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1、School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering电波传播方式分类及特点： 5大类自由空间：概念自由空间接收点场强 |E0|，接收功率 Pr，自由空间传输损耗 Lbf：实际 接收点场强 |E|，接收功率 Pr，基本传输损耗 Lb：衰落：含义、 分类（干涉型、吸收型）失真：原因（色散效应、多径传输）干扰与噪声：含义、分类第 一 讲 电波传播 基础 回顾 32.4 5 20 lg ( MH z ) 20 lg ( k m ) dBbfL f d - dBb bfL AEMW Propagation Engineering2015,
2、 April. 2第二讲 地波传播School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地波场强计算地球表面的电特性内容安排地面不均匀性对地波传播的影响地波传播特性2016/3/8 2/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地球，形似一略扁的球体，平均半径为 6370 km。地球从里至外可分为三层：地核、地幔和地壳，如图 1所示。海洋下面地壳较薄，最薄处约 5 km左右，陆地处地壳较厚，总体的平均厚度约 33 km。地壳的表层是电导率较大的冲击层等
3、。由于地球 内部 运动（如地壳运地球表面的电特性图 1 地球结构示意图动、火山爆发 等 ），以及外部的风化作用，使得地球表面形成高山、深谷、江河、平原等地形地貌，再加上人为所创建的城镇田野等，这些不同的地质结构及地形地物，在一定程度上影响着无线电波的传播。2016/3/8 3/29地 心地 幔地 核海 洋6 0 k m3 4 6 0 k m2 8 5 0 k m地 壳 （ 平 均 3 3 k m ）School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地波是沿着空气和大地交界面处传播的，因此其传播状况主要取决于地面条件，主要表现在
4、一是地面的不平坦性，二是地质的情况。前者，当地面起伏不平的程度相当于电波波长时很小时，地面可近似地看成是光滑地面。对长、中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。而后者主要是地面的电磁特性，影响着电波传播情况。描述大地电磁性质的主要参数是介电常数 （或相对介电常数 r），电导率 和磁导率 。据实测，绝大多数地质 近似等于真空磁导率 0。表 1列出了几种常见地质的电参数。地球表面的电特性2016/3/8 4/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地球表面的电特性表 1 地面的电参数2016/3/8 5/29Schoo
5、l ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering正弦无线电波在无源、线性、各向同性、半导电媒质内传播时，大地电参数可用复介电常数 e来表示，即式中的实部就是大地的介电常数，它反映媒质的极化特性；式中（ / ）表示媒质的导电性， 0说明媒质是有耗媒质。相对复介电常数 为将 代入上式，得 0为自由空间波长。地球表面的电特性e j (1)r00err j (2)901 10 ( F / m )36 060rr j (3)2016/3/8 6/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation
6、Engineering在交变电场作用下，大地土壤内既有位移电流又有传导电流。位移电流密度为 ，传导电流密度为 ,通常把传导电流与位移电流之比 作为是导体和电介质的分界线。若 ，则大地具有良导体性质；若 0区域：空气； x0区域：大地）2016/3/8 11/29xOyE1 zH1 yE2 zH2 yE2 xE1 xzSchool ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering下脚注“ 1” 和“ 2” 分别表示在空气和大地内。由于大地对电波能量的吸收作用，产生了沿电波传播方向上的电场纵向分量 Ez1，合成场强 E1( )极化方向向地面倾
7、斜，称为波面倾斜现象，如图 3所示。地波传播特性1 1 1 xzE x E z E图 3 地波功率流密度示意图2016/3/8 12/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering沿地表传播的功率流密度 S1可分解为两个分量而式中 和 分别是电场和磁场强度的复振幅， 表示电波沿地表面向 z轴方向传播的那部分功率流密度， 表示电波沿 (-x)方向传播的亦即是被大地吸收的那部分功率流密度； S1则为在空气中紧贴地表传播的总功率流密度。假定空气和半导电媒质分界面上满足列翁托维奇边界条件地波传播特性1 1 1 zxzS x S
