第六讲 天波传播
(第六章)电波传播概论
式中，h1和h2的单位为米。 视距传播时, 电波是在地球周围的大气中传播的, 大气对电波
产生折射与衰减。 由于大气层是非均匀媒质, 其压力、温度与湿 度都随高度而变化, 大气层的介电常数是高度的函数。
天线 与电波传播
在标准大气压下, 大气层的介电常数εr随高度增加而减小，
并逐渐趋近于1, 因此大气层的折射率n= 随高度的增加而减 小。若将大气层分成许多薄片层, 每一薄层是均匀的, 各薄层的 折射率n随高度的增加而减小。这样当电波在大气层中依次通过 每个薄层界面时, 射线都将产生偏折, 因而电波射线形成一条向 下弯曲的弧线， 如图 6-4 所示。
② 当工作波长λ和两天线高度h1和h2都不变时, 接收点场强随
两天线间距的增大而呈波动变化, 间距减小，波动范围减小，如 图6-7所示。
天线 与电波传播
图 6 – 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 6 –7 接收点场强随间距d的变化曲 线
天线 与电波传播
③ 当两天线高度h1和h2和间距d不变时, 接收点场强随工作波
图 6 – 8 接收点场强随工作波长λ的变化曲线
天线 与电波传播
6.3 天波传播
天波传播通常是指自发射天线发出的电波在高空被电离层 反射后到达接收点的传播方式, 有时也称电离层电波传播, 主要 用于中波和短波波段。
1. 电离层概况
电离层是地球高空大气层的一部分, 从离地面60km的高度 一直延伸到1000 km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分 布的, 因此, 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四 层, 每一个区域的电子浓度都有一个最大值, 如图 6- 9所示。 电 离层主要是太阳的紫外辐射形成的, 因此其电子密度与日照密 切相关——白天大, 晚间小, 而且晚间D层消失; 电离层电子密 度又随四季不同而发生变化。 除此之外, 太阳的骚动与黑子活 动也对电离层电子密度产生很大影响。
无线网络技术导论课后习题及答案
第一章名词解释1、无线体域网：无线局域网是由依附于身体的各种传感器构成的网络。
2、无线穿戴网：是指基于短距离无线通信技术与可穿戴式计算机技术、穿戴在人体上、具有智能收集人体和周围环境信息的一种新型个域网。
3、TCP/IP:P12,即传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。
4、OSI RM:即开放系统互连参考模型。
第一章简答1、简述计算机网络发展的过程。
答：计算机网络发展过程可分为四个阶段。
第一阶段：诞生阶段；第二阶段：形成阶段；第三阶段：互联互通阶段；第四阶段：高速网络技术阶段。
（如果想加具体事例查p1-2）2、无线网络从覆盖范围可以分成哪些类？请适当举例说明。
答：无线网络从覆盖范围可分为如下三类。
第一类：系统内部互连/无线个域网，比如：蓝牙技术，红外无线传输技术；第二类：无线局域网，比如：基本服务区BSA，移动Ad Hoc 网络；第三类：无线城域网/广域网，比如：蜂窝系统等。
3、从应用的角度看，无线网络有哪些？要求举例说明。
答：从无线网络的应用角度看，可以划分出：①无线传感器网络，例如能实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并通过无线方式发送到用户终端；②无线Mesh网络，例如Internet中发送E-mail；③无线穿戴网络，例如能穿戴在人体上并能智能收集人体和周围环境信息；④无线体域网，例如远程健康监护中有效地收集信息。
4、现在主流的无线网络种类有哪些？答：P5（不确定）WLAN,GPRS,CDMA，wifi5、什么是协议？请举例说明。
答：P9第一段第三句；协议是指通信双方关于如何进行通信的一种约定。
举例：准确地说，它是在同等层之间的实体通信时，有关通信规则和约定的集合就是该层协议，例如物理层协议、传输层协议、应用层协议。
6、与网络相关的标准化有哪些？答：主要有：国际电信标准，国际ISO标准，Internet标准1.美国国际标准化协会（ANSI）2.电气电子工程师协会(IEEE)3.国际通信联盟（ITU）4.国际标准化组织（ISO）5.Ineter协会(ISOC)和相关的Internt工程任务组（IETF）6.电子工业联合会(EIA)和相关的通信工业联合会（TIA）7、无线网络的协议模型有哪些特点？答：（p13）无线网络的协议模型显然也是基于分层体系结构的，但是对于不同类型的无线网络说重点关注的协议层次是不一样的。
