空间环境对无线电波传播的影响分析
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空间环境对无线电波传播的影响分析
作者：崔川安
来源：《中国新通信》2012年第14期
【摘要】随着技术的不断进步和更新，无线电通信事业也得到了快速发展，特别是伴随着数字化、自适应及编码纠错等新技术的广泛应用，无线电通信的可靠性有了很大的提高。由于无线电通信离不开电波的传播，而电波传播又与自由空间环境有着密切的关系，因此，本文试图从空间环境特别是电离层给无线电波的传播造成的影响方面入手进行分析，希望能为进一步提高无线电通信可靠性的相关研究提供参考。
【关键词】空间环境无线电波传播分析
无线电波的传播是指其通过介质和在介质的分界面中的路径，从发射点到接受点的全过程。主要研究两个方面：一是电波传播的物理机制，包括吸收、折射、反射、绕射、散射、多普勒效应等，这些过程的形成由电波特性和环境特性决定；二是信号的传播特性，包括无线电信号在传播过程中的衰减、衰落、极化偏移和时域、频域畸变等效应。这两个方面可以对信息传输的质量和可靠性产生重要的影响。
1无线电波传播的主要空间环境
无线电波传播的环境比较多，其中宇宙空间环境主要分为地球磁场和空间等离子体环境。
（一）地球磁场
地球的磁场对无线电波传播的影响不是直接的，但是它对无线电波传播也有着重要的影响。地球的磁场分为内、外两种源场，内源场是指地球内部的基本磁场和地壳里的感生场。外源场则是指地球附近电力体系构成的磁场。
（二）等离子体环境
1、电离层的等离子体环境
从通讯技术的发展历程来看，电离层的电子密度一直是影响通讯质量的重要因素。现阶段，在研究中常常用到的都是简单的电离层模型，如抛物层模型和指数层模型等。电离层为异性、有耗、不均匀与时变的传输介质，它能够使从中通过的电磁波产生变化。
2、星际与太阳附近的等离子体的环境
无线电波传播方式与各频段的利用
无线电波传播方式与各频段的利用 无线电通信是利用电磁波在空间传送信息的通信方式。电磁波由发射天线向外辐射出去，天线就是波源。电磁波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。无线电波共有以下七种传播方式（附图为无线电波传播方式示意图）。 （1）波导方式当电磁波频率为30kHz以下（波长为10km以上）时，大地犹如导体，而电离层的下层由于折射率为虚数，电磁波也不能进入，因此电磁波被限制在电离层的下层与地球表面之间的空间内传输，称为波导传波方式； （2）地波方式沿地球表面传播的无线电波称为地波（或地表波），这种传播方式比较稳定，受天气影响小； （3）天波方式射向天空经电离层折射后又折返回地面（还可经地面再反射回到天空）的无线电波称为天波，天波可以传播到几千公里之外的地面，也可以在地球表面和电离层之间多次反射，即可以实现多跳传播。 （4）空间波方式主要指直射波和反射波。电波在空间按直线传播，称为直射波。当电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，还会像光一样发生镜面反射，称为反射波。 （5）绕射方式由于地球表面是个弯曲的球面，因此电波传播距离受到地球曲率的限制，但无线电波也能同光的绕射传播现象一样，形成视距以外的传播。 （6）对流层散射方式地球大气层中的对流层，因其物理特性的不规则性或不连续性，会对无线电波起到散射作用。利用对流层散射作用进行无线电波的传播称为对流层散射方式。 （7）视距传播指点到点或地球到卫星之间的电波传播。 附表给出了从甚低频（VLF）至极高频（EHF）频段的电波传播方式、传播距离、可用带宽以及可能形成的干扰情况。
在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，无线电传播损耗是一个关键参数。无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测，会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。为了保证无线电通信用户的通信质量，确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可靠程度，必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。理论上讲，在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系，但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等，因而电波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。在研究电波传播特性时，通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性，即所谓的数学模型。无线电波传播模型通常是很复杂的，必须对不同的频段使用不同的电波传播模型，以预测电台覆盖和传播场强。下面简要地叙述几种传播方式（详细数学公式略）。 VLF(f< 30kHz) 频率低于30kHz的电波，传播损耗近似等于自由空间传播损耗，即相当于电波在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、绕射和吸收现象，只存在因电磁能量扩散引起的传播损耗。在此频段内，电波在电离层与地球之间可以以波导方式沿地球表面进行传播。 LF(30kHz< f< 300kHz) 在这个频段内，有两种重要的传播方式：地波方式及电离层天波方式。天波信号幅度具有明显的昼夜变化，这是由于电离层吸收和变化
