电 波 传 播

第2章电波传播

无线电信息传输时，无线电波由发射天线辐射出去后，经过一定的传播路径才能到达接收点，被接收天线接收。电波传播路径中会涉及各种各样的传播媒介，如地面、水面、对流层大气、电离层、星际空间等，电波的传播过程就是电波与媒介相互作用的物理过程。电波在媒介中基本上是以光速传播的。因此，无论是通信、广播、雷达、导航、遥测遥控等任何与无线电波有关的设备，其性能均与所使用的无线电频率及其电波传播方式密切相关。电波在传播过程中，有两个方面需要进行研究。一是电波传播的物理机制和传播模式，包括吸收、折射、反射、绕射、散射、多径和多普勒效应等物理过程，这些过程的形成由媒介特性和电波特性共同决定。二是信号的传播特性。无线电信号在传播过程中，可能遭受到衰减、衰落、极化偏移和时域、频域畸变等效应这些效应可能对信息传输的质量和可靠性产生影响。研究电波传播特性，是理解是理解各种用频设备特性的基础。

本章先介绍大气层、电离层和几种电波传播方式，以及自由空间传播损耗概念及计算；然后分别详细介绍几种主要电波的传播特性以及场强计算理论和计算方法；最后以移动通信设计为例介绍电波传播模型的选择与应用方法。

2.1 地球大气

2. 1 .1 大气层

电磁波主要是在地球大气层中传播。大气层又叫大气圈，

其厚度在1000km以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，大气层之外就是星际空间，如图2.1所示。

对流层位于大气层最底层，其下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。在低纬度地区平均高度为17~18km,在中纬度地区平均为10~12km,极地平均为8~9km；夏季高于冬季由于地面吸收太阳辐射（红外、可见光及波长大于300nm的紫外波段）能量，转化为热能而向上传输，引起大气强烈的对流，因此称为对流层。对流层空气的温度是下面高上面低，顶部气温约在-50℃。对流层集中了全部大气质量的约3/4和90%以上的水汽，几乎所有的气象现象如雨、雪、雷、电、云、雾等都发生在对流层内。对流层也是无线电传播的最主要途径。

对流层以上是平流层，大约距地球表面20~50 km。气体温度随高度的增加而略有上升但气体的对流现象减弱，主要是沿水平方向流动，故称为平流层。平流层中水汽与沙尘含量均很少，大气透明度高，很少出现像对流层中的气象现象.而平流层对电波传播影响很小。

平流层以上是中间层，大约距地球表面50~85 km。中间层以上是暖层，大约距地球表面100~800 km。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。

从平流层以上直到1000 km的区域称为电离层。电离层是高空中的气体，被太阳光的紫外线照射，电离成带电荷的正离子和

负离子及部分自由电子形成的。电离层对电磁波影响很大，我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点，来实现电磁波的远距离通信。

从电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的两个辐射带，称为磁层。磁层顶是地球磁场作用所及的最高处，出了磁层顶就是太阳风横行的空间.在磁层顶以下，地磁场起了主宰的作用，地球的磁场就像一堵墙挡住了太阳风，磁层是保护人类生存环境的第一道防线。而电离层吸收了太阳辐射的大部分x射线及紫外线，从而成为保护人类生存环境的第二道防线。平流层内含有极少量的臭氧，太阳辐射的电磁波进入平流层时，尚存在不少数量的紫外线，这些紫外线在平流层中被臭氧大量吸收，气很上升。在距离地面20km~30km的高度，臭氧含量最多，所以常常称这一区域为臭氧层。臭氧吸收了有害人体的紫外线，组成了保护人类生存环境的第三道防线。臭氧含量极少，.其含量只占该臭氧层内空气总量的400万分之一，臭氧的含量容易受外来因素的影响。

2.1.2电离层

1.电离层结构与变化

电离层是地球高空大气层的一部分，分布盖度从60km一直延伸到大约1000km，在这个范围内，主要由太阳的紫外辐射及高能微粒辐射的，使得大气分子部分游离，形成由电子，正、负离子和中性分子、原子组成的等离子体，这种被