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无线电波传播漫谈

   HAM在日常的通联中,经常会遇到若干有关无线电波的词汇 ——短波、超短波、7m、14m、UHF/VHF段、400MHz、电离层等等,对于刚刚进入这个大门的爱好者来说,很多时候都会云里雾里,不知所云。为此,本刊专门组织此文为大家介绍有关无线电波方面的常识,希望对大家了解无线电通信有所帮助。


  业余电台通信的一个重要基础是无线电波的传播。发射天线或自然源辐射的无线电波,通过介质或受到介质分界面的影响,而到达接收天线的过程,称为无线电波传播。无线电波在介质或介质分界面的影响下,有被折射、反射、散射、绕射和吸收等现象。接收点的无线电信号,也有衰减和干扰出现。为了确定无线电系统的频率、功率、增益、灵敏度、信号噪声比和工作方式等技术信息,都需要对无线电波传播特性有所了解。


电波的划分我们按照无线电波的波长人为地把电波分为超长波、长波、中波、短波、超短波等(无线电波波段划分见表1)。业余无线电频段从低频到高频被划分成许多不连续的频段,常用的有HF频段、 VHF频段和UHF频段,频率再高的频段只用于业余卫星通信和微波(分米波、厘米波及毫米波总称)通信实验。

 


电波的主要传播方式:


1.地波传播

 

地波传播是指电波沿着地球表面传播的情况。这时电波是紧靠着地面传播的,由于地球表面是半导体,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。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


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做天波。在距地球表面60~1000千米的高空,存在的大气层叫电离层,而且电离层也有分层结构,各层的高度和电子密度状态也不同,国际上常常这样划分: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。电离层分层结构只是电离层状态的理想描述,实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化,并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周期等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同,各层的形态变化也不尽相同。

  

 


3.空间波传播


电磁波直接从发射天线传播到接收天线叫直射波,另外还可以经地面反射而到达接收天线叫反射波,直射波和反射波合称空间波。所以接收天线的场强是直射波和反射波的合成场强,直射波不受地面影响,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。

 

 

4.散射传播

 

大气对流层中,除了有规则的片状或层状气流外,还存在有不规则的气流,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,这种传播称为散射传播。

 

 


电离层分层结构及传播特点

 

地球表面被厚厚的大气层包围着。大气层的底层部分是“对流层”,其高度在极区约为9千米,在赤道约为16千米。在这里,气温除局部外总是随高度上升而下降。人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层,但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。在离地面约10到50千米的大气层是“同温层”,它对电波传播基本上没有影响。离地面约50到500千米高空的空气很少流动,在太阳紫外线强烈照射下,气体分子中的电子挣脱了原子的束缚,形成了自由电子和离子,即电离层。由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射,电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层,每个分层的密度都是中间大两边小。

 


电离层对电波的反射与吸收

 

人们发现,当电波以一定的入射角到达电离层时,它也会像光学中的反射那样以相同的角度离开电离层。显然,电离层越高或电波进入电离层时与电离层的夹角越小,电波从发射点经电离层反射到达地面的跨越距离越大,这就是利用天波可以进行远程通信的根本原因。而且,电波返回地面时又可能被大地反射而再次进入电离层,形成电离层的第二次、第三次反射。由于电离层对电波的反射作用,这就使本来是直线传播的电波有可能到达地球的背面或其他任何一个地方。电波经电离层一次反射称为 “单跳”,单跳的跨越距离取决于电离层的高度。

 

 


电波进入电离层的入射角度取决于天线的结构和天线离地面的高度,而电离层的高度则与时间和季节有关。如果电波频率太高,或者入射角度太陡,会造成电波还末来得及折回足够的角度就已穿出F2层而射向外层空间,再也回不到地面。因此在每一个时间,对于一对收发信地点来说,工作频率存在一个最高限度,只有等于或低于这个频率,电波才能从一点通过F2层反射到另一点。这个频率称为“最高可用频率(MUF)”。在MUF附近,往往功率很小的信号也可传播很远,但由于电离层参数的变化,在MUF附近工作常常传播不稳定。反过来,如果白天使用的工作频率比MUF低得太多,则电波在到达F2层反射点前,以及离开F2层反射点后,都会在穿过D、E层时受到严重吸收衰减,使到达接收点的电波强度低于环境电磁噪音,不但要求加大发射功率,有时干脆无法沟通联络。所以,兼顾反射的稳定性和减少衰减,工作频率应略低于MUF。在夜间或太阳黑子活动低潮期,F2层电离密度相对减弱,电波更容易射出电离层,故MUF也相对变低。

