大连海事大学通信复试课件

1、第第 1 篇天线基本理论篇天线基本理论第第 1 章天线的基本电气特性章天线的基本电气特性 第第 2 章天线阵的电气特性章天线阵的电气特性 第第 3 章接收天线的电气特性章接收天线的电气特性第第 4 章地面对天线电气特性的影响章地面对天线电气特性的影响第第 2 篇无线电波传播篇无线电波传播与天线应用技术与天线应用技术 第第 5 章地面波传播与长中波天线章地面波传播与长中波天线第第 6 章天波传播与短波天线章天波传播与短波天线 第第 7 章空间波传播与超短波天线章空间波传播与超短波天线第第 8 章微波天线的理论与应用章微波天线的理论与应用第第 5 章地面波传播与长中波天线章地面波传播与长中波天线5

2、-1半导电地面上的平面电磁波半导电地面上的平面电磁波 5-2地面波场强的计算方法地面波场强的计算方法5-3电小天线的概念电小天线的概念5-4长中波垂直天线长中波垂直天线5-5中波环形测向天线中波环形测向天线第第 5 章地面波传播与长中波天线章地面波传播与长中波天线5-1半导电地面上的平面电磁波半导电地面上的平面电磁波一、半导电地面的电气特性一、半导电地面的电气特性二、半导电地面上平面电磁波的场量关系二、半导电地面上平面电磁波的场量关系地（表）面波传播地（表）面波传播: :无线电波沿地表面传播的方式。无线电波沿地表面传播的方式。在长波和中波波段，无线电波的工作波长有在长波和中波波段，无线电波的工

3、作波长有几千米、几千米、几百米几百米，即使地面上的小山头或高层建筑对地面波传播的，即使地面上的小山头或高层建筑对地面波传播的影响也不大；影响也不大； 在超短波和微波波段，即使海面上的小浪、地面上的在超短波和微波波段，即使海面上的小浪、地面上的小草对地面波传播也有较大的影响。小草对地面波传播也有较大的影响。 地面波传播是长中波无线电波的主要传播方式。地面波传播是长中波无线电波的主要传播方式。为了分析问题方便，在讨论长中波无线电波以地面播为了分析问题方便，在讨论长中波无线电波以地面播方式传播的时候，把地面看成是平坦和光滑的。方式传播的时候，把地面看成是平坦和光滑的。 一、地面波传播及半导电地面的电

4、气特性一、地面波传播及半导电地面的电气特性 讨论地面波传播，就是分析大地电气参数对电波传播讨论地面波传播，就是分析大地电气参数对电波传播的影响。的影响。但是，大地毕竟不是理想导体，无线电波在沿地表面但是，大地毕竟不是理想导体，无线电波在沿地表面传播的过程中，电磁波能量会通过地表面传入地下。传播的过程中，电磁波能量会通过地表面传入地下。如果如果在讨论无线电波传播的时候，仍把大地看做是理想导体，在讨论无线电波传播的时候，仍把大地看做是理想导体，就会与实际情况有较大的误差。这时需把地面看成是就会与实际情况有较大的误差。这时需把地面看成是半导半导电地面电地面。 由于电磁波具有趋肤效应，地表面附近的电气

5、参数对由于电磁波具有趋肤效应，地表面附近的电气参数对地面波传播有重要的影响，因此在实际工作中可以只考虑地面波传播有重要的影响，因此在实际工作中可以只考虑地表面附近的电气特性参数，而不必考虑大地电气参数沿地表面附近的电气特性参数，而不必考虑大地电气参数沿深度方向的变化。深度方向的变化。 在第在第 4 章讨论地面对天线影响的时候，把大地看成章讨论地面对天线影响的时候，把大地看成是理想导体，使分析天线辐射场的问题得到了简化。是理想导体，使分析天线辐射场的问题得到了简化。 在地表面，在地表面，如果电气参数是渐变的，在分析问题时可以如果电气参数是渐变的，在分析问题时可以考虑平均电气特性参数；考虑平均电气

6、特性参数；如果电气特性参数是突变的，则要如果电气特性参数是突变的，则要采用专门的方法加以处理。采用专门的方法加以处理。下表给出了不同地表面的电气特性参数。下表给出了不同地表面的电气特性参数。表表 5-1-1各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值 地表面的形式地表面的形式相对介电常数相对介电常数 r电导率电导率 (S/m)变化范围变化范围平均值平均值变化范围变化范围平均值平均值海海 水水80801 4.34河流和湖泊的淡水河流和湖泊的淡水808010 3 2.4 10 210 2湿湿 土土10 3020 3 10 3 3 10 210 2干干

7、 土土2 641.1 10 5 2 10 310 3森森 林林 10 3大大 城城 市市 7.5 10 4山山 地地 7.5 10 4表表 5-1-1各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值 地表面的形式地表面的形式相对介电常数相对介电常数 r电导率电导率 (S/m)变化范围变化范围平均值平均值变化范围变化范围平均值平均值海海 水水80801 4.34河流和湖泊的淡水河流和湖泊的淡水808010 3 2.4 10 210 2湿湿 土土10 3020 3 10 3 3 10 210 2干干 土土2 641.1 10 5 2 10 310 3森森