无线电波的传播特性
无线电波的传播特性 1、无线电波的传播特性及信号分析 甚低频VLF 3-30KHz 超长波1KKm-100Km 空间波为主海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航低频LF 30-300KHz 长波10Km-1Km 地波为主越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航中频MF 0.3-3MHz 中波1Km-100m 地波与天波船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航高频HF 3-30MHz 短波100m-10m 天波与地波远距离短波通信;国际定点通信 甚高频VHF 30-300MHz 米波10m-1m 空间波电离层散射（30-60MHz）;流星余迹通信;人造电离层通信（30-144MHz）;对空间飞行体通信;移动通信 超高频UHF 0.3-3GHz 分米波1m-0.1m 空间波小容量微波中继通信;（352-420MHz）;对流层散射通信（700-10000MHz）;中容量微波通信（1700-2400MHz） 特高频SHF 3-30GHz 厘米波10cm-1cm 空间波大容量微波中继通信（3600-4200MHz）;大容量微波中继通信（5850-8500MHz）;数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信（1500-1600MHz） ELF 极低频3~30Hz SLF 超低频30~300Hz ULF 特低频 300~3000Hz VLF 甚低频3~30kHz LF 低频30~300kHz 中波，长波 MF 中频300~3000kHz 100m~1000m 中波 AM广播 HF 高频 3~30MHz 10~100m 短波短波广播 VHF 甚高频 30~300MHz 1~10m 米波FM广播 UHF 特高频 300~3000MHz 0.1~1m 分米波 SHF 超高频3~30GHz 1cm~10cm 厘米波 EHF 极高频30~300GHz 1mm~1cm 毫米波 无线电波按传播途径可分为以下四种：天波—由空间电离层反射而传播；地波—沿地球表面传播；直射波—由发射台到接收台直线传播；地面反射波—经地面反射而传播。无线电波离开天线后，既在媒介质中传播，也沿各种媒介质的交界面（如地面）传播，具有一定的规律性，但对它产生影响的因素却很多。 无线电波在传播中的主要特性如下： （1）直线传播均匀媒介质（如空气）中，电波沿直线传播。 （2）反射与折射电波由一种媒介质传导另一种媒介质时，在两种介质的分界面上，传播方向要发生变化。由第一种介质射向第二中介质，在分界面上出现两种现象。一种是射线返回第一种介质，叫做反射； 另一种现象是射线进入第二种介质，但方向发生了偏折，叫做折射。一般情况下反射和折射是同时发生的。 入射角等于反射角，但不一定等于折射角。反射和折射给测向准确性带来很大的不良影响；反射严重是，测向设备误指反射体，给干扰查找造成极大困难。 （3）绕射电波在传播途中，有力图绕过难以穿透的障碍物的能力。绕射能力的强弱与电波的频率有关，又和障碍物大小有关。频率越低的电波，绕射能力越弱；障碍物越大，绕射越困难。工作于80米（375MHZ）波段的电波，绕射能力是较强的，除陡峭高山（相对高度在200米以上）外，一般丘陵均可逾越。2米波段的电波绕射能力就很差了，一座楼房，或一个小山丘，都可能使信号难以绕过去。 （4）干涉直射波与地面反射波或其它物体的反射波在某处相遇时，测向收到的信号为两个电波合成后的信号，其信号强度有可能增强（两个信号跌叠加）也可能减弱（两个信号相互抵消）。这种现象称为波的干涉。产生干涉的结果，使得测向机在某些接收点收到的信号强，而某些接收点收到的信号弱，甚至收不到信号，给判断干扰信号距离造成错觉。天线发射到空间的电波的能量是一定的，随着传播距离的增大，不仅在传播途中能量要损耗，而且能量的分布也越来越广，单位面积上获得的能量越来越小。反之，
空间环境工程学复习题
