《电波传播概论》PPT课件.ppt

7.1 电波传播的基本概念7.2 视距传播7.3 天波传播7.4 地面波传播7.5 不均匀媒质的散射传播,第7章 电波传播概论,返回主目录,8.1 概述,电磁波谱 人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千分之几赫（地磁脉动），高达1030Hz量级（宇宙射线），相应的波长从1011m短至10-20m以下。按序排列的频率分布称为频谱（或波谱），在整个电磁波谱中，无线电波频段（RadioFrequency Band）的划分见表81 1。,表811 无线电波频段的划分,从电波传播特性出发，并考虑到系统技术问题，频段的典型应用如下：(1)超低频：典型应用为地质结构（包括孕震效应）探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。超低频由于波长太长，因而辐射系统庞大且效率低，人为系统难以建立，主要由太阳风与磁层相互作用、雷电及地震活动所激发。近来在频段高端已有人为发射系统用于对潜艇发射简单指令和地震活动中深地层特性变化的检测。,(2)极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。由于频率低，因而信息容量小，信息速率低（约1bit/s）。该频段中，垂直极化的天线系统不易建立，并且受雷电干扰强。(3)甚低频：典型应用为Omega(美)、（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。该波段难于实现电尺寸高的垂直极化天线和定向天线，传输数据率低，雷电干扰也比较强。,(4)低频：典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。该频段不易实现定向天线。(5)中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。(6)高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。(7)米波：用于语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接力（50km跳距）通信，航空导航信标，以及容易实现具有较高增益系数的天线系统。,(8)分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。(9)厘米波：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。(10)毫米波：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。(11)亚毫米波：用于短路径通信。,8.1.2 几种主要的电波传播方式 电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。对于一定频率和极化的电波与特定媒质条件相匹配，将具有某种占优势的传播方式。常用的电波传播方式分为以下3种。,1.地面波传播 如图811所示，电波沿着地球表面传播的方式为地面波传播。此种方式要求天线的最大辐射方向沿着地面，采用垂直极化，工作的频率多位于超长、长、中和短波波段，地面对电波的传播有着强烈的影响。这种传播方式的优点是传播的信号质量好，但是频率越高，地面对电波的吸收越严重。,2.天波传播 如图812所示，发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。尽管中波、短波都可以采用这种传播方式，但是仍然以短波为主。它的优点是能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。天波传播的规律与电离层密切相关，由于电离层具有随机变化的特点，因此天波信号的衰落现象也比较严重。,3.视距传播 如图813所示，电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式称为视距传播。它可以分为地-地视距传播和地-空视距传播。视距传播的工作频段为超短波及微波波段。此种工作方式要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度。信号在传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉。在几千兆赫和更高的频率上，还必须考虑雨和大气成分的衰减及散射作用。在较高的频率上，山、建筑物和树木等对电磁波的散射和绕射作用变得更加显著。,除了上述3种基本的传播方式外，还有散射传播，如图814所示。散射传播是利用低空对流层、高空电离层下缘的不均匀的“介质团”对电波的散射特性来达到传播目的的。散射传播的距离可以远远超过地-地视距传播的视距。对流层散射主要用于100MHz10GHz频段，传播距离r1000km。散射通信的主要优点是距离远，抗毁性好，保密性强。在各种传播方式中，媒质的电参数（包括介电常数,磁导率与电导率）的空间分布和时间变化及边界状态，是传播特性的决定性因素。,7.1电波传播的基本概念 1.