8、 林林 10 3大大 城城 市市 7.5 10 4山山 地地 7.5 10 4二、半导电地面上平面电磁波的场量关系二、半导电地面上平面电磁波的场量关系从表从表 5-1-1 可以看出，就电导率的绝对值来说，大地可以看出，就电导率的绝对值来说，大地表面一定深度以下范围的土壤实际是半导电媒质。表面一定深度以下范围的土壤实际是半导电媒质。但是，对于长中波无线电波来说，大地能够呈现良导但是，对于长中波无线电波来说，大地能够呈现良导体的特征。体的特征。1 图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 地面上侧存在地面上侧存在沿地表面传播的波和垂直地面向下的沿地表面传播的波和垂直地面向下的波波，

9、所以对应的有垂直地面的电场分量，所以对应的有垂直地面的电场分量E1x和平行于地面和平行于地面的电场分量的电场分量E1z。 等相位面又称为波等相位面又称为波前，因此前，因此这种现象又这种现象又称为波前倾斜现象。称为波前倾斜现象。由于地面上方电场由于地面上方电场强度矢量强度矢量 E1 同时存在同时存在着垂直和水平两个分量，着垂直和水平两个分量，任何瞬间两个分量的合任何瞬间两个分量的合成场就不再与地面垂直成场就不再与地面垂直了，因而了，因而合成波等相位合成波等相位面也就不再垂直于地表面也就不再垂直于地表面。面。图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 沿水平方向传播的电磁能量相应的电

10、场垂直分量为沿水平方向传播的电磁能量相应的电场垂直分量为 E2x，垂直向下传播的电磁能量相应的电场水平分量为垂直向下传播的电磁能量相应的电场水平分量为 E2z 。 电磁场在地表面的边界条件为电磁场在地表面的边界条件为 zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 大地为半导电媒质，大地为半导电媒质，其复数介电常数其复数介电常数 C 为为 传入到地表面以下的电磁波，同样沿着水平和垂直传入到地表面以下的电磁波，同样沿着水平和垂直两个方向继续传播。两个方向继续传播。 jC 图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 jC 相对复数介电常数相

11、对复数介电常数 60jjr0r0CCr 上式中，上式中， r 和和 分别为分别为表表 5-1-1 给出的大地相给出的大地相对介电常数和电导率，对介电常数和电导率，而而 = c/ f 为电磁波的工为电磁波的工作波长。作波长。图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 jC 60jjr0r0CCr 在地表面上方在地表面上方，沿沿 z 方向方向( (水平方向水平方向) )传播传播的电磁波仍可的电磁波仍可近似看成是近似看成是横电磁波横电磁波，因此其电场与磁场之间的相互关系为，因此其电场与磁场之间的相互关系为 1201011xxyEEH 可以证

12、明，可以证明，在地表在地表面下方面下方半导电媒质中沿半导电媒质中沿水平方向传播的电磁能水平方向传播的电磁能量非常少，因此量非常少，因此沿沿 x 方向方向( (垂直向下垂直向下) )传播的传播的电磁波也可以近似看成电磁波也可以近似看成是横电磁波。是横电磁波。zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 jC 60jjr0r0CCr 图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 1201011xxyEEH 沿沿 x 方向方向( (垂直向下垂直向下) )传播的横电磁波，其电场与磁场传播的横电磁波，其电场与磁场之间的相互关系为之间的相互关系为 C22 zyEH 大地是半导电媒质，因大地是半

13、导电媒质，因而其波阻抗为复数而其波阻抗为复数60j1r000CrC2C图图 5-1-1大地表面上下的电磁场大地表面上下的电磁场 C22 zyEH zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 jC 60jjr0r0CCr 1201011xxyEEH 60j1r000CrC2C 从上面各式之间的相互从上面各式之间的相互关系可以得知关系可以得知zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 jC 60jjr0r0CCr 1201011xxyEEH 60j1r000CrC2C C22 zyEH 60jr110C1C2C21 xxyyzzEEHHEE结论：结论：地表面上、下方电场的水平分量和垂直分量不仅

14、大小地表面上、下方电场的水平分量和垂直分量不仅大小不等，而且其相位也不相同。不等，而且其相位也不相同。 60j60jr2r1Cr12 zxxxEEEEzzEE21 yyHH21 xxEE2C10 1201011xxyEEH C22 zyEH 60jr110C1C2C21 xxyyzzEEHHEE 60j60jr2r1Cr12 zxxxEEEE一、电场水平分量与电场垂直分量量值的大小关系。一、电场水平分量与电场垂直分量量值的大小关系。在长中波波段上，工作波长为几百米到几千米，由表在长中波波段上，工作波长为几百米到几千米，由表 5-1-1 给出的数据可知上式等号右边分母的量值为给出的数据可知上式等

15、号右边分母的量值为 1)60()(60j422rrCr zzEE21 yyHH21 xxEE2C10 1201011xxyEEH C22 zyEH 60jr110C1C2C21 xxyyzzEEHHEE 60j60jr2r1Cr12 zxxxEEEE1)60()(60j422rrCr 从上面关系式容易看出，地表面上、下电场水平和垂直从上面关系式容易看出，地表面上、下电场水平和垂直分量的大小关系为分量的大小关系为 xzzxEEEE2211 1 1）在地面上方电场的垂直分量远大于水平分量，）在地面上方电场的垂直分量远大于水平分量，2 2）在地面下方电场的水平分量远大于垂直分量。）在地面下方电场的水

