为什么收音机在晚上收台比白天多,无线电波的传播

原标题:【网安学术】短波通信中地表反射损耗的分析和建模

地波的传播比较稳定,不受昼夜变化的影响,而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方,所以长波、中波和中短波用来进行无线电广播。

无线电波的传播途径主要有三种方式即:地波、天波和空间波,而无线电通信因使用波长不同所采用的传播方式也不同,例如长波和中波因为波长长地面对它们的吸收小,所以长波电台和中波电台都采用地波传播,而短波(波长为lO-100米)因为波长较短地面对它的吸收较大,所以传播方式采用天波,即利用距离地面大约80-300公里高的电离层,对无线电波的反射特性而进行传播的方式,而米波、分米波、微波则因波长短地面对它们吸收大,频率高会穿透电离层而不会反射回地面,所以它们采用了空间波的传播方式。

我们知道波的传播方式主要有三种,即:①在地面上传播的地皮;②在天空中依靠电离层反射来传播的天波;③直线传播的微波。一般收音机能收到的主要是中波、短波,通常中波是以地波的形式存在,因而,传播的距离比较有限,大约在几百公里的范围内,但这并不就说中波不能以天波的形式来传播,为了说明这一点我们先看一下电离层是怎样形成的及其特性如何。在地球表面的大气层中,在大约50公里到几百米的范围内,一部分中性气体分子受到太阳光的照射而发生电离,分解成为带有正电的离子和自由电子,这层大气层就叫电离层。它对不同波长的电磁波有着不同的特性,对波长小于10米的电磁波可以毫无阻挡地让它通过,奔向茫茫的太空。对于波长超过3公里的长波,电离层基本上把它吸收掉。对于中波、中短波以及短波,波长越短,电离层对它的吸收能力就越小,对它的反射能力就越强。因此短波最适宜以天波的形式进行传播,其所传播的距离可以达到几千公里的地方,但是电离层是不稳定的,白天电离程度高,夜晚电离程度低,电离层对中波和中短波的吸收能力减弱,这时中波和中短波就可以更好的利用天波进行传播,因而收音机在夜晚的台比白天多。由于电离层稳定程度低,电离程度高,经常变化,所以无线电波到达接收机时信号强弱也在变化,因此,在用一般的收音机听短波广播时,声音常是忽大忽小。

由式(3)可以推导,沿地球表面实际传输的距离D 为:

地球表面是球形的,微波沿直线传播,为了增大传播距离,发射天线和接收天线都建得很高,但也只能达到几十千米。在进行远距离通信时,要设立中继站。由某地发射出去的微波,被中继站接收,进行放大,再传向下一站。这就像接力赛跑一样,一站传一站,把电信号传到远方。直线传播方式受大气的干扰小,能量损耗少,所以收到的信号较强而且比较稳定。电视、雷达采用的都是微波。

由菲涅尔公式可得,当电磁波射到介质平面时,会发生反射和折射现象。短波通信中,入射到地表的电磁波大部分被反射,小部分发生折射。假定电磁波能量在水平极化和垂直极化均匀分布,则电磁波传输过程中的地表反射损耗为[3]:

由于地波在传播过程中要不断损失能量,而且频率越高损失越大,因此中波和中短波的传播距离不大,一般在几百千米范围内,收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多,但发射长波的设备庞大,造价高,所长波很少用于无线电广播,多用于超远程无线电通信和导航等。

天线有很多种划分方式,按波长划分有长波天线、中波天线、短波天线、米波天线、分米波天线和微波天线等。下面我们仅重点介绍一下短波天线:通常短波天线根据所担任工作任务可以分为发射天线和接收天线,在大型无线电台中最常使用的定向天线有:菱形天线、同相水平天线、对数周期天线、鱼骨天线等。弱定向和不定向天线有:龙形天线、扇形天线、角龙天线等。以上天线除鱼骨天线外,即可作为发射天线也可作为接收天线使用,而鱼骨天线由于结构的原因只能作为接收天线使用。

由于介质面的粗糙程度往往会发生散射,散射损耗系数为[6]:

短波通信根据不同的通信距离(由几佰公里到上万公里),需使用不同的最佳工作波长和波长组,而电离层高度和密度也会在不同年份、季节和白天、夜间而改变,因此不同的通信地点要经过电离层的