无线电波在自由空间的传播 天线置于自由空间中,假设发射天线是一理想的无方向性天线,若它的辐射功率为P瓦,则离开天线r处的球面上的功率流密度为 S0=功率流密度又可以表示为,由此,离天线为r处的电场强度E0值为,又假设发射天线是一实际天线,其辐射功率仍为P,设它的输入功率为Pi,若以Gi表示实际天线的增益系数,则在离实际天线r处的最大辐射方向上的场强为,如果接收天线的增益系数为GR,有效接收面积为Ae,则在距离发射天线r处的接收天线所接收的功率为,将输入功率与接收功率之比定义为自由空间的基本传输损耗:,将上式取对数得,【例821】设微波中继通信的段距为r=50km,工作波长为7.5cm，收发天线的增益系数都为45dB，馈线及分路系统一端损耗为3.6dB，该路径的衰减因子A=0.7。若发射天线的输入功率为10W，求其收信电平。Lb=32.45+20lgr(km)+20lgf(cm)=121.98+20lgr(km)-20lg(cm)=121.98+20lg50-20lg7.5=121.98+33.98-17.5=138.46dB,于是考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的总传输损耗Lbf为 Lbf=L0+LF-GR-Gi+23.6=138.46-20lg0.7-245+23.6=58.8dB 因发射天线的输入功率为Pin=10W=40dBm。（注：dBm为分贝毫瓦）,于是收信电平即接收天线的输出功率为 PL=Pin-Lbf=40-58.8=-18.8dBm,由上式可见:若不考虑天线的因素,则自由空间中的传输损耗,是球面波在传播的过程中随着距离的增大，能量自然扩散而引起的,它反映了球面波的扩散损耗。2.传输媒质对电波传播的影响(1)传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的,也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。在传播距离、工作频率、发射天线、输入功率和接收天线都相同的情况下,设接收点的实际场强E、功率PR，而自由空间的场强为E0、功率为PR，则信道的衰减因子A为,则传输损耗Lb为,若不考虑天线的影响,即令Gi=GR=1,则实际的传输损耗为,式中,前三项为自由空间损耗Lbf；A为实际媒质的损耗。不同的传播方式、传播媒质,信道的传输损耗不同。,(2)衰落现象 所谓衰落,一般是指信号电平随时间的随机起伏。根据引起衰落的原因分类,大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。吸收型衰落主要是由于传输媒质电参数的变化,使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的。如大气中的氧、水汽以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪等都对电波有吸收作用。由于气象的随机性,这种吸收的强弱也有起伏,形成信号的衰落。由这种原因引起的信号电平的变化较慢,所以称为慢衰落,如图 7 1(a)所示。慢衰落通常是指信号电平的中值（五分钟中值、小时中值、月中值等）在较长时间间隔内的起伏变化。,图 7 1 衰落现象,干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传输方式中,由于收、发两点间存在若干条传播路径,典型的如天波传播、不均匀媒质传播等，在这些传播方式中,传输媒质具有随机性,因此使到达接收点的各路径的时延随机变化,致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏。这种起伏的周期很短,信号电平变化很快,故称为快衰落,如图 7-1(b)所示。这种衰落在移动通信信道中表现得更为明显。快衰落叠加在慢衰落之上。在较短的时间内观察时,前者表现明显,后者不易被察觉。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和系统的可靠性,需要采取有效措施（如分集接收等）来加以克服。,(3)传输失真 无线电波通过媒质除产生传输损耗外,还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个:一是媒质的色散效应,二是随机多径传输效应。色散效应是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信号的无线电波都占据一定的频带,当电波通过媒质传播到达接收点时,由于各频率成分传播速度不同,因而不能保持原来信号中的相位关系,引起波形失真。至于色散效应引起信号畸变的程度,则要结合具体信道的传输情况而定。,多径传输也会引起信号畸变。这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的路径到达接收点,接收天线检拾的信号是几个不同路径传来的电场强度之和。设接收点的场是两条路径传来的相位差为=的两个电场的矢量和。最大的传输时延与最小的传输时延的差值定义为多径时延。对所传输信号中的每个频率成分,相同的值引起不同的相差。