16、平分量远大于垂直分量。 60jr110C1C2C21 xxyyzzEEHHEExzzxEEEE2211 二、电场水平分量与垂直分量的相位关系二、电场水平分量与垂直分量的相位关系 rCrCr1160arctan21)arg(211arg21arg xzEE因为地面上方电场的水平分量与垂直分量的相位不同，因为地面上方电场的水平分量与垂直分量的相位不同，所以二者的合成场是所以二者的合成场是椭圆极化波椭圆极化波，如图，如图 5-1-2 所示。所示。 3)3)在地面上方接收长中波时，应该使用垂直接收天线；在地面上方接收长中波时，应该使用垂直接收天线；4)4)在地面下方，例如在矿井里或潜水艇里，接收长中波

17、无在地面下方，例如在矿井里或潜水艇里，接收长中波无线电波时，应该使用指向发射台的水平接收天线。线电波时，应该使用指向发射台的水平接收天线。 地面上方电场的水平地面上方电场的水平分量分量 E1z 超前超前于垂直分量于垂直分量 E1x 的相角为的相角为 图图 5-1-2平面地上传播的平面地上传播的椭圆极化波椭圆极化波 但是，由于但是，由于 |E1x| |E1z|，因此这个椭圆的形状是非常，因此这个椭圆的形状是非常狭长的，可以近似认为合成场是沿椭圆长轴方向极化的线狭长的，可以近似认为合成场是沿椭圆长轴方向极化的线极化波。极化波。 这个线极化波的极化方这个线极化波的极化方向与地面之间的夹角就是波向与地

18、面之间的夹角就是波前倾斜的角度，可以近似按前倾斜的角度，可以近似按下式计算下式计算zxEE11arctan 例例 5-1-1已知无线电波的工作频率为已知无线电波的工作频率为 f = 1 MHz，在湿，在湿土地面上传播，地面波电场的垂直分量为土地面上传播，地面波电场的垂直分量为 E1x = 1 mV/m，已查得湿土地面的平均电气参数为已查得湿土地面的平均电气参数为 r = 20， = 0.01 S/m。 试计算：试计算：( (1) ) 地面上下电场各分量；地面上下电场各分量；( (2) ) 地表面以下地表面以下 x = 5 m 深度处的水平分量电场的量值。深度处的水平分量电场的量值。 解解( (

19、1) ) 由无线电波的工作频率可求得工作波长以及由无线电波的工作频率可求得工作波长以及所求的各参量所求的各参量 m)(30010110368 fc 11.18101. 03006020602222rCr 46.1311.181Cr ) V/m 74.3) mV/m ( 3074. 046.131Cr121 （ xzzEEEm)(30010110368 fc 11.18101. 03006020602222rCr 46.1311.181Cr ) V/m 74.3) mV/m ( 3074. 046.131Cr121 （ xzzEEE) V/m 5.52) mV/m ( 52005. 011.18

20、11Cr12 （ xxEE 74.8546.13arctanarctan11zxEE ( (2) ) 由电磁场理论可求得大地的衰减常数由电磁场理论可求得大地的衰减常数) 1/m ( 6198. 0201. 0104102276 ) V/m 5 .27e3 .74e1986. 0550252 （ xzxzEEx = 5 m 深度处电场强度矢量深度处电场强度矢量 E 水平分量的量值水平分量的量值第第 5 章地面波传播与长中波天线章地面波传播与长中波天线5-2地面波场强的计算方法地面波场强的计算方法一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算二、经过不同土质地面传播的地面

21、波二、经过不同土质地面传播的地面波三、球形地面上的地面波传播三、球形地面上的地面波传播一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算已知已知理想导电地面理想导电地面上的垂直接地天线的最大辐射方向上的垂直接地天线的最大辐射方向沿地表面，其辐射场有效值为沿地表面，其辐射场有效值为 rhIrDPE ein 12060有有效效有有效效 大多数长中波天线都属于垂直接地天线，但实际地面大多数长中波天线都属于垂直接地天线，但实际地面并不是理想导电地面。并不是理想导电地面。 电磁波沿实际地表面传播时会有部分电磁能量通过地电磁波沿实际地表面传播时会有部分电磁能量通过地表面进入地下，因此

22、与理想导电地面相比其辐射场要小。表面进入地下，因此与理想导电地面相比其辐射场要小。为此，对上式进行修正，即乘上一个为此，对上式进行修正，即乘上一个小于小于 1 且没有良且没有良纲纲的衰减因子的衰减因子 |W|，来计算地面波场强的有效值，来计算地面波场强的有效值 WrhIWrDPE ein 12060有效有效有效有效 WrhIWrDPE ein 12060有效有效有效有效 上式中各物理量的单位都是国际单位。上式中各物理量的单位都是国际单位。 用天线馈电点电流用天线馈电点电流 Iin 和有效高度和有效高度 he 计算垂直接地计算垂直接地天线的地面波场强的公式可修改为天线的地面波场强的公式可修改为