《电波传播理论》课件 天波传播模式
２０
５０
１６０～１ １７０以上 ８０
２ ～ ４１ ８～２０１
０１１
０１１
大约１８０ ２００～３ ５０
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４
１０～１０３
１０
２０～２５ 约５０
１００～２ ００
4
电离层的变化：
（１）电离层的规则变化：电离层的周期性重复变化 一天中昼夜的周期性重复 季节性的周期变化 以约１１年为周期的太阳活动性的变化
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
R12
1 12
n5 k n5
Rk
1 2
Rn6 Rn6
2020/11/29
5
（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不
可预测的不规则变化
Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。对 于电波传播来讲，有利有弊。
电离层骚扰
太阳黑子耀斑爆发辐射出的极强的紫外线和x射线使电 离层的D层电离程度加剧，增加对电波的吸收损耗，可使通 信中断。但持续时间只有几分钟。
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C
Vg Vp n 电波在色散媒质中传播时，相速与群速不相等。 b. 信号在非色散媒质中传播时不会变形； 信号在色散媒质中传播时将变形。 c. 在非色散媒质中，信号的传播速度等于相速； 在色散媒质中，信号的传播速度不等于相速。
2020/11/2信9 号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度 16
电离层暴乱
太阳黑子耀斑爆发喷出的大量带电粒子使电离层的电 子分布发生剧烈变动，持续时间长，危害最大。
2020/11/29
6
２．电离层的电特性
由于电离层中粒子之间的平均距离远小于波长， 所以，电离层可看成一种媒质，具有等效电特 性参数r和。
简述天波传播的工作原理
简述天波传播的工作原理
天波传播是一种电磁波在大气中传播的现象。
当频率较低的电磁波传播时，主要采用地波传播方式，而高频电磁波则采用电离层反射的天波传播方式。
天波传播的工作原理可简述如下：
1. 当电磁波辐射源位于地面时，电磁波以地波的形式向地面传播。
地波主要通过地面上的导电层（例如海水、湖泊、土壤等）来传播。
在地波传播中，电磁波的传播距离较近，信号衰减较小，但传播范围有限。
2. 高频电磁波如超过30 MHz，则会发生电离层反射，采用天波传播方式。
在电离层中存在自由电子，当电磁波在电离层遇到自由电子时，会发生反射。
这种反射会使电磁波在大气中传播很长的距离，甚至能够传播到地球的另一边。
天波传播具有远距离传输的特点。
3. 天波传播的有效性取决于电离层的状态，特别是F层和E层的情况。
F层位于电离层的较高处，通常在白天分裂成F1层和F2层，晚上F2层较为强大。
而E层位于F层下方，通常只在白天存在。
4. 电离层的竞争机制也影响了天波传播。
当有多条路径可供选择时，电磁波会按照最佳反射条件选择传播路径。
这也就解释了为什么某些地区接收到的频率会比较强，而其他地区则较弱。
总之，天波传播是通过电离层的反射来实现电磁波在大气中传输的一种传播方式，可实现远距离的通信。
天波传播的特色,详细论述电离层变化对天波传播的影响及应对措施,目前研究趋势论文
天波传播的特色，详细论述电离层变化对天波传播的影响及应对措施，目前研究趋势天波传播是指电波向高空辐射，经高空电离层反射后到达地面接收点的传播方式。
长、中、短波都是可以利用天波传播。
天波传播的主要优点是传播损耗小，从而可以用较小的功率进行远距离通信。
电离层大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。
此外，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也起相当重要的作用。
太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。
大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。