例如对f1，若1=1=,则因二矢量反相抵消,此分量的合成场强呈现最小值；而对f2,若2=2=2,则因二矢量同相相加,此分量的合成场强呈现最大值，如图 7 2(b)所示。其余各成分依次类推。显然,若信号带宽过大,就会引起较明显的失真。所以一般情况下,信号带宽不能超过1/。因此，引入相关带宽的概念，定义相关带宽:,图7-2 多径传输效应,(4)电波传播方向的变化 当电波在无限大的均匀、线性媒质内传播时,射线是沿直线传播的。然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的:不同媒质的分界处将使电波折射、反射;媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射;球形地面和障碍物将使电波产生绕射;特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化,使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏,使接收信号产生严重的衰落。因此,在研究实际传输媒质对电波传播的影响问题时,电波传播方向的变化也是重要内容之一。,7.2 视距传播,所谓视距传播,是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。它主要用于超短波和微波波段的电波传播。1.视线距离 设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图7-3）,由于地球曲率的影响,当两天线A、B间的距离rrv时,两天线互相“看得见”,当rrv时,图7-3 视线距离,两天线互相“看不见”,距离rv为收、发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离,简称视距。图 7 3 中,AB与地球表面相切,a为地球半径,由图可得到以下关系式:,将地球半径a=6.370106m代入上式,即有,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。,在标准大气压下,大气层的介电常数r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 7 4 所示。当考虑大气的不均匀性对电波传播轨迹的影响时,视距公式应修正为,在光学上,rrv的区域称为照明区,rrv的区域称为阴影区。,图 7 4 大气层对电波的折射,于电波频率远低于光学频率,故不能完全按上述几何光学的观点划分区域。通常把r0.8rv的区域称为照明区,将r1.2rv的区域称为阴影区,而把0.8rvr1.2rv的区域称为半照明半阴影区。2.大气对电波的衰减 大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。热吸收与小水滴的浓度有关,谐振吸收与工作波长有关。另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射,散射衰减与小水滴半径的六次方成正比,与波长的四次方成反比。,当工作波长短于5cm时,就应该考虑大气层对电波的衰减,尤其当工作波长短于3cm时,大气层对电波的衰减将趋于严重。就云、雾、雨、雪对微波传播的影响来说,降雨引起的衰减最为严重,对10千兆赫以上的频率,由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。3.场分析 在视距传播中,除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，如图 75 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。,图 7 5 直射波与反射波,设h1为发射天线高度,h2为接收天线高度,d为收、发天线间距,E为接收点场强,E1为直射波,E2为反射波。根据上面的分析,接收点的场强为 E=E1+E2,E1=E 0 f(),E2=RE0f(),式中,R为反射点处的反射系数,R=|R|e j,f()为天线方向函数。如果两天线间距离dh1,h2,则有,=,式中，,而,将其代入式（7 2 7）得,当地面电导率为有限值时,若射线仰角很小,则有 RHRV1,式中,RH为水平极化波的反射系数;RV垂直极化波的反射系数。对于视距通信电路来说,电波的射线仰角是很小的（通常小于1）,所以有,由上式可得到下列结论:当工作波长和收、发天线间距不变时,接收点场强随天线高度h1和h2的变化而在零值与最大值之间波动，如图 7 6 所示。当工作波长和两天线高度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 7 7所示。,图 7 6 接收点场强随天线高度的变化曲 图 7 7 接收点场强随间距d的变化曲线,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长呈波动变化，如图 7 8 所示。总之,在微波视距通信设计中,为使接收点场强稳定,希望反射波的成分愈小愈好。