2016年《空间环境工程学》复习题 1、简述《空间环境工程学》的内涵及研究的内容 研究空间环境及其效应与航天器的相互作用，减缓空间环境对航天器的性能、寿命及可靠性影响，提高航天器环境耐受能力的一门工程学科。 环境获取与分析、环境适应性设计与防护、环境试验评价与验证、环境模拟技术、环境工程管理 地球轨道空间环境包括那些环境因素？(回答时可不写括号中内容) 压力（真空）、温度、粒子辐射（太阳宇宙射线、银河宇宙射线、地球俘获带）、太阳电磁辐射、等离子体（磁层等离子体、电离层等离子体）、引力场、磁场、微流星体与空间碎片、中性大气（原子氧） 3、简述什么是真空环境，它的单位及如何划分真空区域？ “真空”是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区大气压分子密度。 真空度通常用压强表示。国际单位通常用Pa（帕）表示，1Pa 为1m2面积上作用1N的力，即：1Pa= 1N/ m2 真空区划分为如下区段： 低真空：105～102Pa 中真空：102～10-1Pa 高真空：10-1～10-5Pa 超高真空：＜10-5 Pa 4、什么是分子自由程，如何计算单一气体分子平均自由程？ 一个分子与其它分子每连续两次碰撞走过的路程，称作自由程。处于平衡态下，大量自由程的统计平均值，叫平均自由程。 单一气体分子平均自由程由下式计算： ( = (3.107(10-24T) / p(2（m） 式中：T------气体热力学温度（k） p------气体压力（Pa） (------气体分子直径（m） 5、什么是流导、分子流、粘滞流和中间流？ 流导：在等温条件下，气体通过导管和孔流动时，其流量与导管的两规定截面或孔的两侧的平均压力差之比。 粘滞流：气体分子的平均自由程远小于导管最小截面尺寸的流态。粘滞流可以是层流或滞流。分子流：气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态。 中间流：在层流和分子流之间状态下气体流过导管的流动。 6、什么是空间冷黑背景，为什么叫做“热沉”？ 宇宙空间辐射能量极少，并且没有反射辐射，可以认为是4K的黑体，形成冷黑背景。 在这样极端低温的环境下，航天器表面辐射的能量被宇宙空间完全吸收，没有任何反射，所以称作“热沉”。 7、地球轨道航天器表面热辐射来自哪些部分？ 太阳直接辐射、地球反照、地球红外辐射。 8、什么是空间碎片，空间碎片按尺寸是如何分类的，空间碎片的4个研究内容是什么。 空间碎片是人类遗留在空间的人造废弃物。通常包括完成任务的火箭箭体、卫星本体、执行
无线电波传播途径
无线电波在均匀介质 (如空气)中，具有直线传播的特点。只要测出电波传播的方向，就可以确定出信号源（发射台）所在方向。无线电测向是指通过无线电测向机测定发射台（或接收台）方位的过程，但是无线电测向运动中，要快速寻找隐蔽巧妙的信号源，必须掌握无线电波的传播规律。 一、无线电波的发射与传播 无线电波既看不见，也摸不着，却充满了整个空间。广播、移动通讯、电视等，已经是现代社会生活必不可少的一部分。无线电波属于电磁波中频率较低的一种，它可直接在空间辐射传播。无线电波的频率范围很宽，频段不同，特性也不尽相同。我国目前开展的无线电测向运动涉及三个频段:频率为1.8—2兆赫的中波波段，波长为150—166.6米，称160米波段测向；频率为3.5—3.6兆赫的短波波段，波长为83.3—85.7米，称80米波段测向；频率为144—146兆赫的超短波段，波长为2.08—2.055米，称2米波段测向。 （一）无线电波的发射过程 无线电波是通过天线发射到空间的。当电流在天线中流动时，天线周围的空间不但产生电力线 (即电场)，同时还产生磁力线。其相互间的关系，如图2-1-1所示。如果天线中电流改变方向，空间的电力线和磁力线方向随之改变。如果加在天线上的是高频交流电，由于电流的方向变化极快，根据电磁感应的原理，在这些交替变化的电场和磁场的外层空间，又激起新的电磁场，不断地向外扩散，天线中的高频电能以变化的电磁场的形式，传向四面八方，这就是无线电波。从图2-l可知，电力线 (即电场)方向与天线基本平行，磁力线 (磁场)的形状则是以天线为圆心，与天线相垂直的方向随之变化的无数同心圆。 图2-1-1 无线电波的发射 （二）无线电波的特性 l.无线电波的极化 交变电磁场在其附近空间又激起新的电磁场的现象称无线电波的极化。空间传播的无线电波都是极化波。当天线垂直于地平面时，天线辐射的无线电波的电场垂直于地平面称垂直极化波。天线平行于地平面时，天线辐射的无线电波的电
空间环境第四章
第四章空间等离子体 在地球空间环境中，能量低于100keV（千电子伏）的带电粒子构成空间等离子体。因其相对于宇宙线和地球辐射带的粒子（通称为高能粒子）能量要低，故有时又称为低能粒子。它不仅受空间磁场（参见第3章）控制，还受空间电场（参见第3章）支配。按其能量或温度的不同，又可分为高温等离子体（≥10eV）和冷等离子体（<10eV）两类。 空间等离子体是航天环境的重要组成部分，它几乎充满着整个日地空间，其主要分区如图4.1所示。 图4.1 近地空间等离子体主要分区。 空间等离子体环境是等离子体研究的最理想的天然实验室。空间等离子体环境对人类活动有着重要的影响。它对运行其中的航天器系统的主要影响有：1) 高温等离子体引起航天器的高充电／放电，可引起航天器系统工作异常；2) 高密度冷等离子体（电离层等离子体）引起高电压太阳阵电流泄漏及弧光放电造成电源功率损耗，影响电源效率；3) 引起大的高电压系统的重要的离子曳力而影响轨道正常运行；4) 引起传播效应，影响通信及测控等系统的正常工作。为了人类活动需要和确保航天器系统的安全、有效，必须对空间等离子体环境及其与航天器的相互作用进行研究，给出预报。空间等离子体环境已是构成航天器充电设
