短波传播基础

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1、短波传播基础短波传播基础 文：Dennis J. Lusis, W1LJ/DL 译：BD6ABP de BY6DX 在业余无线电的众多话题中， 可能没有其它话题能像电磁波传播这样吸引人， 也没有其 它话题能像电波传播这样困扰着新手了。 传播， 就是指信号是如何从一个电台传到另一个电 台的。无论你怎么看待传播这一问题，它对于我们所做的每一个 QSO不管是本土的聊 天，还是与稀有的 DX 电台通联总是一个最基本的问题。了解无线电波如何传播的基础 知识会使你对这一业余爱好越发感兴趣并乐在其中。本文将向你介绍短波传播的主要模式。 而 VHF 和 UHF 传播则是完全不同的主题了。 地波与天波地波与天波

2、 不管你使用哪种天线， 从天线发射出的无线电波可以大致分为两类地波与天波。 简 单地说，地波就是没有离开底层大气直接从发射机到达接收机的电波（图 1） 。举个例子， 在HF波段，当你与邻近城市的电台进行联络时就是利用地波传播。远达 50 英里的业余无线 电通联都可以利用地波。1然而，业余无线电台能够建立全球范围的通联，靠的是天波。 顾名思义， 天波就是不沿着地球表面传播的波； 天波向天空传播， 离开地球表面 （图 1） 。 看到这里， 你可能会问， 我们怎么能利用向宇宙空间传播的信号进行联络呢？毕竟我们的接 收机都是在地球上的呀！ 原因其实很简单电波总会以某种办法回到地表被我们的接收天 线捕获

3、。是什么东西“说服”了我们的信号，使它返回地面呢？幸运的是，在上层大气中， 有一个区域可以很好地（有时也不是太好！ ）完成这一任务。这一个区域被称为“电离层” ， 而正是因为它的存在我们必须注意理解 HF 传播的基本机制。 图 1 地波与天波的一个例子 电离层的性质电离层的性质 电离层得名于“离子”这一术语。离子是一自由电子或其它带电的微粒。在大气层中， 在离地面大约 25 到 250 英里之间的区域会发生电离现象。在这一区域里气压很低，离子在 发生碰撞重新形成不带电的原子之前， 可以自由地行进一段相当长的时间。 当无线电波进入 电离层时，电波的传播路线会由于“折射”现象而被改变（图 2） 。

4、在适合的条件下，电波 可以有足够的转向回到地表，这样电波就可以被地面上的电台接收到了。 大气电离的主要原因是由于来自太阳的紫外线辐射。 因此， 太阳的活动情况对传播起着 非常重要的作用。稍后我们还会讨论我们所关心的几个太阳活动指标。 图 2 在一定的条件下， 入射电离层的电磁波可以被折射回来， 路径发 生改变。这样在地面上就可以听到入射电离层的信号。可能这个信号 来自几千英里外的发射天线。 离子“蛋糕层”离子“蛋糕层” 通过对电离层的进一步了解， 我们知道电离层是由几层一定浓度的离子层一层一层叠起 来的， 每一层都与地表的曲面同心。 在每一层中， 中心处的密度最大， 越往边缘密度越低 （图 3

5、） 。但是，电离层的电离度是一直变化着的，这既有一日内的变化，也有季节间的变化，同 时太阳的活动状况以及其它一些因素也会引起电离层电离度的变化。这些变化直接导致了 HF 传播的不停变化，这经常使很多老练的操作员都感到沮丧。 每一层都不相同每一层都不相同 虽然电离层中的每个子层都是由自由的离子组成， 但各层之间的相似性 （起码对于我们 的目的来说）就只有这一点了。这个“蛋糕”的每一层都有独特的性质，而且你可能会对它 们对传播的影响感到惊讶。 电离层的最底层称为 D 层。这一层位于距地表 37 到 57 英里处（图 3） 。D 层只存在于 白天，通常在日落后 30 分钟内消失。由于它离地表很近，所