所以在通信信道路径的设计和选择时,要尽可能地利用起伏不平的地形或地物,使反射波场强削弱或改变反射波的传播方向,使其不能到达接收点,以保证接收点场强稳定。,图 7 8 接收点场强随工作波长的变化曲线,7.3 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1000km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 7-9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。,图 7-9 电离层电子密度的高度分布,2.无线电波在电离层中的传播 仿照电波在视距传播中的介绍方法,可将电离层分成许多薄片层,每一薄片层的电子密度是均匀的,但彼此是不等的。根据经典电动力学可求得自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为,其折射率为,式中,f为电波的频率。,当电波入射到空气电离层界面时,由于电离层折射率小于空气折射率,折射角大于入射角,射线要向下偏折。当电波进入电离层后,由于电子密度随高度的增加而逐渐减小,因此各薄片层的折射率依次变小,电波将连续下折,直至到达某一高度处电波开始折回地面。可见,电离层对电波的反射实质上是电波在电离层中连续折射的结果。,如图 7-10,在各薄片层间的界面上连续应用折射定律可得 n0 sin0=n1 sin1=ni sini,式中,n0为空气折射率,n0=1,0为电波进入电离层时的入射角。设电波在第i层处到达最高点,然后即开始折回地面,则将i=90代入上式得,图 7 10 电离层对电波的连续折射,上式揭示了天波传播时,电波频率f(Hz)与入射角0和电波折回处的电子密度Ni（电子数/m3）三者之间的关系。由此引入下列几个概念:（1）最高可用频率 由式（7-3-5）可求得当电波以0角度入射时,电离层能把电波“反射”回来的最高可用频率为,式中,Nmax为电离层的最大电子密度。也就是说,当电波入射角0一定时,随着频率的增高,电波反射后所到达的距离越远。当电波工作频率高于fmax时,由于电离层不存在比Nmax更大的电子密度,因此电波不能被电离层“反射”回来而穿出电离层，见图 7-11 所示,这正是超短波和微波不能以天波传播的原因。（2）天波静区 由式（7-3-4）可得电离层能把频率为f(Hz)的电波“反射”回来的最小入射角0 min为,图 7 11 0 一定而频率不同时的射线,这就是说，当电波频率一定时,射线对电离层的入射角0越小,电波需要到达电子浓度较高的地方才能被反射回来,且通信距离越近，如图 7-12 的曲线“1”、“2”所示；但当0继续减小时,通信距离变远,如图 7-12 中的曲线“3”;当入射角00 min时,则电波能被电离层“反射”回来所需的电子密度超出实际存在的Nmax值,于是电波穿出电离层,如图7-12中的曲线“4”。由于入射角00min的电波不能被电离层“反射”回来,使得以发射天线为中心的、一定半径的区域内就不可能有天波到达,从而形成了天波的静区。,图 7 12 频率一定时通信距离与入射角的关系,（3）多径效应 由于天线射向电离层的是一束电波射线,各根射线的入射角稍有不同,它们将在不同的高度上被“反射”回来,因而有多条路径到达接收点（图 7-13）,这种现象称为多径传输。电离层的电子密度随气候不时发生起伏,引起各射线路径也不时变化,这样,各射线间的波程差也不断变化,从而使接收点的合成场的大小发生波动,这种由多径传输引起的接收点场强的起伏变化称为多径效应。正如本章前面所述,多径效应造成了信号的衰落。（4）最佳工作频率fopt 电离层中自由电子的运动将耗散电波的能量,使电波发生衰减,但电离层对电波的吸收主要是D层和E层。,图 7 13 多径效应,因此，为了减小电离层对电波的吸收,天波传播应尽可能采用较高的工作频率。然而当工作频率过高时,电波需到达电子密度很大的地方才能被“反射”回来,这就大大增长了电波的电离层中的传播距离,随之也增大了电离层对电波的衰减。为此,通常取最佳工作频率fopt为 fopt=0.85fmax 还需要注意的是,电离层的D层对电波的吸收是很严重的,夜晚,D层消失,致使天波信号增强,这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。总之,天波通信具有以下特点:,频率的选择很重要,频率太高,电波穿透电离层射向太空;频率太低,电离层吸收太大,以致不能保证必要的信噪比。因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。而这个频率的确定,不仅与年、月、日、时有关,还与通信距离有关。同样的电离层状况,通信距离近的,最高可用频率低,通信距离远的,最高可用频率高。显然,为了通信可靠,必须在不同时刻使用不同的频率。但为了避免换频的次数太多,通常一日之内使用两个（日频和夜频）或三个频率。天波传播的随机多径效应严重,多径时延较大,信道带宽较窄。因此,对传输信号的带宽有很大限制,特别是对于数字通信来说,为了保证通信质量,在接收时必须采用相应的抗多径措施。,天波传播不太稳定,衰落严重,在设计电路时必须考虑衰落影响,使电路设计留有足够的电平余量。