23、) )( (有有效效有有效效mV/m 120km) (einWrhIE 实际中，根据各量在实际中的大概数量级，通常把实际中，根据各量在实际中的大概数量级，通常把距离距离r改用改用 km，接收点场强接收点场强E改用改用mV/m，辐射功率辐射功率P改用改用 kW来表示，其他量的单位不变。来表示，其他量的单位不变。 WrhIWrDPE ein 12060有效有效有效有效 ) )( (有有效效有有效效mV/m 120km) (einWrhIE 用天线辐射功率用天线辐射功率 P 和方向性系数和方向性系数 D 计算垂直接地天线计算垂直接地天线的地面波场强公式可修改为的地面波场强公式可修改为 ) )( (有

24、效有效mV/m 245(km)kW)(WrDPE 上式中，上式中，245 是是 的近似值。的近似值。6100上面两式都称为上面两式都称为舒来依金舒来依金 - 范范 德德 波尔公式波尔公式，式中的，式中的衰减因子衰减因子 |W| 可用经验公式来计算。可用经验公式来计算。 公式中除了标明单位的物理量以外，其他物理量的单公式中除了标明单位的物理量以外，其他物理量的单位仍是国际单位。位仍是国际单位。在应用该公式时一定要注意公式中的单在应用该公式时一定要注意公式中的单位不要出错。位不要出错。 ) )( (有有效效有有效效mV/m 120km) (einWrhIE ) )( (有有效效mV/m 245(k

25、m)kW)(WrDPE 舒来依金舒来依金 - 范范 德德 波尔公式的应用条件：波尔公式的应用条件：可把地面看成是可把地面看成是平地面。平地面。 由电磁场理论可知，电磁波的工作波长由电磁场理论可知，电磁波的工作波长 越长，绕过越长，绕过球形地面的能力越强。球形地面的能力越强。 工作波长工作波长 较长时可以在较大的范较长时可以在较大的范围内把球形地面近似看成是平地面；围内把球形地面近似看成是平地面；而在工作波长而在工作波长 较较小时只能在很小的范围内把球形地面近似看成是平地面。小时只能在很小的范围内把球形地面近似看成是平地面。 表表 5-2-1 给出了舒来依金给出了舒来依金 - 范范 德德 波尔公

26、式的使用波尔公式的使用条件，即在给定工作波长条件，即在给定工作波长 情况下该公式可以应用的最大情况下该公式可以应用的最大距离。距离。表表 5-2-1舒来依金舒来依金 - 范范 德德 波尔公式的使用条件波尔公式的使用条件 波波 长长 范范 围围( (m) )公式的最大应用距离公式的最大应用距离( (km) )200 20 00050 20010 50300 40050 10010在计算衰减因子在计算衰减因子 |W| 之前，首先要计算无量纲的辅助变之前，首先要计算无量纲的辅助变量量 x，称为，称为数量距离数量距离或或数值距离数值距离，也称之为，也称之为距离因子距离因子。数量距离可按下面经验公式来计

27、算数量距离可按下面经验公式来计算22r22r)60()()60()1( rx如果上式中的相对介电常数如果上式中的相对介电常数 r 1，则上式可简化为，则上式可简化为22r)60()(1 rx 当地面导电性能较好，或工作波长较长时，能够满足当地面导电性能较好，或工作波长较长时，能够满足 60 r，则上式还可进一步简化为，则上式还可进一步简化为 2(km)2610060rrx 22r22r)60()()60()1( rx22r)60()(1 rx 2(km)2610060rrx 地面波的衰减因子地面波的衰减因子 26 . 023 . 02xxxW 当当 x 25 时，上式可近似为时，上式可近似为x

28、W21 结论：结论：地面的导电性能较好，地面的导电性能较好，地面波的工作波长较长，地面波的工作波长较长，传传播距离较近时播距离较近时，数量距离数量距离 x 较小，较小，因而因而衰减因子的模衰减因子的模 |W| 较较大，地面波场强的有效值大，地面波场强的有效值 E(有效有效) 就较大。就较大。 ) mV/m ( 120245km) (ein(km)kW)(WrhIWrDPE 有效有效有效有效 22r22r)60()()60()1( rx26 . 023 . 02xxxW 表表 5-2-1舒来依金舒来依金 - 范范 德德 波尔公式的使用条件波尔公式的使用条件 波波 长长 范范 围围( (m) )公

29、式的最大应用距离公式的最大应用距离( (km) )200 20 00050 20010 50300 40050 10010根据舒来依金根据舒来依金 - 范范 德德 波尔公式的适用条件还可以知波尔公式的适用条件还可以知道，工作波长道，工作波长 越长，适用该公式的地面波距离越长，适用该公式的地面波距离 r 越大。越大。 可见，对于工作波长较长的长中波来说，不仅舒来依可见，对于工作波长较长的长中波来说，不仅舒来依金金 - 范范 德德 波尔公式的适用距离波尔公式的适用距离 r 较大，而且该公式中衰较大，而且该公式中衰减因子减因子 |W| 的值也较大，衰减较小。的值也较大，衰减较小。 ) mV/m (