计指南或标准的必不可少的重要内容，它是人类航天活动所需要的重要环境。 在研究方法上，有宏观的磁流体力学方法和微观动力论方法两类，具体研究方法的选用取决放研究对象的时间与空间尺度。 由于空间等离子体涉及能量、密度、分布的不同，所处不同区域其它空间环境因素（如电场、磁场、中性粒子、性状等）亦不一样，它涉及很多复杂的运动学及动力学过程，我们只从掌握背景情况的角度出发，给出简况介绍并辅以必要的图表示例。 §4.1 基本的等离子体特征参数和几个重要现象 §4.1.1 德拜长度与准中性 等离子体中一个带电粒子在周围产生的电位，由放有其它带电粒子影响，不是点电荷的库仑中位，而是德拜电位： 2/12/???? ??=?=-e n T r e CONST V e e D r D κλλ λD 就是德拜长度（Debye length ），是德拜电位被屏蔽的距离，也称德拜半径。要求德拜球内有足够多的粒子，即要等离子体参数13>>=D N g λ（N 为等离子体密度），此时等离子体近似无碰撞等离子体。 准中性（quasi-neutrality ），是在远大于德拜长度的区域内，等离子体体系保持近似中性的特性。 §4.1.2 等离子体频率（plasma frequency ） 它是描述等离子体固有振荡的频率，表征等离子体集体效应发生的时间尺度。 电子等离子体频率（electron plasma frequency ） 在视等离子体中离子相对电子为固定不动仅提供正电荷背景的条件下，局地等离子体非电中性致振荡频率， 2/12)/(e e pe m e n =ω 式中e 为电子电荷，m e 为电子质量，n e 为电子数密度。 离子等离子体频率（ion plasma frequency ） 视电子为均匀背景下产生的等离子体,离子振荡频率， 2/12)/(i i pi m Nq =ω 式中q i 为离子电荷，m i 为离子质量，N 为离子数密度。 §4.1.3 能量和温度 能量是描述粒子运动状态的量。单位时间内通过单位面积的能量叫能通量（energy
无线电波的传播特性修订版
无线电波的传播特性 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
无线电波的传播特性 无线电通信就是不用导线，而利用电磁波振荡在空中传递信号，天线就是波源。电磁波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。 在莫尔斯和贝尔先后发明了有线电报和电话之后，很多科学家对电磁现象大量研究。直到1831年，在英国，法拉弟首先发现了电磁感应现象，并且预言：电与磁的传播是和光一样的一种波。 英国科学家麦克斯韦从1850年就开始对法拉弟提出的课题展开研究。他总结了前人的研究成果，用数学方法对法拉弟的电磁场思想做了严格的论证，并在1864年做出“电与磁的交替转化过程，是一种波的传播形式，是一种光波”的论断，他称这种波为电磁波。 在麦克斯韦首先提出电磁理论后，又过了24年，才由德国伟大的物理学家赫兹通过实验证实了麦氏理论的正确。赫兹设计了一个能够接收电火花的装置，结构极简单。把一根导线弯成圆形，使两端之间仅留一微小的间隙，称它为“共振子”。“共振子”为什么也有火花发生呢赫兹认为，这一定是电振荡以电磁波形式通过空间传播过去的。赫兹于1888年公布了自己的实验结果，证实了电磁波的存在。 赫兹的实验成果震惊了世界，许多科学家继续开展对电磁波的研究。1890年，法国物理学家布朗利发现，将金属粉末即紧缩成块，但是它的电阻减小了，使电流容易通过。这种装有金属粉未的玻璃管被称为“布朗利管”，又称“粉末检波器”，它接收电磁波的灵敏度比赫兹的“共振子”要高得多。 1894年，20岁的意大利青年马可尼从杂志上读到悼念赫兹的文章和他生前的感人事迹，受到极大启发：“如果利用赫兹发现的电磁波，不需要导线也可以实现远距离通信了”。马可尼为自己的大胆设想所激动下宏愿，决心开拓无线电通信事业，把赫兹的研究成果付诸实际应用。在家人的支持下，马可尼就在自己家中进行实验，他用赫兹的火花放电器作发射机，用布朗利的金属粉未检波器作接收机经过一个多月的努力，终于完成了电磁波的发送和接收实验，并在实
环境污染与治理的空间效应解析
环境污染与治理的空间效应解析 当前，我国的环境污染治理工作虽然卓有成效，但是仍然存在着一定的问题，主要体现在部分省区在环污染治理方面的投入不够，环境未能得以有效改善。因此，根据环境污染与治理的具体需要，结合各省区环境污染的实际情况，科学、合理的进行环境污染与治理的空間效应的测度，进而妥善解决环境污染与治理当中存在的问题。文章围绕环境污染与治理的空间效应进行解析。 标签：环境污染；治理；空间效应 前言：环境污染问题受到了全社会的广泛关注，加强环境治理成为迫在眉睫的任务，促进环境与社会、经济的协调可持续发展。分析各省区环境污染与治理的空间效应，了解污染物排放与治理投入的溢出弹性，结合空间乘数效应，可以发现污染物的排放会产生扩散和反馈，进而分析环境污染与治理的溢出效应对区域治污投入的影响，对于区域环境污染与治理有着重要的参考价值。 