电离层所能反射的频率范围是有限的,一般是短波范围。由于波段范围较窄,因此短波电台特别拥挤,电台间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸收减小,电波传播条件有所改善,台间干扰更大。由于天波传播是靠高空电离层的反射,因而受地面的吸收及障碍物的影响较小,也就是说这种传播方式的传输损耗较小,因此能以较小功率进行远距离通信。天波通信,特别是短波通信,建立迅速，机动性好,设备简单,是短波天波传播的优点之一。,7.4 地 面 波 传 播,无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播,当天线低架于地面,且最大辐射方向沿地面时,这时主要是地面波传播。在长、中波波段和短波的低频段（103106 Hz)均可用这种传播方式。设有一直立天线架设于地面之上,辐射的垂直极化波沿地面传播时,若大地是理想导体,则接收天线接收到的仍是垂直极化波（图 7-14）。实际上,大地是非理想导电媒质,垂直极化波的电场沿地面传播时,就在地面感应出与其一起移动的正电荷,进而形成电流,从而产生欧姆损耗,造成大地对电波的吸收;并沿地表面形成较小的电场水平分量,致使波前倾斜,并变为椭圆极化波,如图 7-15所示。显然,波前的倾斜程度反映了大地对电波的吸收程度。,图 7 14 理想导电地面的场结构,图 7 15 非理想导电地面的场结构,从以上知识可以得到如下结论:垂直极化波沿非理想导电地面传播时,由于大地对电波能量的吸收作用,产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1,因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高,Ez1越大,说明传播损耗越大。因此,地面波传播主要用于长、中波传播,短波和米波小型电台采用这种传播方式工作时,只能进行几千米或十几千米的近距离通信。海水的电导率比陆地的高,因此在海面上要比陆地上传得远的多。地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。由于Ex1Ez1,故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合,由于受到条件的限制,也可以采用低架水平天线接收。,地面波由于地表面的电性能及地貌、地物等并不随时间很快地变化,并且基本上不受气候条件的影响,因此信号稳定,这是地面波传播的突出优点。应该指出,地面波的传播情况与电波的极化形式有很大关系。大多数地质情况下,大地的磁导率0,很难存在横电波模式，因此关于地面波的讨论都是针对横磁波模式的。根据横磁波存在的各场分量Ex1,Ez1,Hy1,其电场分量在入射平面内,故称为垂直极化波。换句话说,只有垂直极化波才能进行地面波传播。,7.5 不均匀媒质的散射传播,除了上述三种基本传输方式外,还有散射波传播。电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射,散射波的一部分到达接收天线处（图7-16）,这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。电离层散射主要用于 30100MHz频段,对流层散射主要用于100 MHz以上频段。就其传播机理而言,电离层散射传播与对流层散射传播有一定的相似性；就其应用广度来说,电离层散射传播不如对流层散射传播方式应用广泛。现以对流层散射为例简单介绍不均匀媒质的散射传播的原理。,图 7 16 不均匀媒质传播,对流层是大气的最低层,通常是指从地面算起至高达135千米的区域,在太阳的辐射下，受热的地面通过大气的垂直对流作用,对流层升温。一般情况下,对流层的温度、压强、湿度不断变化,在涡旋气团内部及其周围的介电常数有随机的小尺度起伏,形成了不均匀的介质团。当超短波、短波投射到这些不均匀体时,就在其中产生感应电流,成为一个二次辐射源,将入射的电磁能量向四面八方再辐射。于是电波就到达不均匀介质团所能“看见”但电波发射点却不能“看见”的超视距范围。电磁波的这种无规则、无方向的辐射,即为散射,相应的介质团称为散射体,如图 7-16 所示。对于任一固定的接收点来说,其接收场强就是收发双方都能“看见”的那部分空间收、发天线波束相交的公共体积中的所有散射体的总和。通过上述分析,可以看出对流层散射传播具有下列特点:,由于散射波相当微弱,即传输损耗很大（包括自由空间传输损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗,一般超过200dB）,因此对流层散射通信要采用大功率发射机、高灵敏度接收机和高增益天线。由于湍流运动的特点,散射体是随机变化的,它们之间在电性能上是相互独立的,因而它们对接收点的场强影响是随机的。这种随机多径传播现象,使信号产生严重的快衰落。这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。这种传播方式的优点是:容量大,可靠性高,保密性好,单跳跨距达300800 km,一般用于无法建立微波中继站的地区,如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。