30、120245km) (ein(km)kW)(WrhIWrDPE 有效有效有效有效 22r22r)60()()60()1( rx26 . 023 . 02xxxW 这说明，长中波以地面波方式传播时电磁波的衰减较这说明，长中波以地面波方式传播时电磁波的衰减较小，地面波的场强有时甚至接近理想导电地面上的场强。小，地面波的场强有时甚至接近理想导电地面上的场强。因此可以说，因此可以说，地面波传播是适用于长中波波段无线电波的地面波传播是适用于长中波波段无线电波的传播方式。传播方式。理论分析还表明，水平极化波以地面波方式传播时，理论分析还表明，水平极化波以地面波方式传播时，衰减更快。因此衰减更快。因此波长较

31、短波长较短或或水平极化水平极化的无线电波都不适合的无线电波都不适合于地面波传播。于地面波传播。 表表 5-2-2 给出了湿土地面上垂直极化波在不同工作波长、给出了湿土地面上垂直极化波在不同工作波长、不同传播距离情况下衰减因子不同传播距离情况下衰减因子 |W| 的值。的值。表表 5-2-2不同不同 和不同和不同 r 的湿土地面衰减因子的湿土地面衰减因子 |W | 的值的值 r( (km) ) ( (m)103050100150200400100.001 856 500.030 760.008 388 1000.153 20.041 160.019 36 2000.596 90.149 50.11

32、6 20.050 48 3000.781 20.453 40.288 10.133 40.082 000.057 98 5000.922 70.763 80.624 60.390 80.266 00.194 80.085 998000.970 60.908 90.845 90.697 40.573 30.475 10.254 91 0000.981 40.942 60.902 60.802 50.708 50.624 60.390 8例例 5-2-1垂直极化的无线电波在湿土地面上传播，天垂直极化的无线电波在湿土地面上传播，天线的辐射功率为线的辐射功率为 P = 30 kW，垂直接地天线方向性系

33、数为，垂直接地天线方向性系数为D = 1.5，工作波长为，工作波长为 = 1 200 m。 试计算与天线距离为试计算与天线距离为 r = 250 km 处的地面波场强。处的地面波场强。表表 5-1-1各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值 地表面的形式地表面的形式相对介电常数相对介电常数 r电导率电导率 (S/m)变化范围变化范围平均值平均值变化范围变化范围平均值平均值海海 水水80801 4.34河流和湖泊的淡水河流和湖泊的淡水808010 3 2.4 10 210 2湿湿 土土10 3020 3 10 3 3 10 210 2干干 土土

34、2 641.1 10 5 2 10 310 3解解由表由表 5-1-1 查得，湿土地面查得，湿土地面 r = 20， = 0.01 S/m，(60) = 720 r = 20，得，得909. 001. 012006250100610022(km) rx667. 0909. 06 . 0909. 02909. 03 . 026 . 023 . 0222 xxxW ) mV/m ( 4.380.6672501.530245 245(km)kW)( WrDPE 有有效效二、经过不同土质地面传播的地面波二、经过不同土质地面传播的地面波在地面波传播的整个途径上，如果地面电气参数变在地面波传播的整个途径上

35、，如果地面电气参数变化不大，就用地面的化不大，就用地面的平均电气参数平均电气参数通过舒来依金通过舒来依金 - 范范 德德 波尔公式计算接收点场强。波尔公式计算接收点场强。 地面波传播的途径上地面电参数有突变现象（例如，地面波传播的途径上地面电参数有突变现象（例如，远洋运输船舶从内陆河道驶入大海，船舶与内陆港口之远洋运输船舶从内陆河道驶入大海，船舶与内陆港口之间）时，用以下两种方法。间）时，用以下两种方法。1假想功率法假想功率法图图 5-2-1假想功率法示意图假想功率法示意图在右图在右图 中，中，A，B 两点两点之间的距离为之间的距离为 r1 ，B，C 两两点之间的距离为点之间的距离为 r2 。

36、 A B 之之间土质的电气参数与间土质的电气参数与 B C 之间土质的电气参数不同之间土质的电气参数不同。图图 5-2-1假想功率法示意图假想功率法示意图 设发射机在设发射机在 A 点，接收机在点，接收机在 C 点。假设已知发射天点。假设已知发射天线的辐射功率为线的辐射功率为 P (kW) ，方向性系数为，方向性系数为 D。 根据舒根据舒- 范范 公式，可得两种土质分界处公式，可得两种土质分界处 B 点的地面波场强点的地面波场强 ) mV/m ( 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效B上式中，是地面波在第上式中，是地面波在第 1 种土质地面上经过种土质地面上经过 r1 距离距离的

37、衰减因子。的衰减因子。 11rW假想功率法：假想功率法：把把 A B 之间的第之间的第 1 种土质换成种土质换成 B C 之间之间的第的第 2 种土质，同时把天线辐射功率种土质，同时把天线辐射功率 P 改为改为P ，令此，令此时时 B 点的地面波场强仍与上式的结果相同，即点的地面波场强仍与上式的结果相同，即 ) mV/m ( 245121(km)kW)(rWrDPE 有有效效B 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效B) mV/m ( 245121(km)kW)(rWrDP 上式中，是地面波在假想的第上式中，是地面波在假想的第 2 种土质地面上经过种土质地面上经过 r1 距离的衰减