6、以 D 层位于大气层中密度相对 较高的位置。在这一层中，离子经常会发生碰撞并重新组合成中性的粒子，因此，这一层在 黑暗中会迅速消失。 D 层对火腿们来说不是特别有用。 这一层并不折射或传递信号， 而是吸收了信号中的很 大一部分。穿过浓密的 D 层的电磁波会碰到相当多的离子，并使它们运动起来。因此，电 磁波中的很大一部分能量都在转换为动能或热能的过程中消耗掉了。 因为长的波前会比短的波前让更多的离子获得动能，我们可以推论在 D 层中，随着信 号频率的降低，更多的信号能量会被吸收（图 4） 。另外，电磁波进入 D 层的角度对能量的 吸收程度也有影响。垂直入射的电磁波路程最短，因此吸收也最小；以低仰

7、角发射的电磁波 在 D 层中传播的路径要长得多， 因此吸收会大些。 由于 D 层中这些因素的影响， 白天中 160、 80 和 40 米波段只适于短距离通信。 在晚上，D 层消失，这些波段经常可以进行几千英里的 DX 通信。而在 20 米及以上波 段，D 层的日间吸收并不显著，这是高波段上白天也可以进行 DX 通信的部分原因。 D层上面的电离层是E层，这也是支持无线电波传播的最低一层电离层。E层位于距地表 62 到 71 英里处，其性质与D层相似。例如，E层电离度最高的时候出现在当地时间下午前 后，而电离度会在日落后迅速下降。在E层电离度最高的时候（中午） ，这一层会吸收低波 段电磁波的部分能

8、量，但没有D层吸收得多。还有一个有趣的现象值得注意：X射线和进入 大气层的流星也会引起E层的电离。另外，在E层中，也会发生VHF传播，称为“偶发E层传 播” 。但这已超出本文的讨论范围，有兴趣的读者可以查阅解释这一现象的相关资料。2 HF 波段的 DX 通信除了偶然会通过 E 层外，我们几乎完全依赖最外面的 F 层。在离地 表 100 到 260 英里处，稀薄的大气使离子的重组比在其它层中慢得多。正因为这样，F 层可 以在整个晚上都保持高度电离。和其它层一样，F 层的电离度在正午前后达到最大，大约本 地日出前一小时电离度最小。 关于F层有一点很有趣：它会趋向于分成两层，即F1层和F2层。这一分

9、裂在白天出现， 并使在下面的F1层拥有很多E层的性质。因此，日间的传播主要由F2层支持。晚上，F1层散 开，而F2层的高度稍微下降。 图 4 在其它所有条件相同的情况下， 低频率电磁波比高 频率电磁波受到更强的 D 层吸收。较大的波前必须在 D 层中传播更远的距离。 图 3 电离层中各子层的对地高度。 图中 所示的距离并不是绝对的，而是会根据 文中所述发生改变。 折射：关键的要素折射：关键的要素 我简要地提到过折射是天波返回地面的机制。 这一现象最关键的一点是电磁波弯曲的角 度。这主要受两个因素所影响离子的浓度和波长（或频率） 。在其它条件一样的情况下， 电离度高的时候电磁波会弯曲得更厉害。另

10、外，弯曲程度也会随波长的增加而增加（或换另 一种说法：弯曲程度会随频率的增加而减小） 。这两个因素同时作用，最终决定了一列电磁 波能否返回地面。 看看图 5 的例子。 图 5A 中的 F 层的电离度较低， 这是夜间的典型情况。 在这种条件下， 28MHz 的信号没能折射足够的角度，不能返回地面。但是，3.5MHz 的电磁波的波长较长， 因此折射得较厉害，于是可以返回地面。 在图 5B 中，电离层的电离度较高，比较像正午的情况。现在，由于电离度足够高，两 列波都被折射回地面。 注意 28MHz 的电磁波的弯曲程度不如 3.5MHz 的电磁波， 因为 28MHz 的电磁波波长较短。 图 5 图 A

11、 中，较低的电离度并不足以使 28MHz 的电磁波折射回地面； 但这已足够使 3.5MHz 的电磁波折射回来。在 B 中，较高的电离度使 28MHz 的电磁波可以折射回来。 现在你应该理解电离层折射的基本原理了。 是时候介绍一个与日常操作有关的简单而有 用的因子了。 “最高可用频率” （muf）定义为在当前条件下两指定点之间可以进行通信的最 高频率。例如，在某个晚上，纽约和芝加哥之间的 muf 可能为 3.5MHz，而在同一时刻，纽 约与丹佛之间的 muf 可能为 28MHz。为什么会这样呢？要回答这个问题，我们必须把另一 个因素纳入我们的讨论仰角。 我们已经知道电磁波的折射程度由两个要素决定

