第9章--地面波传播

1、第9章 地面波传播,9.1 地球表面电特性 9.2 地面波的传播特性 9.3 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,9.1 地球表面电特性,地球形似一略扁的球体，平均半径为6370km。根据地震波的传播证明，地球从里到外可分为地核、地幔和地壳三层，如图911所示。表层7080km厚的坚硬部分，称为地壳，地壳各处的厚度不同，海洋下面较薄，最薄处约5km，陆地处的地壳较厚，总体的平均厚度约33km。,地壳的表面是电导率较大的冲积层。由于地球内部作用（如地壳运动、火山爆发等），以及外部的风化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，再加上人为所创建的城镇田野等，这些

2、不同的地质结构及地形地物，在一定程度上影响着无线电波的传播。,图911 地球结构示意图,由于地面波是沿着空气与大地交界面传播的，因此传播情况主要取决于地面条件。概括地说，地面对电波传播的影响主要表现为两个方面： 一是地面的不平坦性，当地面起伏不平的程度相对于电波波长来说很小时，地面可近似看成是光滑地面。对于长波和中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。,二是地质的情况，我们主要研究它的电磁特性。描述大地电磁特性的主要参数是介电常数（或相对介电常数r）、电导率和磁导率。根据实际测量，绝大多数地质（磁性体除外）的磁导率都近似等于真空中的磁导率0，表911给出了几种不同地质的电参数。,表911 地面的

3、电参数,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,(911),其中,01/3610-9 F/m;是自由空间波长。 怎样判断某种地质是呈现导电性还是介电性呢？通 常把传导电流密度Jf与位移电流密度,(912),作为衡量标准。当传导电流比位移电流大得多,即60/r1时，大地具有良导体性质;反之，当位移电流比传导电流大得多,即60/ r 1时，可将大地视为电介质;而二者相差不大时，称为半电介质。表912给出了各种地质中60/ r随频率的变化情况。,表912 各种地质的60/r值,由表可见，对海水来说，在中、长波波段它是良导体，只有到微波波段才呈现介质性质；湿土和干土在长波波

4、段呈良导体性质，在短波以上就呈现介质性质；而岩石则几乎在整个无线电波段都呈现介质性质。,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。由于地表面的半导电性质，一方面使电波的场结构不同于自由空间传播的情况而发生变化并引起电波吸收，,另一方面使电波不像在均匀媒质中那样以一定的速度沿着直线路径传播，而是由于地球表面呈现球形使电波传播的路径按绕射的方式进行。由于只有当波长超过障碍物高度或与其相当时，才具有绕射作用，因此在实际情况中，只有长波、中波以及短波低端（频率较低的部分）能够绕射到地表面较远的地方。对于短波高端以及超短波波段，由于障

5、碍物高度大于波长，因而绕射能力很弱。,图 921,地面波传播还与电波的极化有关，理论计算和实验均证明地面波不宜采用水平极化波传播。图921给出了一组计算曲线，图中横坐标为传播距离r，由图可见，水平极化波的衰减因子Ah远大于垂直极化波的衰减因子Av。这是因为，当电场为水平极化时，电场平行地面，传播中在地面上引起较大的感应电流，致使电波产生很大的衰减。,对于垂直极化波（通常由直立天线辐射），其电波能量同样要被吸收，但由于电场方向与地面垂直，它在地面上产生的感应电流远比水平极化波的要小，故地面吸收小。因此在地面波传播中通常多采用垂直极化波。,9.2.1 波前倾斜现象 地面波传播的重要特点之一是存在波

6、前倾斜现象。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，如图922所示。波前倾斜现象可作如下解释。,设有一直立天线沿垂直地面的x轴放置，辐射垂直极化波，电波能量沿z轴方向即沿地表面传播，其辐射电磁场为E1x和H1y，如图922（a）所示。当某一瞬间E1x位于A点时，在地面上必然会感应出电荷。当波向前传播时，便产生了沿z方向的感应电流，由于大地是半导电媒质，有一定的地电阻，故在z方向产生电压降，也即在z方向产生新水平分量E2z。由于边界电场切向分量连续，即存在E1z，这样靠近地面的合成场E1就向传播方向倾斜。,从能量的角度看，由于地面是半导电媒质，电波沿地面传播时产生衰减，这就

7、意味着有一部分电磁能量由空气层进入大地内。坡印廷矢量 的方向不再平行于地面而发生倾斜，如图922（b）所示，出现了垂直于地面向地下传播的功率流密度S1x，这一部分电磁能量被大地所吸收。由电磁场理论可知，坡印廷矢量是与等相位面即波前垂直的，故当存在地面吸收时，在地面附近的波前将向传播方向倾斜。显然，地面吸收越大，S1x越大，倾斜将越严重。只有沿地面传播的S1z分量才是有用的。,图922 波前倾斜现象 (a)电场方向；(b)坡印廷矢量方向,9.2.2 地面波传播的场分量 由上面的分析可知，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向上存在电场分量，各分量如图923所示，yOz面为

