；在赤道地区，大约为18公里；在两极地区则只有8公里左右。对流层是中性大气层。对流层内中

3、进行看各种各样复杂的规则和随机的天气过程。对流层主要影响VHF以上频段无线电波的传播，特别是微波和毫米波。对流层对无线电波传播的影响取决于对流层本身的电磁特性。对流层的电磁特性以其折射指数来表征，这个参数取决于空气的介电常数、导电率和导磁系数。对流层的导磁系数通常等于1；而且，在VHF以上频段，大多数情况下，对流层可以被看成是无热损耗的介质，即导电率为零。因此，对流层的折射指数仅取决于空气的介电常数，而介电常数是空气压力、温度和湿度的函数。由于在对流层屮每时每刻都在进行着各种各样的复杂的天气过程，所以，空气的温

4、度、压力和湿度等三个基本气象参数乃至折射指数都随时间和空间发生着各种各样的十分复朵的规则的和随机的变化。这些变化导致各种各样的传播现象，比如，射线路径的弯曲，电波出射角和到达角的变化，信号的延时，人气波导传播，多径传播现象，信号衰落，散射，聚焦、散焦效应，去极化，吸收和信号起伏等等现象，这些传播现象可能严重地影响无线电波的幅度、相位、极化、吋延、波速、频率、波长、波传播方向，乃至极大地影响无线电通信业务的容量、质量和可靠性。另外值得指出的是，在对流层中，还存在各种形式的水凝体和沙尘，水凝体，如雨、雾、雪、雹等等

5、。这些存在于对流层中的液态或固态的粒子或微粒子，在微波以上的频段，会引起无线电波的衰减和散射，一方面招致通信性能的降级，另一方面也可能引起对其它通信系统的干扰。3.1.2同温层（平流层）从对流层顶到大约60公里高度的大气层被称为同温层。同温层是中性大气，空气又很稀薄，可想而知，同温层对无线电波传播的彫响是小的。事实上，所有频段的无线电波，在同温层传播时，都可以近似地把同温层看作为真空。3.1.3电离层从60公里到大约2000〜3000公里的大气层被称为电离层。电离层的主要成分是电离气体。电离层主要影响HF（短波

6、）以下频率的无线电波的传播。频率低的无线电波不能穿越电离层，而是被电离层反射，以致可以到达很远的距离，这是短波通信的主要传播机理。电离层的折射指数与1之差是与频率的平方成反比的，在VHF以上频率，电离层的折射指数是非常接近于1的。VHF以上频率的无线电波传播可以忽略电离层的影响，只是在VHF频段的低端有时需要考虑电离层的某些二级传播效应。电离层以上的大气就是磁球层。在本书中，我们只讨论VHF以上频率的无线电波传播。所以，基本上，不涉及电离层与磁球层的电波传播问题。3.1.4下贴面地球表面，即地面，及其地面覆盖物

7、，我们姑且称之为下贴面，它是影响无线电波传播的另一个重要因素。地面及其覆盖物可以引起无线电波的反射、散射、遮蔽和阻挡（绕射衰减）效应，这些传播现彖与下贴面的类型、地面的电磁特性和地形粗糙度紧密相关。水而和没有农作物覆盖的平原地区的田野，地而反射可以很强烈，可引起很深的反射衰落；在森林地区和山区，地面反射很小。城市的房屋建筑会引起无线电波的散射、反射和阻挡，产生严重的多径衰落。在无线电通信屮，地形和地物对无线电波的阻挡也是经常需要考虑的重要问题。无论是对于地空通信还是对于地面通信，特别是地面通信，无论是对于长波、

8、短波、超短波还是微波，所有的频段，下贴面的影响都是不可回避的、不容忽视的因素。不同的通信方式与大气层和下贴面的关系可见图3.1。各种频段上的地面通信和对流层散射通信都只与地面地物和对流层介质有关，不必涉及电离层问题。卫星通信的地空传播电路，有一定的仰角，虽然地面地物的影响是不可避免的，但是，与地面通信相比较，卫星通信受下贴面地面地物的影响是比较小的。卫星通信的传播路径要同时穿过对流层与