38、因子。距离的衰减因子。12rW由于天线的辐射功率和由于天线的辐射功率和 A B 之间的土质之间的土质改变前后，改变前后，B 点的场强保持不变，比较上面两式可知，假点的场强保持不变，比较上面两式可知，假想的天线辐射功率为想的天线辐射功率为 PWWPrr222111 这样这样 A B 与与 B C 两段路径的土质都变成了第两段路径的土质都变成了第 2 种土质，种土质，地面波通过地面波通过 r1 r2 距离到达距离到达 C 点的场强应为点的场强应为 ) mV/m ( 245)(22(km)(km)1(kW)21rrWrrDPE 有效有效C上式中，是根据地面波传播的总距离上式中，是根据地面波传播的总距

39、离 r1 r2，按第，按第2种土质计算出的衰减因子。种土质计算出的衰减因子。)(221rrW 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效B) mV/m ( 245121(km)kW)(rWrDP PWWPrr222111 ) mV/m ( 245)(22(km)(km)1(kW)21rrWrrDPE 有效有效C从上面两式中可得从上面两式中可得 ) )( (有效有效mV/m 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE C可见，对于通过两种不同土质地面的无线电波来说，假想可见，对于通过两种不同土质地面的无线电波来说，假想功率法要计算功率法要计算 3 个衰

40、减因子个衰减因子。2计算地面波场强的假想距离法计算地面波场强的假想距离法 图图 5-2-2假想距离法示意图假想距离法示意图假想距离法：假想距离法：假设发射天线的辐射功率假设发射天线的辐射功率 P 不变，把发射不变，把发射天线从天线从 A 点移到点移到 A 点，点， A - B 之间的距离变为之间的距离变为 r1 距离距离 ，并假想把并假想把 A - B 之间的土质换成与之间的土质换成与 B C 之间相同的土质，之间相同的土质，此时，在此时，在 B 点处场强点处场强 EB 与变换前一样，即与变换前一样，即 ) mV/m ( 24512(km) 1(kW)rWrDPE 有有效效B考虑到考虑到 )

41、mV/m ( 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效B ) mV/m ( 24512(km) 1(kW)rWrDPE 有有效效B ) mV/m ( 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效B有有rWrWrr121111 有了假想的距离有了假想的距离 r1 ，地面波经过，地面波经过 A - B 和和 B C 两段两段地面，即经过一段假想的距离地面，即经过一段假想的距离 r1 和一段真实的距离和一段真实的距离 r2 之后，之后，在在 C 点处的场强为点处的场强为 ) mV/m ( 245)(22(km)(km)1(kW)21rrWrrDPE 有效有效C上式中，衰减因子是根据地

42、面波所经过的一段假上式中，衰减因子是根据地面波所经过的一段假想距离想距离 r1 和和一段真实距离一段真实距离 r2，按第二种土质计算出来的。，按第二种土质计算出来的。 )(221rrW ) mV/m ( 24512(km) 1(kW)rWrDPE 有有效效B ) mV/m ( 245111(km)kW)(rWrDPE 有有效效BrWrWrr121111 ) mV/m ( 245)(22(km)(km)1(kW)21rrWrrDPE 有效有效C由于上式中衰减因子是假想距离由于上式中衰减因子是假想距离 r1 所对应的函所对应的函数，因而解出这个假想距离数，因而解出这个假想距离 r1 比较麻烦。比较

43、麻烦。 12rW 可见，假想距离法不如假想功率法简便。可以通过计可见，假想距离法不如假想功率法简便。可以通过计算机用试探法来求得算机用试探法来求得假想距离假想距离 r1 。3两种方法的修正公式两种方法的修正公式 实践证明，假想功率法和假想距离法仅当地面波工作实践证明，假想功率法和假想距离法仅当地面波工作波长波长 600 m，且两种土质电气特性相差不大时才比较准，且两种土质电气特性相差不大时才比较准确。确。 当地面波工作波长当地面波工作波长 80 = r792002. 043756301006 10022(km)1111 rxr999. 0792002. 06 . 0792002. 027920

44、02. 03 . 026 . 023 . 022121 xxxWr湿土地面湿土地面 60 = 60 375 0.01 = 225 20 = r) m ( 3751080010338 fc 湿土地面湿土地面 60 = 60 375 0.01 = 225 20 = r海面海面 60 = 60 375 4 = 90 000 80 = r999. 0792002. 06 . 0792002. 02792002. 03 . 026 . 023 . 022121 xxxWr海面折合成湿土地面海面折合成湿土地面117. 101. 04792002. 06100211221(km)211 rrxrx1604.