,中波,中波通常在E层反射，但在白天，由于D层吸收大，使大部分中波不能用天波传播，而依靠地面波传播；而在夜晚，D层消失，吸收较小，所以夜间中波既可利用地面波又可利用天波传播。波长为2000200m（频率为150kHz1.5MHz）的中波主要用于广播业务，故此分波段又称广播波段。由于上述原因，中波波段的广播电台信号晚上比白天多。根据广播波段的传播特性，通常可按距离远近将电波收听质量分为三个服务区，如图所示。,（1）主要服务区（良好接收区）离发射台较近地区。此区域接收的电波以地面波为主，即使在夜间，地面波场强也远大于天波场强，故白天和夜间，此区域内的场强都很强，所以接收点场强稳定，没有明显的衰落，不受太阳的影响，称为良好接收区，是广播电台的主要服务区。此服务区的半径决定于发射机功率、发射天线的方向性以及地面的导电性质。频率愈高，地面波传播损耗愈大，作用距离半径将减小。（2）衰落区稍远地区。距离进一步增大则地面波场强逐渐减弱。如果辐射功率大于几十千瓦，则在150300km的距离范围内，地面波仍有一定强度。在白天因为没有天波，较弱的地面波仍然比较稳定，只要接收机灵敏度足够高，仍能满意地收听。到了夜间，出现了电离层反射的天波，由于电离层的电子密度的随机变化，使得天波传播的射线行程也随之变化，因此，天波和地面波的干涉作用，使得合成场强形成干涉性衰落，此区域称为衰落区。防止衰落的积极措施，是发射天线采用抗衰落天线，即设法使天线沿低仰角方向集中辐射，尽量减小天波辐射。,（3）次要服务区很远地区。此区域地面波已经消失，只有在晚上才能收到较强的天波信号，称为广播电台的次要服务区。这个区域的特点是白天收不到远距离的广播电台信号，而在夜晚，由于天波传播损耗减小，故可以收到信号，这就是为什么中波波段的广播信号到夜晚突然增多的原因。夜间E层的电子密度与太阳无关，所以中波天波受太阳活动性影响小，如太阳黑子数的变化对中波天波传播的影响很小，夜间也不会发生电离层的突然骚扰，场强随季节的变化也很小。,短波,短波利用天波传播时，由于电离层的吸收随着频率的升高而减小，故能以较小功率借助电离层反射完成远距离传播，可以传播到几百到一二万千米的距离，甚至环球传播。当电波以与地球表面相切的方向即射线仰角为零度的方向发射时，可以得到电波经电离层一次反射（称一跳）时最长的地面距离。按平均情况来说，从E层反射的一跳最远距离约为2000km，从F层反射的一跳最远距离约为4000km。若通信距离更远时，必须经过几跳才能到达。通信距离小于2000km时，电波可能通过F层一次反射到达接收点，也可能通过E层一次反射到达接收点，前者称1F传输模式，后者称1E传输模式，当然也可能存在2F或2E模式等，如图所示。对某一通信电路而言，可能存在的传输模式是与通信距离、工作频率、电离层的状态等因素有关。,短波天波传播的特点 综合以上讨论，短波天波传播的基本特点是：（1）能以较小的功率进行远距离传播。由于天波传播是靠高空电离层反射来实现的，因此不受地面吸收及障碍物的影响，此外，这种传播方式的损耗主要是自由空间的传输损耗，而电离层吸收及地面损耗则较小，在中等距离(1000km左右)上，电离层的平均损耗只不过10dB左右。因此，利用小功率电台可以完成远距离通信。例如，发射功率为150W的电台，用64m双极天线，通信距离可达1000多千米。（2）白天和夜间要更换工作频率。由于电离层的电子密度、高度在白天和夜间是不同的，因此工作频率也应不同，白天工作频率高，夜间工作频率低。在日出日落前后要更换工作频率，而不像地面波传播那样昼夜可使用同一频率。（3）传播不太稳定，衰落严重。由于电离层的情况随年份、季节、昼夜和地理位置的不同而变化，因此天波传播不如地面波稳定，且衰落严重。,4）天波传播由于随机多径效应严重，多径时延较大，多径传输媒质的相关带宽f=1/较小，因此对传输的信号带宽有较大的限制（5）电台拥挤、干扰大。由于电离层能反射电波的频率范围是很有限的，一般是短波以下（只有在太阳活动最大年份才达到50MHz左右），波段范围比较窄，因此短波波段内的电台特别拥挤，电台间的干扰很大，尤其是夜间，由于电离层吸收减弱，干扰更大。,环球回波现象 我们知道，无线电波传播速度c=3108m/s，一条长6000km的通信线路，电波只要20ms即可到达。可是，有时候电波由发射点出发要经过一百多毫秒才能到达接收点，这种奇怪的现象该如何解释呢？经过研究发现，在适当的条件下，电波可经电离层多次反射，或者在地面与电离层之间来回反射，可能环绕地球再度出现，如图所示，称为环球回波。环球回波有反向回波和正向回波两种。,滞后时间较大的回波信号将使接收机中出现不断的回响，影响正常通信，故应尽可能地消除回波的发生。采用单方向性辐射的收发天线可以消除反向回波，去除正向回波比较困难，可以通过适当降低辐射功率和选择适当的工作频率来防止回波的发生。电离层暴的影响 在收听短波信号时，即使收、发设备都正常，有时也会出现信号突然中断现象，这往往是由于电离层暴或电离层骚扰引起的。当太阳表面突然出现耀斑时，太阳辐射出强大的紫外线和大量的带电粒子，使电离层的正常结构遭到破坏，特别是对于最上面的F2层影响最大，因而可能造成信号突然中断。,