1.环境污染与治理的空间效应分析 1.1 环境治理溢出效应识别 在空间范围内，环境污染呈现出相互传染的趋势，这就是环境污染与治理的溢出效应。通过对全国三十几个省区的数据采集，掌握近十年来各省区的环境污染及治理情况，包括污水、S02等污染物的排放量以及治理费用，建立权重矩阵，将各地区近年来的污染物排放以及治理投入的以时空分布的方式予以呈现。从环境污染与治理的时空分布来看，环境污染呈现出连片污染的特征，往往环境污染严重地区，其环境治理投入也相对较高，突出显现出环境污染的空间依赖性。一当前备受关注的PM2.5污染问题为例。PM2.5的污染程度往往存在区域性的差异，并呈现出空间外溢的趋势。结合区域空间效应，分析PM2.5排放污染，提升估算结果的准确性[l]。 1.2 研究方法和数据 区域环境污染与治理存在溢出效应，对于周边区域也会产生一定的影响，这就需要结合相关数据，应用科学、合理的办法，测度溢出效应影响的程度。首先，构建环境治理空间面板模型，定义权重矩阵，通常选择Q邻接矩阵，进行标准化处理。有公共边界或顶点的地区，通常为相邻区域，Wij=1；无公共边界或顶点的地区，即不相邻地区，Wij=0；地区的数量则由矩阵的行列数表示。环境污染排放为X，环境治理投入为Y，用以表示某地区的环境污染与治理情况；周边地区的环境治理和污染排放则分别由WY与wx表示。结合在环境治理理想模型Y=μ+ βX +λW+γW+E（空间面板杜宾模型）进行分析，在系数λ显著的情况下，Y（某地区的环境治理）会受到WY（其他周边地区的环境治理）的影响；而γ系数相对显著的情况下，Y会受到WX（其他周边地区的环境污染）的影响[2]。
无线电波的传播特性
无线电波的传播特性 传播特性（一） 移动通信的一个重要基础是无线电波的传播，无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等.为了更好地说明移动通信的问题，我们先介绍一下电波的各种传播方式： 1．表面波传播 表面波传播是指电波沿着地球表面传播情况.这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响着电波的传播. 当电波紧靠着实际地面--起伏不平的地面传播时，由于地表面是半导体，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. 从物理课程中我们已经知道，只有当波长与障碍物高度可以比较的时候，才能有绕射功能.由此可知，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 短波能传至地球上较远的地方，这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释.直到1925年，利用在地面上垂直向上发射一个脉冲，并收到其反射回波，才直接证明了高层大气中存在电离层.籍此电离层的反射作用，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天波. 电离层是指分布在地球周围的大气层中，60km以上的电离区域.在这个区域中，存在有大量的自由电子与正离子，还可能有大量的负离子，以及未被电离的中性离子.发现电离层后，尤其近三四十年来，随着火箭与卫星技术的发展，利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究.当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分，其研究的空间范围和频段也日益宽广. 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.所以波形会发生失真.这就是电离层的色散性.同时，由于自由电子受电波电场作用而发生运动，所以当电波经过电离层，其能量会被吸收一部分.而且，从电离层吸收电波的规律看，若使用电波的工作频率太低，则电离层对电波的吸收作用很强.所以天波传播中有一个最低可用频率，低于这个频率，就会因为电离层对电波的吸收作用太大而无法工作. 传播特性（二） 1．空间波传播 当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线.所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，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. 空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响.收，发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度.一般地说，视线距离可以达到50km左右. 空间波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对流层的影响. 移动通信中，电波主要以空间波的形式传播.类似的还有微波传播.