它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。
电离层中自由电子在电磁波电力场的作用下发生定向运动的同时，也不断地与各种中性粒子、正离子和负离子发生碰撞，因而电磁波的能量将会被吸收而造成衰减。
这种情况下电离层类似于导电媒质。
可以证明，电磁波的频率越低这种衰减就越严重。
例如，白天中波无线电波在D层能量几乎全部被吸收掉，因而不能从电离层反射到地面。
夜间D层消失以后，中波无线电波才能被E层反射到地面。
这就是我们只能在夜间收听到远地中波广播的原因。
F1层对天波传播影响不大，它仅在夏季白天存在，其他时间消失。
进入电离层的短波无线电波是在F2层发生反射的。
D层和E层虽然对短波无线电波也有吸收作用，但由于短波的频率较高，电磁波能量受到的衰减并不严重。
超短波和微波的频率由于特别高，不能满足天波的反射条件，进入电离层的电磁波将穿透电离层进入太空。
短波波段的无线电波以地面波方式传播衰减很快，而不能以空间波等其他方式传播。
因此，天波传播是短波无线电波的主要传播方式。
电离层中的自由电子浓度随季节、昼夜每时每刻都在发生变化。
早晨太阳出来以后，电离层自由电子浓度增加的速率很快，中午以后自由电子浓度最大。
晚上太阳消失，电离层中的自由电子浓度变小。
第10章 天波传播
F层
长、中、短波从不同高度反射
F层在夏季白 天又 分 为 上 1 70 km ～3 00 k下 m 两 层 ， 170 ～
200km高度为F1层，200km高度以上称F2层。 在晚上， F1 与 F2 合并为一层。 F2 层的电子密
E层 D层 长波
F层
度是各层中最大的，在白可达 2×1012 个 /m3 ， 1 00 km 冬天最小，夏天达到最大。 F2 层空气极其稀 薄，电子碰撞频率极低，电子可存在几小时 6 0 k m～7 0 k m 才与其它粒子复合而消失。 F2 层的变化很不 中波 短波 规律，其特性与太阳活动性紧密相关。
当0 0 max时，f max (0 ) f max 0 max
电波沿地表面切向投射时，可用频率范围最宽 但电波沿地表面投射时，吸收损耗很大，所以实际中常以 一定的仰角△进行投射。
以一定仰角投射时，电波能够反射的最高频率：
sin 0 sin 90 cos R Rh Rh R cos sin 0 Rh R cos cos cos 0 1 1 R h 1 h / R 2h sin R 2h 1 R
Z R O
0 max
R sin Rh
1
R：地球半径 h：电离层下界面到地球 表面的距离
电波沿地表面投射时，反射频率最高：
sec 0 max
Rh
R h
2
R2
2
f max 0 max f c
Rh
R h
R2
fc 1 1 1 h / R 2
f c f max (0 )
即入射角越大，可用频率范围越宽。
天波传播
n
1
80.8Nn f2
式中Nn是反射点的电子密度。
(10―2―4)
sin0
n
1
80.8Nn f2
该式表明了电波能从电离层返回地面时，电波
频率f、入射角θ0和反射点的电子密度Nn之间必须 满足的关系。由该式可得出如下结论：
（1）电离层反射电波的能力与电波频率有关。 在入射角θ0一定时，电波频率越低，越易反射。
fmax
80.8 N max
cos2 0
fc sec0
(10―2―6)
对于一般的斜入射频率f 及在同一N处反射的
垂直入射频率 f 之间，
电离层的正割定律： f f sec0 (10―2―7)
如图所示。电离层的正割定律表明：
当反射点电子密度一定时（fv一定时），通信 距离越大（即θ0越大），允许工作频率越高。
Nn
0
fv
f
临界频率fc的讨论：
fc 80.8Nmax
①所有 f fc 的电波，都能从电离层反射回来。
② 若 f fc
若入射角θ>
0 arcsin
1
80.8N f2
n
或者频率 f <
fmax
80.8 N max
cos2 0
fc sec0
则电波能从电离层反射下来，否则穿出电离层。
临界频率：
当电波垂直向上发射即θ0=0°时，能从电离层 反射回来的最高频率，用fc表示。
将θ0＝0°，Nn=Nmax，代入下式，
sin0
n
1
80.8Nn f2
可得临界频率为 fc 80.8Nmax (10―2―5)
天线与电波传播
天线与电波传播天线部分：引言天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。
换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。