在电磁波多跳传输过程中,地表反射面的粗糙程度不同,还会引入自由路径损耗系数:

波长不同的电磁波有不同的传播特性,这里只介绍无线电波的传播。通常,无线电波有三种传播方式:地波、天波和沿直线传播的波。

天线是无线电通信系统中的重要设备之一,无论是微波通信系统、卫星通信系统、移动通信系统、还是短波通信系统都必须有天线,发射天线将发射机送来的高频信号以电磁波的形式发射出去,而收信天线则将通信对方发来的电磁波接收下来并送给接收机,由收、发信机将语音信号(或数据、文子等信号)与电信号进行转换,从而实现了两地的无线电通信。我们在日常生活中这样的例子很多,例如对讲机就是两个人离开一定距离通活,由对讲机天线来完成电信号的空间传递,由对讲机完成语言信号与电信号的相互转换,从而实现了两者之间的远距离对讲,现在人们使用的移动电话也基本上和上述有相同的道理,实现了两人间在任意地点的相互通信,再有我们每天看的电视机、听的收音机也必须装有天线才能看到图像听到声音。从这些简单例子可以看出天线在无线通信系统中的重要作用。

[6] 郭惜久,程翔.随机海浪模型仿真[J].四川兵工学报,2010,31(08):134-136.

地波沿地球表面附近的空间传播的无线电波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物,根据波的衍射特性,当波长大于或相当于障碍物的尺寸时,波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大,长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过,短波和微波由于波长过短,绕过障碍物的本领就很差了。

一次或多次反射,才能到达通信对方,因而不同的电路要使用不同功率的发射机,不同型式的收、发信天线,才能保证通信任务的完成。我们根据各个电台的不同任务配置了不同类形的天线,几十年来都很好的完成了国冢的通信任务。

其中,为平静海面反射系数,为汹涌海面反射系数。

现在,可以用同步通信卫星传送微波。由于同步通信卫星静止在赤道上空36000km的高空,用它来做中继站,可以使无线电信号跨越大陆和海洋。

[1] 徐义君,汤云革,蒙洁.基于短波的天波传播衰减预测模型研究[J].微型机与应用,2010,29(18):56-57,60.

天波依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。什么是电离层呢?地球被厚厚的大气层包围着,在地面上空50千米到几百千米的范围内,大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子,即发生电离,产生带正电的离子和自由电子,这层大气就叫做电离层。

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电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验证明,波长短于10m的微波能穿过电离层,波长超过3000km的长波,几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波,波长越短,电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此,短波最适宜以天波的形式传播,它可以被电离层反射到几千千米以外。但是,电离层是不稳定的,白天受阳光照射时电离程度高,夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱,这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台,就是这个缘故。

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地球是个良导体,地球表面会因地波的传播引起感应电流,因而地波在传播过程中有能量损失。频率越高,损失的能量越多。所以无论从衍射的角度看还是从能量损失的角度看,长波、中波和中短波沿地球表面可以传播较远的距离,而短波和微波则不能。

对于粗糙小平面,可建立如下曲面方程:

沿直线传播的电磁波微波和超短波既不能以地波的形式传播,又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播。它们跟可见光一样,是沿直线传播的。这种沿直线传播的电磁波叫空间波或视波。

根据表1中的参数,假定平静海水,,平地,,利用式(5)~式(8),借助MATLAB可计算得出天线不同仰角情况下的平静海面和平坦地面的反射损耗,如图3、图4所示。可以看出,当发射塔发射天线的仰角增大时,平静海面的衰减减少,而平坦地面的衰减增大,平静海面的衰减远小于平坦地面衰减。可见,物质组成特性对短波通信的影响显著。

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结合以上两方面考虑,反射面可能是山地,也可能是海面,因此仰角不宜过大也不能过小,取值在20°~30°较为合理。

在5级海情以上,电磁波在海平面的反射系数与平静情况下有所不同。起伏面反射系数需采用汹涌海面的修正反射系数表示实际的反射系数:

2.2 山地模型

根据图5,还可推导出电磁波下一跳传播的有效路径与上一跳的有效路径、地表反射面的倾角和高度有关:

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波倾角幅度与振幅、角频率的关系为[6]:

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摘要:在短波通信过程中,地表的物质组成不同和地形起伏会导致电磁波在地表反射时产生损耗,同时反射角度发生巨大变化。针对地形变化的不同情况,建立基本的平面与起伏面模型,并衍生出海浪模型和山地模型,结合基本模型计算得到平地、山地、平静海面与汹涌海面等不同反射表面情况下信号频率、仰角和反射损耗之间的相互关系,进而分析不同地表特性对短波通信的影响。

[3] 罗佳,张文明,王雪松.通信对抗中短波天波传输损耗的仿真建模[J].计算机仿真,2007(08):28-31,35.

自由空间传输损耗是指电磁波经天线发出后,在自由空间中传输因几何扩散引起的能量损失。设P 为发射功率,在有效传播路径r 处,功率通量密度为,接收总面积为,接收到的总功率为,则自由空间传输损耗可表示为[5]:

通过MATLAB计算可得出图2。可见,随着仰角的增大,电磁波传播的有效路径长度逐渐减小。

其中,z1(x,y) 、z2(x,y) 都是服从的相关随机过程。所以,z1(x,y) 均值为,标准差为。

假设海浪的波倾角呈周期性变化,即起伏面连绵不绝。若传播方向固定,则可得出波倾角:

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[5] 叶桂林.海上短波通信链路计算与分析[J].舰船电子工程,2017,37(04):52-55,126.

由式(10)可以看出,当地表反射面为平地时,实际传播路径会增多,引起地表反射损耗的不同。

由此可得出每一时刻的海浪振幅(即海浪高度)和波倾角的大小。

0 引 言

由此可以看出,在短波通信过程中,反射面的介质特性会极大地影响传输过程中的损耗和实际的传输距离,海面和平地有较大区别,且起伏面反射损耗大于平面。

短波是指频率范围在3~30 MHz的电磁波。由于电离层对该频段的电磁波吸收较小,有利于电离层的反射,因此通常采用天波形式进行传播。短波通信过程中,电磁波由发射塔发出,经电离层和地表的多次反射进行传播,覆盖范围非常大。因此,短波通信是目前最精准可靠、广泛覆盖的通信方式之一。然而,在短波信号传播过程中,由于地表特性的差异,造成电磁波不同程度的传输损耗,导致传输距离和传输效果出现较大差异。地表反射对传播的影响一直是短波通信中的研究热点,在中远距离军事通信、抗震防灾等通信中发挥了重要作用[1-4]。本文从不同地表的物质组成和几何特性两方面来表征其反射特性,量化得出不同地表的反射损耗典型值,建立海面和地面两种不同地表的反射模型,进一步分析起伏面与平面对电磁波传播造成的影响,深入探讨了不同地表特性对电磁波传输损耗以及最大通信距离的影响。

对比汹涌海面和山地的反射波损耗情况,不同的反射面,由山地模型、海浪模型以及式(9)~式(12)计算修正反射系数进行反射损耗计算。较之介质面为平静海面和平坦地面时,汹涌海面和起伏山地对电波的衰减明显增大。假设海浪的浪高为3 m、山地起伏的标准差为5时,仿真结果如图6、图7所示。

3 结 语

若地表反射面的起伏高度小于hc ,可认为是光滑面;若起伏高度大于hc ,可认为是粗糙面。

[2] 庄乾波,孙方刚.不同地面形式对短波通信影响分析[J].中国新通信,2014,16(09):92,97.

责任编辑:

由图1中天波单跳传输示意图中的几何关系,可得电磁波传播的有效路径r :

吴秉横,上海海事大学信息工程学院讲师,博士,主要研究方向为无线宽带天线、雷达罩技术。

2.1 海浪模型

作者简介:

[7] 啜钢,王文博,常永宇等.移动通信原理与系统[M].北京:北京邮电大学出版社,2015:18-22.

