1、 9.0 媒质对电波的影响媒质对电波的影响 9.1 地球表面电特性地球表面电特性 9.2 地面波的传播特性地面波的传播特性 9.3 地面波场强的计算地面波场强的计算 9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响地面不均匀性对地面波传播的影响 本章内容 无线电波传播的实际媒质包括地球环境和宇宙空间。 主要有两方面：l电波在其中传播时受媒质的电参数的受媒质的电参数的影响影响；l电波遇到不同媒质交界面的影响遇到不同媒质交界面的影响n 均匀媒质的复介电常数0 为了既反映媒质的介电性r，又反映媒质的导电性，可采用相对复介电常数相对复介电常数060rrrjj其中,01/3610-9 F/m；是自由空间波长。 对
2、极大多数媒质1r即 均匀绝缘介质中均匀绝缘介质中rrvcnnccvk式中/介质折射率半导电媒质中半导电媒质中rjpnn)(jpncjk半导电媒质中半导电媒质中pcncpnrrrr21222122)60(21)60(21nzcjpzczjzzjjxeeEeeEeEE00)(02122)60(21rrcncv折射率媒质吸收系数相位常数衰减常数l因媒质吸收能量而振幅衰减，衰减快慢与因媒质吸收能量而振幅衰减，衰减快慢与介质和频率有关。介质和频率有关。l传播速度与介质和频率有关。传播速度与介质和频率有关。 色散：电波传播的相速与频率有关的色散：电波传播的相速与频率有关的现象。现象。电波在半导电媒质中传播
3、电波在半导电媒质中传播2122)60(21rrp2122)60(21rrcncv传播速度传播速度媒质吸收系数媒质吸收系数 060fDrrJJ 判断标准判断标准 通常把传导电流密度Jf与位移电流密度JD作为衡量标准。l当传导电流比位移电流大得多,即60/r1时，媒质具有性质；l当位移电流比传导电流大得多,即60/ r 1时，大地具有良导体性质;l 60/ r 1时，可将大地视为电介质;l 而二者相差不大时，为半电介质。各种地质的各种地质的6060/ /r r值值 9.2 地面波的传播特性 当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的电波是沿着半导电性质和起伏不平的地表面进行传播的。u 一方面由于地表面的
4、半导电性质，使电波的场结构发生变化场结构发生变化并引起电波吸收电波吸收；u 另一方面由于地球表面呈现球形使电波传播的路径按绕射绕射的方式进行。u 地 面 波 传播还与有关，理论计算和实验均证明地面波地面波不宜采用水平不宜采用水平极化波传播。极化波传播。水平极化和垂直极化波的地面衰减水平极化和垂直极化波的地面衰减 波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾斜的一种现象，地面波传播的重要特点之一。1111Re()2SEHxE1xE1E1zH1yAE2zz(a)xOzS1xH1yS1zS1(b)E1(a)电场方向 (b)坡印廷矢量方向由于地面是半导电媒质，低架直立天线辐射的垂直极化波将在传播方
5、向上存在电场分量波沿z轴方向传播yOz面为地平面下标“1”表示在空气内下标“2”表示在大地内121212120zzyyxxxxEEHHEEBB利用边界条件边界条件，有若地面满足M.A.列翁托维奇近似边界条件列翁托维奇近似边界条件：601rrj利用边界条件1010zyrEH 又在空气中在空气中有: 1010 xyEH在界面大地一侧大地一侧的电、磁场水平分量之间满足2020 xyrEH yzHE22 地面波各场分量地面波各场分量 12124221222112(60)(60)12060arctanjxzzrjxxrxyyrEEEeEEeEHH式中 地面上：垂直分量大于地面上：垂直分量大于水平分量水平
6、分量地面下：水平分量大于地面下：水平分量大于垂直分量垂直分量若已知若已知E1xl 地面波传播采用垂直极化波采用垂直极化波，天线则多采用直立天线的形式。l波前倾斜现象波前倾斜现象具有很大的实用意义。可以采用相应形式的天线，有效地接收各场强分量。地面上：垂直分量大于水平分量地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量地面下：水平分量大于垂直分量 422arctan(60)r波前倾斜角波前倾斜角为l地面上电场为狭长椭圆极化波地面上电场为狭长椭圆极化波。在短波、超短波段，垂直分量与水平分量相位差趋于零，所以可近似认为电场是与近似认为电场是与椭圆长轴方向一致的线极化波椭圆长轴方向一致的线极化
7、波。l 地面波在传播过程中有衰减传播过程中有衰减。沿-x方向传播的功率流密度1111Re()2xzySE H频率越低，地面对电波的吸收越小频率越低，地面对电波的吸收越小。因此地面波传播方式特别适用于长波、超长波波段。电波的传输损耗l传播较稳定传播较稳定。由于大地的电特性、地貌地物等不会随时改变，并且地面波基本上不受气候条件的影响，故地面波传播信号稳定。l有绕射损耗有绕射损耗。障碍物越高，波长越短，则绕射损耗越大。长波绕射能力最强，中波次之，短波较弱，而超短波绕射能力最弱。 千 米 时 ，必须考虑球面地造成的绕射损耗。1173()/()rxP kW DEAmV mr km380/()f MHzr