空间辐射环境中的辐射效应
空间辐射环境中的辐射效应摘要天然空间辐射环境与辐射效应基本机制是空间飞行器抗辐射加固研究中的两个关键问题,本文总结了天然空间辐射环境的总体性质, 并对辐射效应基本机制进行了简要的分析,指出了目前空间飞行器抗辐射加固研究的重点。关键词辐射环境,抗辐射加固,辐射效应R a d i a t i o n E f f e c t s i n t h e S p a c e R a d i a t i o n E n v i r o n m e n t Abstract T he nat ur al space ra dia tio n enviro nment and the basic mechanisms of r adiatio n effect s a re tw o most im po rt ant issues r ela ting t o the resear ch of r adiatio n har dening t echo no lo gy of spacecr afts . In t his paper, so me o f the g en eral pro per ties of natur al space r adiation env ir onment ar e summer ized, the basic mechanisms of r adiatio n effect s ar eanylized br iefly , and the emphasis o f present r esearch r ela t i n g t o t h e r a d i a t i o n h a r d e n i n g t e c h o n o l o g y o f s p a c e c r a f t s i s p o i n t e d o u t. K e y w o r d s r a d i a t i o n e n v i r o n m e n t,r a d i a t i o n h a r d e n e d,r a d i a t i o n e f f e c t s 应用于卫星或空间飞行器的电子学系统, 在天然空间辐射环境中往往因经受空间辐射而导致性能减低或失灵, 甚至最终导致卫星或空间飞行器的灾难性的后果[ 1] 。美国1971 至1986 年发射的卫星中共发生了1589 次异常现象, 其中与空间粒子辐射有关的占70% , 由空间辐射对电子学系统的辐射破坏造成的占38. 1% 。空间辐射对电子学系统的辐射破坏主要有三种方式: 1) 总剂量电离损伤; 2) 单粒子效应; 3) 位移损伤。质子产生总剂量电离损伤, 单粒子效应和位移损伤, 电子主要产生总剂量电离损伤, 而高能重离子主要产生单粒子效应。 1天然空间辐射环境 地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁场俘获辐射带( Van Allen 带) 粒子和宇宙射线( 包括太阳宇宙射线和银河宇宙射线)。 1.1地磁场俘获辐射带粒子地磁场俘获辐射带粒子主要是电子、质子以及少量的重离子。地磁场俘获辐射带通常又分为内辐射带( 1. 5R e 至 2. 8Re , Re= 6380km 为地球半径) 和外辐射带( 2. 8R e 至12R e) , 内辐射带以质子为主, 而外辐射带以电子为主。地磁场俘获辐射带中质子能量可达500M eV。能量大于10M eV 的质子主要分布在 3. 8R e 以下, 能量大于30M eV 的质子主要分布在1. 5Re 以下[ 2] , 而典型的卫星壳体能屏蔽能量小于10M eV 的质子。因此对于低轨道卫星来说, 质子对内部电子学元器件的辐射破坏尤为严重。在外辐射带中电子具有较高的能量和较大的通量( 约为内辐射带的10 倍) , 在外辐射带中电子的最高能量达7M eV, 而在内辐射带中电子的最高能量为5M eV , 能量大于 1 MeV 的电子的通量峰值在3Re 至4R e 之间。 1.2宇宙射线宇宙射线有两种来源, 即来自于太阳耀斑爆发的太阳宇宙射线和来自于太阳系以外的银河宇宙射线。太阳系以外的银河宇宙射线通常认为是稳定的, 而地球轨道上的银河宇宙射线的通量受太阳活动的调制, 在太阳活动频繁期, 地球轨道上的银河宇宙射线通量相对减少, 而在太阳活动不频繁期, 银河宇宙射线通量相对稳定。宙射线通量相对稳定。银河宇宙射线主要有质子( 85% ) 、氦离子( 14% ) 和高能重离子( 1% ) 组成。离子通量随原子质量[ 3]数分布见图1。可以看出, 高能重离子( 如Fe) 的通量与质子通量相比差几个数量级, 但是这并不是说高能重离子的辐射效应可以忽视。由于高能重离子在穿入材料时在单位距离上产生很高的电离密度, 尤其在考虑半导体器件的单粒子效应时, 高能重离子产生的效应不容忽视。图2 为银河宇宙射线中各种离子[ 4]对应的粒子能量为 2. 4GeV , 质子和氦离子的最高能量可达10GeV / Nu。对于如此高能的粒子,卫星壳体已经无法阻止它们进入舱体内。
无线电发射、接收原理
无线电发射、接收原理 无线电发射、接收知识 收音机发展简介 收音机原理
一、无线电发射、接收知识 声音及其传播： 1.声音是由振动产生的：振动体周围产生声波，声波在空气中以340 m/s的速度传送，随着距离的增加，衰减是很快的，传送距离是有限的。音调的高低，就是声音的频率：20Hz--- 20KHz ----叫做“音频” 无论一个人怎样尽力大喊，靠声波都是传不远的。 2.有线传输：
放大器 传输的是音频电流，离不开导线，传输不远 3.无线电波------与声波有着本质的不同 声波---------是机械振动的结果 无线电波---是电磁振荡的产物 电磁波（无线电波）的产生： 导线中流过交变的电流→→产生交变的磁场→→在其周围再产生变化的电场→→又激起变化的磁场→→。。。→形成不可分割的电场和磁场，像水波一样向外传播→→形成电磁波
电磁波的传 播速度是： 3×108m/s ？思考：有线传播为什么不能发出电磁波
4.有线传输中的音频能否产生电磁波传播出去 原因： a．通过天线向外辐射：天线的长度与波长λ相比拟λ/4 λ/2 λ 音频频率：f ：20---20kHz λ=c/f λ：15 x 103---15 x 106m b．串台：都是音频频率 (1) 无线电通信系统是通过空间辐射方式传送信号，根 据电磁波理论，对于语音信号来说，相应的辐射天线尺寸要在几十公里以上，实际上这是不可能制造出来的。而调制过程则将信号的频谱搬移到任何所需的较高频率范围，这样就容易以电磁波形式辐射出去。 (2) 如果不进行调制而是把被传送的信号直接辐射出去， 那么各电台所发出的信号频率就会相同，它们混在一起，收信者将无法选择所要接收的信号。而调制作用的实质是把各信号的频谱搬移，使它们互不重叠地占据不同的频率范围，也即信号分别托附于不同频率的载波上，接收机就可以分离出所需频率的信号，不致互相干扰。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式 一、无线电波的传播方式 无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。 