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无线电波的传播特性

菜鸟
2007-09-23 20:43:37    评分
移动通信的一个重要基础是无线电波的传播,无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线,我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波(波长1000米以上),中波(波长100-1000米),短波(波长10-100米),超短波和微波(波长为10米以下)等等。为了更好地说明移动通信的问题,我们先介绍一下电波的各种传播方式:

  1.表面波传播

  表面波传播是指电波沿着地球表面传播情况。这时电波是紧靠着地面传播的,地面的性质,地貌,地物等的情况都会影响着电波的传播。

  当电波紧靠着实际地面--起伏不平的地面传播时,由于地表面是半导体,因此一方面使电波发生变化和引起电波的吸收。另一方面由于地球表面是球型,使沿它传播的电波发生绕射。

  从物理课程中我们已经知道,只有当波长与障碍物高度可以比较的时候,才能有绕射功能。由此可知,在实际情况中只有长波,中波以及短波的部分波段能绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方。在短波的部分波段和超短波,微波波段,由于障碍高度比波长大,因而电波在地面上不绕射,而是按直线传播。

  2.天波传播

  短波能传至地球上较远的地方,这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释。直到1925年,利用在地面上垂直向上发射一个脉冲,并收到其反射回波,才直接证明了高层大气中存在电离层。籍此电离层的反射作用,电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方。我们把经过电离层反射到地面的电波叫天波。

  电离层是指分布在地球周围的大气层中,60km以上的电离区域。在这个区域中,存在有大量的自由电子与正离子,还可能有大量的负离子,以及未被电离的中性离子。发现电离层后,尤其近三四十年来,随着火箭与卫星技术的发展,利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究。当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分,其研究的空间范围和频段也日益宽广。

  在电离层中,当被调制的无线电波信号在电离层内传播时,组成信号的不同频率成分有着不同的传播速度。所以波形会发生失真。这就是电离层的色散性。同时,由于自由电子受电波电场作用而发生运动,所以当电波经过电离层,其能量会被吸收一部分。而且,从电离层吸收电波的规律看,若使用电波的工作频率太低,则电离层对电波的吸收作用很强。所以天波传播中有一个最低可用频率,低于这个频率,就会因为电离层对电波的吸收作用太大而无法工作。

1.空间波传播

  当发射以及接收天线架设得较高的时候,在视线范围内,电磁波直接从发射天线传播到接收天线,另外还可以经地面反射而到达接收天线。所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强,直接波不受地面影响,地面反射波要经过地面的反射,因此要受到反射点地质地形的影响。

  空间波在大气的底层传播,传播的距离受到地球曲率的影响。收,发天线之间的最大距离被限制在视线范围内,要扩大通信距离,就必须增加天线高度。一般地说,视线距离可以达到50km左右。

  空间波除了受地面的影响以外,还受到低空大气层即对流层的影响。

  移动通信中,电波主要以空间波的形式传播。类似的还有微波传播。

  2.散射传播

  大气对流层中,除了有规则的片状或层状气流外,还存在有不规则的,这类似于水流中漩涡的不均匀体。相应的,在电离层中则有电子密度的不均匀性。当天线辐射出去的电波,投射到这些不均匀体的时候,类似于光的散射和反射现象,电波发生散射或反射,一部分能量传播到接收点的这种传播称为散射传播。这种通信方式通信距离可达300-800km,适用于无法建立微波中继站的地区,例如用于海岛之间和跨越湖泊,沙漠,雪山等地区。但是,由于散射信号相当微弱,所以散射传播接收点的接收信号也相当微弱,即传播损耗很大,这样,散射通信必须采用大功率发射机,高灵敏度接收机和高增益天线。

  3.外层空间传播

  电磁波由地面发出(或返回),经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播,如卫星传播,宇宙探测等均属于这种远距离传播。由于电磁波传播的距离很远,且主要是在大气以外的宇宙空间内进行,而宇宙空间近似于真空状态,因而电波在其中传播时,它的传输特性比较稳定。我们可以把电波穿过电离层外面的空间传播,基本上当作自由空间中的传播来研究。至于电波在大气层中传播所受到的影响,可以在考虑这一简单的情况基础上加以修正。

前面我们对电磁波的各种传播方式做了介绍,在这里,我们简单地介绍一下各个波段的传播特点,我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波(波长1000米以上),中波(波长100-1000米),短波(波长10-100米),超短波和微波(波长为10米以下)等等。各个波段的传播特点如下:

  1.长波传播的特点

  由于长波的波长很长,地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300km时,到达接收点的电波,基本上是表面波。长波穿入电离层的深度很浅,受电离层变化的影响很小,电离层对长波的吸收也不大。因而长波的传播比较稳定。虽然长波通信在接收点的场强相当稳定,但是它有两个重要的缺点: 
  ①由于表面波衰减慢,发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈。
  ②天电干扰对长波的接收影响严重,特别是雷雨较多的夏季。

  2.中波传播的特点

  中波能以表面波或天波的形式传播,这一点和长波一样。但长波穿入电离层极浅,在电离层的下界面即能反射。中波较长波频率高,故需要在比较深入的电离层处才能发生反射。波长在3000-2000米的无线电通信,用无线或表面波传播,接收场强都很稳定,可用以完成可靠的通信,如船舶通信与导航等。波长在2000-200m的中短波主要用于广播,故此波段又称广播波段。

  3.短波传播的特点

  与长,中波一样,短波可以靠表面波和天波传播。由于短波频率较高,地面吸收较强,用表面波传播时,衰减很快,在一般情况下,短波的表面波传播的距离只有几十公里,不适合作远距离通信和广播之用。与表面波相反,频率增高,天波在电离层中的损耗却减小。因此可利用电离层对天波的一次或多次反射,进行远距离无线电通信。

  4.超短波和微波传播的特点

  超短波,微波的频率很高,表面波衰减很大;电波穿入电离层很深,甚至不能反射回来,所以超短波,微波一般不用表面波,天波的传播方式,而只能用空间波,散射波和穿透外层空间的传播方式。超短波,微波,由于他们的频带很宽,因此应用很广。超短波广泛应用于电视,调频广播,雷达等方面。利用微波通信时,可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰。

  超短波和微波在传播特点上有一些差别,但基本上是相同的,主要是在低空大气层做视距传播。因此,为了增大通信距离,一般把天线架高。




关键词: 无线电波     传播     特性     波长     电波     长波     微波     表面    

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