45、 0117. 16 . 0117. 12117. 13 . 026 . 023 . 022221 xxxWr4350. 3306030117. 16 100(km)1(km)21(km)222(km)21(km)(2121 rrrxrrxrrr 999. 0792002. 06 . 0792002. 02792002. 03 . 026 . 023 . 022121 xxxWr1604. 0117. 16 . 0117. 12117. 13 . 026 . 023 . 022221 xxxWr4350. 3306030117. 16 100(km)1(km)21(km)222(km)21(km

46、)(2121 rrrxrrxrrr 6248. 04350. 36 . 04350. 324350. 33 . 026 . 023 . 0222)(221 xxxWrr点点 C 地面波场地面波场强为强为 ) mV/m ( 2.1671411. 0272. 50.640160.24800.99960301.52.5245 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE有有效效C ) mV/m ( 2.167 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE有有效效C假设发射天线在点假设发射天线在点 C ，计算点，计算点 A 场强，无线

47、电波先经场强，无线电波先经过湿土地面，再经过海面过湿土地面，再经过海面3223. 23060117. 16 100122222(km)212 rrxrxrr 0371. 03223. 26 . 03223. 223223. 23 . 026 . 023 . 022222 xxxWr584005. 03060792002. 06 100121122(km)112 rrxrxrr 0998. 0584005. 06 . 0584005. 02584005. 03 . 026 . 023 . 022212 xxxWr736008. 0306030792002. 06 1001211122(km)(k

48、m)1)(1121 rrrxrrxrrr ) mV/m ( 2.167 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE有有效效C0371. 03223. 26 . 03223. 223223. 23 . 026 . 023 . 022222 xxxWr0998. 0584005. 06 . 0584005. 02584005. 03 . 026 . 023 . 022212 xxxWr736008. 0306030792002. 06 1001211122(km)(km)1)(1121 rrrxrrxrrr 1997. 0736008. 06 . 0736008

49、. 02736008. 03 . 026 . 023 . 0222)(121 xxxWrr点点 A 地面波场强为地面波场强为 ) mV/m ( 2.167 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE有有效效C0371. 03223. 26 . 03223. 223223. 23 . 026 . 023 . 022222 xxxWr0998. 0584005. 06 . 0584005. 02584005. 03 . 026 . 023 . 022212 xxxWr1997. 0736008. 06 . 0736008. 02736008. 03 . 026

50、. 023 . 0222)(121 xxxWrr点点 A 地面波场强为地面波场强为 ) mV/m ( 954. 17370. 0272. 500.99810.99700.37160301.52.5245 24522121)(12(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE 有有效效A ) )( (有有效效mV/m 2.167 24512112)(21(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPEC ) )( (有有效效mV/m 954. 1 24522121)(12(km)21(km)kW)( rrrrWWWrrDPE A第一种修正值第一种修正值) )( (mV/m 055.

51、 2167. 2954. 1167. 2954. 122 CACAEEEEE第二种修正值第二种修正值) )( (mV/m 058. 2167. 2954. 1 CAEEE4海岸折射现象海岸折射现象与理想导电地面相比，无线电波沿地表面传播时不仅与理想导电地面相比，无线电波沿地表面传播时不仅场强的振幅变小，而且相位也发生变化。因此，衰减因子场强的振幅变小，而且相位也发生变化。因此，衰减因子 |W| 实际上是个复数。实际上是个复数。 前面讨论辐射场时，因为只考虑其前面讨论辐射场时，因为只考虑其大小，所以舒来依金大小，所以舒来依金 - 范范 德德 波尔公式中的衰减因子取模波尔公式中的衰减因子取模值。值

52、。 图图 5-2-3海岸折射现象示意图海岸折射现象示意图 如图如图 5-2-3 所示，设所示，设点点 A 是球面电磁波的源，是球面电磁波的源，如果大地的电气参数是均如果大地的电气参数是均匀不变的，那么与点匀不变的，那么与点 A 等等距离的圆弧线距离的圆弧线 S1 也就是地也就是地面波的等相位线。面波的等相位线。图图 5-2-3海岸折射现象示意图海岸折射现象示意图 圆弧线圆弧线 S1 上，地面波不仅相位相同而且场强大小也相上，地面波不仅相位相同而且场强大小也相等。等。 当地面波通过陆地与海洋的交界线时，分界线两侧电当地面波通过陆地与海洋的交界线时，分界线两侧电气参数突变，因此地面波的复数衰减因子

53、气参数突变，因此地面波的复数衰减因子 W 不仅大小发生不仅大小发生变化，其幅角也要发生变化，即地面波场强的大小和相位变化，其幅角也要发生变化，即地面波场强的大小和相位都发生变化。都发生变化。 可以想像，等相位线已不再是等半径的圆弧可以想像，等相位线已不再是等半径的圆弧线线 S1，而是变成了曲线，而是变成了曲线 S2 。 在观察点在观察点 B 处，实际处，实际来波方向是圆弧线来波方向是圆弧线 S1 的法的法线方向线方向 n。 但是，如果在但是，如果在观察点观察点 B 处进行测量，就处进行测量，就会认为来波方向是等相位会认为来波方向是等相位线线 S2 的法线方向的法线方向 m，这样，这样就产生了测