8、S (5) 1 1 11 Re2z x yS E H (6) 1 1 11 Re2x z yS E H (7)E H 1zS1xS060 1rr j (8)2016/3/8 13/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering则在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足或写成当观察点远离波源，则可将到达观察点处的电波视为平面波，令时谐因子为 ，为空气中的波数。地波传播特性220eyzHE (9)110eyzHE (10) 011 0jk zx x mE E e x (11)jte0 0 0k (12)2016/3/8 1
9、4/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering则根据列翁托维奇边界条件，由（ 10）有根据边界条件，由（ 4）可得地波传播特性0110yxHE (13)0 0 0 1 11 1 10 060xxz y xee rrEEE H Ej (14)0 1 121060xxxxe r rEEEEj (15)21zzEE (16)21yyHH (17)2016/3/8 15/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering统一写出上述分量若已知 值，则其
10、余各分量均可由以上各式求出。上述场强表示式是在满足列翁托维奇条件下提出的。对于中、长波地波传播情况，沿一般地质传播时该条件是满足的。地波传播特性 0601 a r c tan2112 224060rjxzzrEE E e (18) 060a r c ta n12 22060rjxxrEEe (19)112 120xyyEHH (20)1xE2016/3/8 16/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地波传播特性场模式与极化地波属于 TM模式，即沿传播方向上的电场分量不为零。在贴近地面靠近大气一侧电场横向分量
11、Ex1远大于纵向分量 Ez1，二者相位亦不同，因而合成场是一椭圆极化波，如图 4所示，电场的倾角 为图 4 平面地上的椭圆极化波 224 0a r c ta n 6 0r (21)地波传播特性2016/3/8 17/29xE1 zE1 xzE10000r School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering作用距离垂直极化波沿地面传播时，由于大地对电波能量的吸收，产生了电场纵向分量 Ez1，相应的沿 -x方向传播的功率流密度 代表地波的传输损耗。若地面电导率 越大或电波频率愈低， Ez1分量就愈小，说明传输损耗也就愈小。因此地波
12、传输方式尤其适用于长波、超长波波段。中波可作为近距离地波传播。接收天线选择沿地表大气一侧内，电场横向分量 Ex1远大于纵向分量 Ez1，而在大地中，纵向分量 Ez2却远大于横向分量 Ex2。因此在地面上接收地波场分量时，宜选用直立天线以接收 Ex1。若受条件限制，也可使用低架或铺地水平天线接收 Ez1分量，但由于 Ez1远小于 Ex1，故需使用有效长度长的天线来接收，并且接收天线附近地质宜选择 r及 较小 *1 1 1R e 2x z yS E H地波传播特性2016/3/8 18/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engine
13、ering的干燥地为宜。若用埋地天线接收地波场强时，必须采用水平天线接收 Ez2分量。由于地下波传播随着深度的增加，场强是按指数规律衰减的，因此，天线的埋地深度不宜过大，以浅埋为好。地波传输优势地波是沿着地表传播的，由于大地的电特性及地貌地物等并不随时间很快的发生变化，并且基本上不受气候条件的影响，特别是无多径传输现象，因此地波传播信号稳定，这是一大突出优点。地波传播特性2016/3/8 19/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地波场强计算地球表面的电特性内容安排地面不均匀性对地波传播的影响地波传播特性20
14、16/3/8 20/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering严格计算地波场强是非常复杂的。工程应用中可利用国际无线电咨询委员会（ CCIR）推荐的布雷默曲线，作为计算地面波场强的一种方法。图 5绘制 了地波沿海面及湿地表面传播时的场强曲线。使用条件是：假设地面是光滑的、地质是均匀的；发射天线使用短于 /4波长的直立天线（方向系数 Dt约等于 3），辐射功率 P 为 1kW；计算场强是横向电场分量 Ex1。图中纵坐标表示电场强度（有效值），以 V/m计，或以 dB（ V/m）表示。 1 V/m相当于 0 dB。该曲
15、线查出的场强值为 Ex1的有效值。代入 PtGt=P Dt的关系式，则 Ex1可写为地波场强计算 11 7 3 k W m V /mkmtxPDEAd(22)2016/3/8 21/29School ofElectronic Engineering EMW Propagation Engineering地波场强计算图 5 地波传播曲线 1（海水： = 4 S/m， r= 80）2016/3/8 22/291061 2 3 4 6 8 10 2 3 4 6 8 1022 3 4 6 8 1032 3 4 6 8 104 200204060801001201. 5 M H z (200 m )1 M H z (300 m )70 0 k H z (42 9m )50 0 k H z (60 0m )30 0 kH z ( 1 00 0m