于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。
人类最大的自然资源之一就是电磁波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。
第一讲：传输线基础知识在通信系统中，传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。
为了更好的了解天线的性能与参数，首先简单介绍有关传输线的基础知识。
传输线根据频率的使用范围区分有两种类型：1、低频传输线；2、微波传输线。
这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任一点特性的参量：反射系数Γ、阻抗Z 和驻波比ρ。
一、反射系数Γ这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为()()''''''''2()()()00j z j z j zl U z z U z U z e Uzee βββ-+--+-Γ=====Γ (1)由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，即 ()'l z Γ=Γ (2) 此外，反射系数呈周期性，即()()''/2g z m z λΓ+=Γ (3) 二、阻抗Z这里定义传输线上任一点处的阻抗为 ()()()'''U z Z z I z =(4)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式()''00'0tan tan l l Z jZ z Z z Z Z jZ zββ+=+ (5) 三、驻波比ρ(VSWR)这里定义传输线上任一点处的驻波比为 ()()'max 'minU z U zρ=(6)经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 11l lρ+Γ=-Γ (7)此外，这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式()()()()()()''''''011z Z z Z z Z z Z z Z z Z +Γ=-Γ-Γ=+ (8)这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗0Z 以与相位常数β，具体表达式如下： 02,L Z LC C πβωλ===(9) 此外，不同的系统有不同的特性阻抗0Z ，为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗()'0Z z Z 称为归一化阻抗()()''Z z Z z Z =(10)第二讲：基本振子的辐射一、电基本振子的辐射电基本振子(Electric short Dipole)又称电流元，无穷小振子或赫兹电偶极子， 它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l 远小于波长λ，其半径a 远小于l ，同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
School of Electronic Engineering
而呈亮度较暗的斑点，一般成群 出现。太阳黑
图2 临界频率的季节变化
子数的最大年份，是太阳活动的高年，太阳辐射增强并
可喷射出大量带电粒子，电离层的电子浓度将明显增强，
尤其对F2区影响最大。
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering
电离层概况
School of Electronic Engineering
图1 地面上空大气层概况
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
电离层概况
❖电离层的分区 根据电离层观测站的观测以及利用先进的探空手段
EMW Propa
2012, Jun. 1
School of Electronic Engineering
内容安排
电离层概况 电波在电离层中的传播 短波天波传播 中波传播
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
电离层概况