8、地面衰减因子辐射功率方向系数一般计算E1x有效值的表达式为 工程应用上，常采用国际无线电咨询委员会（CCIR）推荐的一组曲线（布雷默Bremmer计算曲线），来计算E1x。使用条件是：106123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 810420 0204060801001201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)传播距离 / kmdB( V / m)20 0204060801001201.5 MHz(200m)1 MHz(3
9、00m)700 kHz(429m)500 kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)105521042103210221012100210125555555V / m106传播距离 / kmdB( V / m)123 46 8 1023 46 810223 46 810323 46 810420 0204060801001201.5 MHz(200m)1 MHz(300m)700 kHz(429m)500kHz(600m)300kHz(1000m)200kHz(1500m)150kHz(2000m)105521042103210221012
10、100210125555555V / m106传播距离 / kmdB( V / m)123 46 81023 46 810223 46 810323 46 8104当Pr1kW，D3时，则换算关系为15173 1 3(/)()3 10/()xEA mV mr kmAV mr km15173 1 3(/)()3 10/()xEA mV mr kmAV mr km当Pr=1kW，D=3时3)(11DkWPEErxx查表9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响 假设电波在第2段路径遭受到的吸收与第1段的吸收无关，可以分段计算。首先按下式计算B点的场强:111173()( )/()BP kW DEA r
11、mV mr kmABC1 , 12 , 2r1r2 式中A1(r1)是第1种地面上距离为r1的衰减因子。如果把第1段地面用与第2段性质相同的地面代替，则要在B点保持场强不变，天线辐射功率应由原来的Pr调整到一个新的数值Pr，其大小由下式确定:112111173173( )( )rrBPDPDEA rA rrr所以 21121( )( )rrA rPPA r 式中A2(r1)是地质为2、2，距离为r1的衰减因子。现在，辐射功率辐射功率Pr 在完全是在完全是第第2种地质情况下传播至种地质情况下传播至C点的场强就被点的场强就被认为是原来的数值认为是原来的数值。因而可求得C点的场强为212121121
12、212212121121173()()()()173()( )()/()()( )()( )( )CPkW DEA rrrrkWP kW D A r A rrmV mrrkWA rE rrE rE r式中, lE1(r1)是电波在第1种媒质传播r1距离后的场强; lE2(r1)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1距离后的场强; lE2(r1r2)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1+r2距离后的场强。 212121121212212121121173()()()()173()( )()/()()( )()( )( )CPkW DEArrrrkWPkW D A r ArrmVmrrkWArErr
13、ErEr 为 了 补 救 这 一 缺 点 ，提出取两者的几何平均作取两者的几何平均作为近似解为近似解，即接收点场强为ACCAEEE 用上述方法计算场强虽然不严格，但方法简便，结果符合工程要求，所以应用很广。上述方法可以推广到多种不同电参数组成的混合路径的传播。 。三段不同性质地面传播示意图A海 水干 土海 水 BA干 土海 水干 土B2addaa(a)(b) 例如，在下图所示的条件下，地面波从A点出发，经混合路径到达B点，可算出衰减因子。三段不同性质地面传播的衰减因子 00.20.40.81.00.6A0.50.10.050.010.0050.001海洋干土海干土海洋干土2a /d 由图可见，
14、虽然总的路径是相等的，但“海洋-干土-海洋”的路径损耗小于“干土-海洋-干土”的路径损耗。这说明地面波路径的各段起的作用不相同，邻近发射天线和接收邻近发射天线和接收天线的地区，对地面波的吸收起决天线的地区，对地面波的吸收起决定性的作用，而路径中段的地质情定性的作用，而路径中段的地质情况对整个路径衰减的影响不如两端况对整个路径衰减的影响不如两端大大。 可以把地面波的传播过程和飞机的飞行相比拟，好像电波是从发射天线地区起飞，在离开地表面一定高度上向接收天线方向飞行，然后在到达接收天线的区域降落。只有在起飞和降落时，地面对飞机才起作用。这种现象称为地面波的效应。在实际工作中适当选择发射、接收天线附近的地质是很重要的。发收作业 地面波在一湿地上传播，衰减系数A=0.67，天线辐射功率Pr=10kW,方向系数D=3，波长1200m，求距天线250km处的场强。