其中,n(x,y) 独立并服从分布的二维随机过程,n(x,y) 的大小可反映地面起伏程度。

蒋匡铭,上海海事大学信息工程学院学士,主要研究方向为通信工程;

[4] 罗光胜,张志刚,孙剑平.倾斜地面对短波天线通信的影响[J].舰船电子工程,2012,32(12):63-64,67.

z(x,y)是服从瑞利分布的相关随机过程,即:

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除此之外,通过仿真分析得到以下结论:

由图7可知,当反射面为山地且起伏程度一定时(忽略仰角很小时增益的变化),增益随着仰角的增大而减小,且在20°左右取到极大值。

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在短波通信过程中,电磁波从电离层反射到山地或者海面,地表反射面往往不是一个平面,而是一个起伏粗糙面。为了描述反射面的连续起伏,可将起伏海面看作由无限个随机正弦信号叠加而成:

其中,RV 为垂直极化反射系数,RH 为水平极化反射系数。

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本文通过建立海浪模型和山地模型,对短波通信时不同状态的地表反射损耗进行分析。可以看出,汹涌海面、山地反射的地表反射损耗相对要大于平静海面、平地的损耗。

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由图6可知,当反射面为海面且浪高一定时(忽略仰角很小时增益的变化),增益随着仰角的增大而增大,且增益在仰角大于30°时变化不大。

图5中,表示反射点的倾角,为入射射线相对水平面的夹角,同时也是前一次地表反射时反射射线相对水平面的仰角,是反射点与水平面的距离,r 是电磁波有效传播路径长度。

1.1 自由空间传输损耗

其中。

根据图5的几何关系可以推导得出,当电磁波从电离层传播到起伏面后,起伏面对电磁波进行反射即形成下一跳,此时前后两跳相对水平面的仰角之间的关系为:

可以看出,不同的相对介电常数和电导率 所造成电磁波传输过程中的地表反射损耗程度不同。例如,海水的盐分会对电导率有较大影响,泥土的含水量不同会导致相对介电常数和电导率的较大差异。表1为几种常见的地表介质的介电常数与电导率。

其中,Lb 是电磁波自由空间传输损耗,Li 是电离层吸收损耗,Lm 是高于基本最大可用频率损耗,Lg 是地表反射损耗,Lh 是极区损耗,Lz 是其他损耗,Gt 是天线增益。本文主要研究自由空间传输损耗和地表反射损耗。

由式(9)可以得出,当电磁波反射在起伏面时,其射线仰角为。因此,射线仰角和反射表面起伏程度相关,且会影响下一跳的仰角,导致电磁波传输路径发生变化。

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当以天波形式进行短波通信时,电磁波通过多跳的方式从发射点传输到接收点,在传输过程会产生能量损耗。这些损耗由多个部分组成,包括电磁波自由空间传输损耗、电离层吸收损耗、地表反射损耗和极区损耗等。传输路径损耗计算表达式为[1]:

(2)当介质不同时,仰角与地表反射损耗的关系有所不同。随着仰角的增大,反射介质面为海面的反射损耗逐渐减小,反射介质面为地面的反射损耗逐渐增大。

其中,n 为弹跳次数,为初始发射仰角,为初始发射高度,a1=0 ,即默认初始发射塔处于水平地面,r1 为第一次弹跳有效路径(从发射塔发射到电离层,再从电离层反射到地面的距离)。

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1.2 平坦地表反射损耗

张倩倩,上海海事大学信息工程学院学士,主要研究方向为通信工程;

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很多情况下,电磁波经由电离层反射到地表并不是理想的平静海面或平坦地面,往往是一种起伏面结构,而不同的起伏面呈现出更多不同的反射特性。当地表为起伏面时,短波从电离层反射到起伏地表,如图5所示。

可将式(13)、式(15)简化为:

(1)当介质相同时,无论地表状态是平坦还是起伏,仰角与反射损耗的关系基本一致。在频率和仰角相同的情况下,平坦和起伏表面的地表反射损耗差异明显,起伏表面的反射损耗远大于平坦表面。

信号的能量谱由振幅决定,为:

参考文献:

当地表为山地时,反射表面往往是粗糙不平、高低起伏的。根据电磁波的仰角 和波长 ,可由式(19)计算出平面平整度的参数高度hc 为[7]:

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粗糙表面的修正反射系数表示为:

经由电离层反射的电磁波再次反射到地球表面时,由于地表的物质组成不同,会导致传输过程中反射和损耗的极大差异。

1 天波传输中的损耗

式中:

2 起伏地表模型

1.3 起伏地表反射损耗

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