12、： 波长和电离度。 但在一个固定的频率 和一定程度的电离度之下，电磁波可以以不同的角度入射 F 层。而这会如何影响传播呢？ 让我们深入地分析一下。 图 6A 显示了 28MHz 信号典型的可能发生的传播情况。以高仰角发射的电磁波入射电 离层后不能折射回地面，而是进入太空中。而随着仰角的下降，当仰角在达到一定的角度后 电磁波可以折射回地面。这个角度称为“临界角” ，所有发射仰角低于或等于这个角度的电 磁波都可以折射回地面。 临界角也直接与一个被称为“跳跃距离”或“跳跃区域”的现象有关。如图 6 所示，这 一区域（或距离）是任何常规的天波都无法到达的。跳跃距离的长短随临界角而变化。表 1 列出了各

13、个波段的平均跳跃距离。 表 1 MF 和 HF 业余频段的平均跳跃距离 波段（米） 正午*（英里）午夜*（英里） 160 0 0 80 0 0 40 50 300 30 300 600 20 500 1000 15 800 （只有白天有天波传播） 10 1200 （只有白天有天波传播） *路径中点处的当地时间 图 6B 显示了电离层对低波段（3.5MHz）信号的折射作用。图 6B 的其它条件与图 6A 都一样，我们可以看到 3.5MHz 信号临界角比 28MHz 信号高得多，而跳跃距离则短得多。 在 3.5MHz 波段，我们可以在纽约与芝加哥的电台进行 QSO。而在 28MHz，由于跳跃区域

14、过长的关系，这个 QSO 就无法进行。为什么我们所要通联的两个地方的 muf 会不一样这个 问题的答案现在应该很清楚了！ 多跳传播多跳传播 图 6 频率、临界角 与跳跃距离之间的 关系示意图。解释见 文。 为简单起见，我在前面只提到了电磁波只被电离层折射一次“跳”了一下的情况。但 F2层有相当的高度，单跳可能达到的最大距离只有大约 2500 英里。因此，超过这个距离的 通信需要折射多次，这被称为“多跳传播” 。图 6B显示了返回地面的电磁波又被反射到电离 层，然后再被折射回地面。这一现象可以出现好几次，于是电磁波就可以绕着地球传播了。 因为在每一跳中都会损失相当多的能量， 所以采用低仰角辐射更

15、为可取些。 低仰角辐射比高 仰角辐射所需的跳跃次数少一些。Hutchinson在QST杂志中发表的一篇极好的文章中阐述了 决定辐射仰角的因素。3 多跳传播损耗中的另一因素是信号是被陆地还是水反射回电离层。可能你已经猜到， 水的反射比陆地反射好得多。在多跳传播中，电磁波会在水面上高效率地反射。是不是很奇 怪为什么来自海边电台的信号总是很强呢？4 太阳起着重要作用太阳起着重要作用 我们知道太阳在短期和长期的传播变化中起着主要的作用。大体地说，原因很简单：太 阳活动的变化影响着太阳电离辐射的输出。这又影响着我们大气层的电离度。从逻辑上说， 要预测传播的状况，我们必须研究太阳的活动。和天气预测相类似，

16、我们不能 100%准确地 预测传播状况。但是，我们可以用不同的太阳活动因子来比较好地预测各个频段的状况。 到目前为止， 你一定深信太阳黑子与传播状况有密切的关系。 这些灰黑色的斑点已被证 明与太阳的电离辐射输出有直接的关系。在某一时刻，可见的太阳黑子越多，我们就可以预 计将会出现越多的离子。 好在，太阳黑子的行为一直都被研究着，并在过去的 200 年内有良好的记录。现在，我 们知道太阳黑子（或其中的黑子群）以恒定的速度从太阳的东面移动到西面。这一运动是由 于太阳的自转而引起的。太阳大约 27.5 天自转一圈。 可能太阳黑子的性质中最为显著（起码对火腿们来说）的就是其 11 年的黑子活动周期 了。记录显示，太阳黑子活动的峰值每 11 年出现一次，误差为前后一年。随着这个峰