1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。 2）天波，也即电离层波。地球大气层的高层存在着“电离层”。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。 3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空间波。 4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。 在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。 二、电离层与天波传播 1．电离层概况 在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。 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”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。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公里的大气层是“同温层”。它对电波传播基本上没有影响。 离地面约50到400公里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。 离地面50～90公里的称作口层。D层白天存在，晚上消失。D层的密度最小，对电波不易反射。当电波穿过口层时，频率较低的被吸收得较多。 90公里~140公里的是E层。通常情况下E层的密度也较小，只有对中波可以反射。在一些特定条件下，E层有可能反射高频率的无线电波。在盛夏或是隆冬，E层对电波的反射现象总是有规律地出现，你可以清楚地接收到远距离小功率电台发射的信号，而且可以发现可听别的范围是在有规律地变化。所以，爱好者们对这种不稳定的E层总是抱着极大的兴趣在进行观测研究。 高空200～300公里的是F1层，300～400公里是F2层。夏季以及部分春秋季的白天，F1层和F2层同时存在，且F2层的密度最大。到了夜晚，F1和F2合并成一个F2层，高度上升。F2层对电波的反射能力最强，它的存在是短波能够进行远距离通信的主要条件。 电离层示意阁请看图5．1。 2.电离层对电波传播的影响 人们发现，当电波以一定的入射角到达电离层时，它也会象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出。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，如图5．2所示。
无线电波传播模型与覆盖预测
无线电波传播模型 与 覆盖预测 河北全通通信有限责任公司 工程部网络服务组 二0 0二年四月二十日
第一节无线传播理论 1.1 无线传播基本原理 在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。 众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。如图1-1所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如图1-1（a），直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），见图1-1（b）。 第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见图1-1（c）。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。如图1-1（d）所示。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，见图1-1（e）。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。这一点将在后文中论述。 在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因。第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里，地波传播可以在这种情况下应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。 预测场强有两种方法。第一种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。在蜂窝系统中，至少有两种传播模型，第一种是FCC建议的模型。第二种设计模型由Okumura提供，覆盖边
无线电波段划分及传播方式
无线电波段划分及传播方式 频率从几十Hz(甚至更低)到3000GHz左右(波长从几十Mm 到0.1mm左右)频谱范围内的电磁波，称为无线电波。电波旅行不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。发信天线或自然辐射源所辐射的无线电波，通过自然条件下的媒质到达收信天线的过程，就称为无线电波的传播。 无线电波的频谱，根据它们的特点可以划分为表所示钓几个波段。根据频谱和需要，可以进行通信、广播、电视、导航和探测等，但不同波段电波的传播特性有很大差别。 光速÷频率=波长 无线电波波段划分波段名称波长范围(m)频段名称频率范围超长波长波中波 短波 1,000,000~10,000 10,000~1,000 1,000~100 100~~10 10~1
0.1~0.01 0.01~0.001 甚低频 低频 中频 高频 甚高频 特高频 超高频 极高频 3~30KHz 30~300KHz 300~3,000KHz 3~30MHz 30~300MHz 300~3,000MHz 3~30GHz 30~300GHz 超短波米波 分米波 厘米波
电波主要传播方式 电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。 任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种： 地表传播 对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。那些走直线的电波就过不去了。只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。无线电波也能够反射。在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’
无线电信号的特性