8、地平面，波沿z轴方向传播，下标“1”表示在空气内，下标“2”表示在大地内，利用边界条件，有,(921),图 923,为简化分析，通常使用M.A.列翁托维奇近似边界条件：若半导电媒质相对复介电常数的绝对值满足下列条件：,(922),则在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足,(923),利用边界条件,上式可写成,(924),因为在空气中有下列关系:,(925),上两式相除，可得,(926),根据边界条件式(921)，得,(927),上述各分量亦可写成,(928),(929),(9210),(9211),式中,9.2.3 地面波传播特性 根据前面的讨论，可以得出地面波传播的一些重要特性。 （1）地

9、面波传播采用垂直极化波。地面波的传播损耗与波的极化形式有很大关系，计算表明，电波沿一般地质传播时，水平极化波比垂直极化波的传播损耗要高数十分贝。所以地面波传播采用垂直极化波，天线则多采用直立天线的形式。 （2）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。,（3）地面上电场为椭圆极化波，如图924所示，这是由于紧贴地面大气一侧的电场横向分量E1x远大于纵向分量E1z，且相位不等，合成场为一狭长椭圆极化波。在短波、超短波段E1z虽较大，但相位差由式（9211）可见趋于零，所以可近似认为电场是与椭圆长轴方向一致的线极化波。图924中波前倾斜角为,(9212),图 9

10、24,（4）地面波在传播过程中有衰减。地面波沿地表传播时，由于大地是半导电媒质，对电波能量的吸收产生了电场纵向分量E1z，相应地沿-x方向传播的功率流密度 代表着电波的传输损耗。地面电导率越大，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。,（5）传播较稳定。这是由于大地的电特性、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。 （6）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。,9.3 地面波场强的计算,地面波传播过程中存在地面吸收损耗，当传播距离较远，超出 千

11、米时，还必须考虑球面地造成的绕射损耗。一般计算E1x有效值的表达式为,(931),其中,A为地面的衰减因子;Pr为辐射功率;D为方向系数;r为传播距离。地面衰减因子A的严格计算是非常复杂的。 从工程应用的观点，本节介绍国际无线电咨询委员会（CCIR）推荐的一组曲线，现摘录其中部分内容，如图931图933所示，称为布雷默（Bremmer）计算曲线，用以计算E1x。其使用条件是：,（1）假设地面是光滑的，地质是均匀的； （2）发射天线使用短于/4的直立天线（其方向系数D3），辐射功率Pr1kW； （3）计算的是E1x的有效值。,图 931,图 932,图 933,图931图933中衰减因子A值已计

12、入大地的吸收损耗及球面地的绕射损耗。从图中可以看出，对于中波和长波，传播距离超过100km后，场强值急剧衰减，这主要是绕射损耗增大所致。 当Pr1kW，D3时，则换算关系为,(933),9.4 地面不均匀性对地面波传播的影响,前面讨论了地面波在一种均匀地面上的传播情形。实际上，常常碰到地面波在几种不同性质的地面上传播的问题。例如船与岸上基站的通信，电波传播途径就经历陆地-海洋的突变。因此，必须考虑这种情况下电波传播的特点及场强计算的方法。下面介绍其近似计算方法。,如图941所示，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:,(941),式中A1(

13、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:,(942),所以,(943),图941 不同性质地面上的传播路径示意图,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Pr 在完全是第2种地质情况下传播至C点的场强就被认为是原来的数值。因而可求得图941中C点的场强为,(944),式中,E1(r1)是电波在第1种媒质传播r1距离后的场强;E2(r1)是以第2种媒质代替第1种媒质传播r1距离后的场强;E2(r1r2)是以第2种媒质代替第1种媒质

14、传播r1+r2距离后的场强。因为地面波所经过的几种性质的地面彼此间互有影响，而不能彼此孤立起来予以考虑，所以用以上方法计算出来的结果不满足互易原理，即发射天线在A点时计算出C点的场强EAC与发射天线在C点时计算出A点的场强ECA不等。这是这一方法的假设前提不全面的必然结果。,为了补救这一缺点，密林顿（Millington）提出取两者的几何平均作为近似解，即接收点场强为,(945),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。,对电波在不同性质地面上的传播进行计算，所得结果对于合理选择收发两点的地质情况具有重要意义。例如，在图942所示的条件下，地面波从A点出发，经混合路径到达B点，可算出衰减因子如图943所示。由图可见，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况对整个路径衰减的影响