 

电离层对无线电波有吸收作用。当电波进入电离层后,电离层内的自由电子受到电波的作用产生运动,与气体分子发生碰撞并消耗能量。这个能量是电波供给的,也是电波通过电离层时要消耗能量,这种现象称为电离层对电波的吸收。电离层对电波吸收作用的大小上要决定于电子密度和无线电波的频率,工作频率越低,电离层密度越大,吸收作用也就越大。所以从昼夜来说,白天比夜晚吸收大;从季节来说,夏季比冬季吸收大。由于电离层高度及密度的变化,电波在被反射过程中极化方向会发生旋转,接收到的信号强度会有或快或慢的周期性起伏变化,人们称之为 “衰落现象 ”。


HF传播


短波可以靠地面波和天波传播。由于短波频率较高,地面吸收较强,用地面波传播时,衰减很快,在一般情况下,短波的地面波传播的距离只有几十千米,不适合作远距离通信。与地面波相反,天波在电离层中的损耗却减小,因此短波主要利用电离层对电波的一次或多次反射,进行远距离无线电通信。


白天,尤其夏季,F2层密度大,电波容易反射,有可能在较高频段进行DX收听和联络,如14MHz、18MHz、21MHz、24MHz各频段。特别是太阳黑子活动高潮期,28MHz频段也会“开放”,收到极好的效果,但是,由于D、E层吸收严重,频率越低,信号强度越受影响,尤其1.9MHz、3.5MHz和7MHz各段白天很难收听到DX信号。为了接收弱信号,接收的灵敏度要高,本身的噪音要小。


夜间或太阳黑子活动低潮期的冬季白昼,F2层密度很小,电波容易穿出,除本地信号外,21MHz、24MHz、28MHZ等较高频段往往一片寂静。所以夜间适宜在较低频段如3.5MHz、7MHz、10MHz(有时包括14MHz)等频段进行DX收听或联络。由于D、E层消失,衰减很小,夜间不但有用信号很强,而且远处来的干扰信号也很强,这时对接收机讲更重要的是极高的选择性。

 

 


各国的电信研究机构在全球建立了一百多个电离层观测站,研究预报电离层活动的情况。一个月左右的长期预报一般是根据观测到的太阳黑子数,利用一些经验公式计算。最佳收听或联络频率可以根据电离层预测报告中得到。如果手头没有预报资料,可以按白天高、夜间低,夏季高、冬季低,太阳黑子活动高潮期高、低潮期低,距离远高、距离近低的原则,选取频率。此外,也可以根据监听世界各地业余信标台或有关广播电台的信号来估计当时的传播效果。


NASA去年发布了基于GoogleEarth动态显示的地球电离层数据。它不仅有很酷的外观,而且实用性也很强。加载了NASA的KML文件后,地球看起来像一个美丽的水晶球。它还给需要使用中短波的人们提供了很好的提示,你可以通过不同颜色的电离层了解传播情况,红色代表的是受干扰较强的区域。在这些红色区域,电磁波传递可能会受到影响。蓝色或深色代表的是无线电通信正常的区域。如果感兴趣可以去网站(http://sol. spacenvironment. net/~ionops/index.html)下载安装。

 

 

短波传播主要靠空中电离层折射,而电离层又受自然环境因素影响,时刻在变化着。实际通联中需要摸索电离层变化规律,掌握电离层变化对通信频率的影响,规避不利因素,变被动为主动。表3~表5是常用的几个有关无线电波的数据表格,希望读者朋友能有所了解。

 

           

 

作者:郑予东(BG1HOB)

 

转载:http://www.hobbypress.cn/bencandy.php?fid-296-id-3106-page-1.htm

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