54、向误差。就产生了测向误差。图图 5-2-3海岸折射现象示意图海岸折射现象示意图 从图从图 5-2-3 可以看出，测向误差角可以看出，测向误差角 就是两条弧线的法就是两条弧线的法线方向线方向 n 与与 m 之间的夹角。之间的夹角。这一现象称为这一现象称为海岸折射现象海岸折射现象。 这种现象的实质就是，到达圆弧线上不同的地面波射线，这种现象的实质就是，到达圆弧线上不同的地面波射线，经过陆地和海洋的路径分配比例不同经过陆地和海洋的路径分配比例不同，因而圆弧线上辐射，因而圆弧线上辐射场的相位不同。场的相位不同。于是，等相位线于是，等相位线 S2 与圆弧线与圆弧线 S1 就发生了分就发生了分离。离。 到

55、达观察点到达观察点 B 处的电处的电磁波射线与海岸线的夹角磁波射线与海岸线的夹角越小，测向误差角越小，测向误差角 越大。越大。 实践证明，测向误差实践证明，测向误差角角 10 。表表 5-2-1舒来依金舒来依金 - 范范 德德 波尔公式的使用条件波尔公式的使用条件 波波 长长 范范 围围( (m) )公式的最大应用距离公式的最大应用距离( (km) )200 20 00050 20010 50300 40050 10010三、球形地面上的地面波传播三、球形地面上的地面波传播如果地面波的传播距离超过了表如果地面波的传播距离超过了表 5-2-1 给出的舒来依金给出的舒来依金 - 范范 德德 波尔公

56、式的使用条件，就不能用前面讨论的方法波尔公式的使用条件，就不能用前面讨论的方法来求地面波场强了，而必须考虑球形地面对地面波传播的影来求地面波场强了，而必须考虑球形地面对地面波传播的影响。响。 这种情况下，地面波场强的计算应该通过这种情况下，地面波场强的计算应该通过绕射场理论绕射场理论来完成，但运算相当麻烦。来完成，但运算相当麻烦。在工程实践中，球形地面上地在工程实践中，球形地面上地面波场强的计算可以通过一系列曲线和图表来完成。面波场强的计算可以通过一系列曲线和图表来完成。 远距离地面波长中波通信信号衰减很大，需要大功率的远距离地面波长中波通信信号衰减很大，需要大功率的发射设备，而且频率资源的分

57、配上也很困难。发射设备，而且频率资源的分配上也很困难。因此，近年因此，近年来远距离地面波通信的方式已逐渐被微波中继通信、卫星通来远距离地面波通信的方式已逐渐被微波中继通信、卫星通信和光纤通信等其他通信方式所取代。信和光纤通信等其他通信方式所取代。 第第 5 章地面波传播与长中波天线章地面波传播与长中波天线5-3电小天线的概念电小天线的概念一、电小天线的基本概念一、电小天线的基本概念二、二、长中波电小天线的电气特性长中波电小天线的电气特性一、电小天线的基本概念一、电小天线的基本概念电小天线：电小天线：天线的几何尺寸远远小于工作波长（小于工作天线的几何尺寸远远小于工作波长（小于工作波长的波长的 1

58、0%）的天线。）的天线。 电小天线指的是电长度小，而不是几何长度。电小天线指的是电长度小，而不是几何长度。中波：工作波长在几百米的范围；中波：工作波长在几百米的范围；例如，工作波长为例如，工作波长为 = 20 cm，长度，长度 2l = 10 cm 的半波对的半波对称振子，其几何尺寸虽小，却不是电小天线；相反，高称振子，其几何尺寸虽小，却不是电小天线；相反，高度几十米的中波天线，与几百米的工作波长相比，其电度几十米的中波天线，与几百米的工作波长相比，其电尺寸很小，如若满足尺寸很小，如若满足 h 0.1 ，则属于电小天线。，则属于电小天线。 长波：工作波长在几千米的范围。长波：工作波长在几千米的

59、范围。所以，中、长波天线都属于电小天线所以，中、长波天线都属于电小天线中、长波的主要传播方式是表面波传播。为辐射表中、长波的主要传播方式是表面波传播。为辐射表面波，绝大多数长中波天线采用垂直接地天线，但它们面波，绝大多数长中波天线采用垂直接地天线，但它们并不是架设在理想导电地面上而已。并不是架设在理想导电地面上而已。 二、二、长中波电小天线的电气特性长中波电小天线的电气特性应用在长中波波段上的垂直接地不对称振子，一般情应用在长中波波段上的垂直接地不对称振子，一般情况下都远远小于其工作波长。天线上呈正弦形分布的电流况下都远远小于其工作波长。天线上呈正弦形分布的电流可以近似看成是三角形分布。可以近

60、似看成是三角形分布。由由4-3 可知，可知，长中波垂长中波垂直电小天线的有效高度是其实际高度的一半直电小天线的有效高度是其实际高度的一半2ehh 在长中波波段上，大地呈现良导体特征，分析天线辐在长中波波段上，大地呈现良导体特征，分析天线辐射场时可近似把地面看成是理想导体。垂直不对称接地天射场时可近似把地面看成是理想导体。垂直不对称接地天线的方向性可以看成与理想导电地面上的垂直接地基本振线的方向性可以看成与理想导电地面上的垂直接地基本振子相同。子相同。 2ehh 由于垂直不对称接地天线的方向性可以看成与理想导由于垂直不对称接地天线的方向性可以看成与理想导电地面上的垂直接地基本振子相同，因此其方向