电离层的异常变化主要包括电 离层骚扰和电离层暴。电离层 骚扰是当太阳耀斑爆发时，辐 射出极强的紫外线和X射线， 以光速传播到地球，当穿透高 层大气到达D区时，会使D区 电子浓度突然增大，增加了对 短波的吸收，可能造成短波通 信中断。由于耀斑爆发时间很 短，因此电离层骚扰持续时间通常为几分钟到几小时， 并且只发生在地球上的日照区。另外，在太阳耀斑爆发 时，还喷射出大量带电离子流，若进入电离层，会使电 离层的正常结构发生剧烈变动，称电离层暴变。此时F2 区受其影响最大，有时会使F2区电子浓度最大，有时却
的两个辐射带 ❖电离层的形成原因
电离层主要是由于太阳中紫外线和X射线（主源）、 其他星体的紫外辐射以及宇宙射线中的高速粒子碰撞使 大气层中的气体分子电离，电离显著的区域即为电离层， 电离程度由电子浓度N（电子数/m3）来描述。事实上， 大气分子在不断地被游离的同时，自由电子和离子又不 断地复合成中性分子或原子，在动态平衡状态下的电子 浓度N值，是电离层的重要参数之一。
证实电离层电子浓度按高度有几个峰值区域，从低到高 分别称D区、E区、F1区和F2区，如图1所示。各区之间 没有明显的分界线，也没有非电离的空气间隙。每一区 都有一个电子浓度的最大值，整个电离层的最大电子浓 度区域在F2区，在此以上随着高度的增加电子浓度缓慢 地减少。
①D区，处于60~90km的高度上，最大电子浓度 Nmax≈2.5e9(电子数/m3)。随着夜晚的来临，游离源 （主要是太阳辐射）减弱，N逐渐减小，在黑夜中D区 几乎完全消失。
②E区，发生在90~150km， Nmax≈2e11(电子数 /m3)较稳定地在110km处，夜间电子浓度降低。
EMW Propagation Engineering
电离层概况
③F1区，经常出现在夏季白天、170~220km处，
Nmax≈2.5e11~4e11(电子数/m3)。夜间及冬季消失。 ④F2区，发生在225~450km，Nmax≈8e11~2e12(电子
数/m3)，其高度约为250~300km。F2区电子浓度白天大、
夜间减小，冬季大，夏季小。对电离层分层结构具体参数
可见表1。
表1 电离层各层主要参数
School of Electronic Engineering
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
①日变化，日出之后各区电子浓度不断增加，到正 午稍后时分达最大值，以后又逐渐减小，D区深夜时消 失。一日之内，在黎明和黄昏时分，电子浓度变化最快。
②季节变化，这是由地球环绕太阳公转引起的。如 F1区多出现在夏季白天；F2区高度夏季高冬季低，而电
EMW Propagation Engineering
电离层概况
School of Electronic Engineering
子浓度却冬季大夏季小，并在一
年的春分和秋分时节两次达到最
大值，如图2所示，其中图中的
纵坐标以临界频率fc标出。 ③随太阳黑子11年周期变化。
太阳黑子是指太阳光球表面经常
出现的黑斑，因比光球表面温度
（6000K）低2000~3000K，因
电离层概况
电离层的变化 掌握电离层的特性及其变化规律是利用电离层对电
波起反射作用实现天波传播的基础。电离层作为一种随 机的、色散及各向异性的半导电媒质，其参数如电子浓 度、分布高度、电离层厚度等都是随机量，但其平均值 却有着明显的昼夜、季节、年变化的规律，称为正常变 化。此外，电离层还有不可预测的不规则变化，称为异 常变化，具有非周期性的随机特性。正常变化包括
电离层是地面上空大气层的一部分，它从60 km起 一直延伸到大约千余公里的高度，是由自由电子、正、 负离子和中性分子、原子组成的等离子体介质。
EMW Propagation Engineering
School of Electronic Engineering
电离层概况
❖大气层的结构 ①对流层：离地面10~12km，大气相互对流 ②平流层：离地面10~60km，大气沿水平方向流动 ③电离层：离地面60~1000km，存在大量带电离子 ④磁层：电离层以上~几万km，存在着由带电离子组成
电离层概况
天波传播通常是指由高空电离层反射的一种传播方 式。长波、中波和短波都可以利用天波通信，其主要优 点是传输损耗小，便于利用较小的功率进行远距离通信。 但由于电离层是一种随机的、色散及各向异性的媒质， 电波在其中传播时会产生各种效应，如多径传输、衰落、 极化面旋转等，有时还会因电离层暴变等异常情况造成 短波通信中断。近年来，随着高频自适应通信系统的投 入使用，大大提高了短波通信的可靠性。 电离层的结构特点