无线电信号的特性 无线电信号的特性 在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要有三种: 基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。所谓基带信号, 就是没有进行调制之前的原始信号, 也称调制信号。 1、时间特性 (1)、信号的描述：一个无线电信号, 可以将它表示为电压或电流的时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述。 (2)、时间特性的概念：无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应。 2、频谱特性 对于较复杂的信号（如话音信号、图像信号等）, 用频谱分析法表示较为方便。 信号的频谱特性的概念：信号的频谱特性就是信号中各频率成分的特性。 对于周期性信号, 可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）, 例如图1 —3即为图1 —2所示信号的频谱图; 对于非周期性信号, 可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱, 信号为连续谱的积分。 频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分, 它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。
任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看, 带宽就是信号能量主要部分（一般为90%以上）所占据的频率范围或频带宽度。 图1 — 3 频谱图 3、传播特性 传播特性：是指无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的能量会扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分, 而且在传播过程中, 电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射, 或者在大气层中产生折射或散射等现象, 从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象, 电波的传播方式主要有直射（视距）传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播及散射传播等, 如图 1 — 5 所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。
无线电波的基本概念、发射与接收原理
无线电波的基本概念、发射与接收原理 19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦总结前人的科学技术，提出了电磁波学说。20多年后，德国科学家赫兹通过实验，证明了电磁波的存在。 什么是电磁波呢?从电工学电磁感应现象知道，在电磁场里，磁场的任何变化会产生电场，电场的任何变化也会产生磁场。交变的电磁场不仅可能存在于电荷、电流或导体的周围，而且能够脱离其产生的波源向远处传播，这种在空间以—定速度传播的交变电磁场，就称为电磁波。无线电技术中使用的这一段电磁波称为无线电波。 无线电波的传播 理论分析和实验都表明无线电波是横波，即电场和磁场的方向都与波的传播方向垂直。而且电场强度与磁场强度的方向也总是相互垂直的。 无线电波在空间传播时，必然要受到大气层的影响，尤其以电离层的影响最为显著。电离层是由于从太阳及其他星体发出的放射性辐射进入大气层，使大气层被电离而形成的。电离层内含有自由电子是影响无线电波的主要因素。 电离层对无线电波的主要影响是使传播方向由电子密度较大区域向密度较小区域弯曲，即发生电波折射。这种影响随波段的不同而不相同。波长越长，折射越显著。30MHz以下的波被折回地面；30MHz以上的波，则穿透电离层。另外，电波受电离层的另—影响是能量被吸收而衰减。电离程度越大，衰减越大；波长越长，衰减亦越大。 无线电波的传播方式，因波长的不同而有不同的传播特性，分为地波、天波和空间波三种形式。 地波――沿地球表面空间向外传播的无线电波。中、长波均利用地波方式传播。 天波――依靠电离层的反射作用传播的无线电波叫做天波。短波多利用这种方式传播。 空间波――沿直线传播的无线电波。它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的反射波。超短波的电视和雷达多采用空间波方式传播。 各种波长的传播特性如下 长波(见波段划分表)波长在3000M以上，中波在100—1000M。长波段主要用作发射标准时间信号。而中波主要用作本地无线电广播和海上通信及导航。 短波主要靠天波传播。传送距离较远，甚至可以用作国际无线电广播，远距离无线电话和电报通信等。 超短波是波长在10M—1m的波，只能用空间波传播，其主要以直线传播为主，由于有地球曲率的影响，传播距离较短，不得不靠增加天线高度来增加通信距离。如无线电视等。
无线电波的基本知识
三维工程技术培训讲义1无线电波的基本概念 无线电波的传播方向无线电波的极化方式无线电波的传播速度自由空间的传播知识无线电波的衰落特性 三维工程技术培训讲义 2 无线电波的基本概念 三维工程技术培训讲义3无线电波的传播方向三维工程技术培训讲义 4 无线电波的极化方式 无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化三维工程技术培训讲义5 无线电波的传播速度 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００公里／秒表示。在媒质中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε为传播媒质的相对数很接近，略大于１。因此，无线电波在三维工程技术培训讲义 6 无线电波的传播方式 )直射 直射是无线电波在自由空间传播的方式。)反射 当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射。反射常发
三维工程技术培训讲义7 无线电波的传播方式图示：①直射波②反射波③④绕射（衍射）波 三维工程技术培训讲义 8 无线电波的衰落特性 三维工程技术培训讲义9无线电波的衰落特性 对于移动通信的电波传播,其衰落特性由下列已知公式及图示表征 ---自由空间的传播衰耗： Lbs＝32.45+20lgD(km)+20lgf(MHz) (5) ---准平滑地形市区路径传播衰耗中值：三维工程技术培训讲义 10 无线电波的衰落特性 自由空间的传播损耗 自由空间是一个理想的空间，在自由空间中，电波沿直线传播而不被吸收，也不发生反射、折射、绕射和散射等现象。在下图所示的自由空间中，设在原点0有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为Pt 。经辐射且，能量均匀地分布在以0点为球心，d 为半径的球面上。已知球面的表面积为 4πd2 ，因此，在球面单位面积上的功率应为Pt/4πd2。若接收天线所能接），并将波长λ换算成相对率与传播距离有关。 三维工程技术培训讲义11无线电波的衰落特性 自由空间的传播损耗 ;自由空间损耗与距离的关系 三维工程技术培训讲义 12 准平无线电波的衰落特性