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1、第 1篇天线基本理论第 1章天线的基本电气特性 第 2章天线阵的电气特性 第 3章接收天线的电气特性第 4章地面对天线电气特性的影响第 2篇无线电波传播与天线应用技术 第 5章地面波传播与长中波天线第 6章天波传播与短波天线 第 7章空间波传播与超短波天线第 8章微波天线的理论与应用第 5章地面波传播与长中波天线 5-1 半导电地面上的平面电磁波 5-2 地面波场强的计算方法 5-3 电小天线的概念 5-4 长中波垂直天线 5-5 中波环形测向天线第 5章地面波传播与长中波天线 5-1 半导电地面上的平面电磁波一、半导电地面的电气特性二、半导电地面上平面电磁波的场量关系 地（表）面波传播 :无
2、线电波沿地表面传播的方式。在长波和中波波段，无线电波的工作波长有 几千米、几百米 ，即使地面上的小山头或高层建筑对地面波传播的影响也不大；在超短波和微波波段，即使海面上的小浪、地面上的小草对地面波传播也有较大的影响。 地面波传播是长中波无线电波的主要传播方式。为了分析问题方便，在讨论长中波无线电波以地面播方式传播的时候，把地面看成是平坦和光滑的。 一、地面波传播及半导电地面的电气特性讨论地面波传播，就是分析大地电气参数对电波传播的影响。 但是，大地毕竟不是理想导体，无线电波在沿地表面传播的过程中，电磁波能量会通过地表面传入地下。 如果在讨论无线电波传播的时候，仍把大地看做是理想导体，就会与实际
3、情况有较大的误差。这时需把地面看成是 半导电地面 。 由于电磁波具有趋肤效应，地表面附近的电气参数对地面波传播有重要的影响，因此在实际工作中可以只考虑地表面附近的电气特性参数，而不必考虑大地电气参数沿深度方向的变化。 在第 4章讨论地面对天线影响的时候，把大地看成是理想导体，使分析天线辐射场的问题得到了简化。 在地表面， 如果电气参数是渐变的，在分析问题时可以考虑平均电气特性参数； 如果电气特性参数是突变的，则要采用专门的方法加以处理。 下表给出了不同地表面的电气特性参数。表 5-1-1各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值地表面的形式相对介电常数 r 电导率 (S/m)变化范围 平均
4、值 变化范围 平均值海 水 80 80 14.3 4河流和湖泊的淡水 80 80 1032.4102 102湿 土 1030 20 31033102 102干 土 26 4 1.11052103 103森 林 103大 城 市 7.5104山 地 7.5104表 5-1-1各种形式地表面电气特性参数的变化范围及其平均值地表面的形式相对介电常数 r 电导率 (S/m)变化范围 平均值 变化范围 平均值海 水 80 80 14.3 4河流和湖泊的淡水 80 80 1032.4102 102湿 土 1030 20 31033102 102干 土 26 4 1.11052103 103森 林 103大
5、 城 市 7.5104山 地 7.5104二、半导电地面上平面电磁波的场量关系从表 5-1-1可以看出，就电导率的绝对值来说，大地表面一定深度以下范围的土壤实际是半导电媒质。但是，对于长中波无线电波来说，大地能够呈现良导体的特征。图 5-1-1大地表面上下的电磁场 地面上侧存在 沿地表面传播的波和垂直地面向下的波 ，所以对应的有垂直地面的电场分量 E1x和平行于地面的电场分量 E1z。 等相位面又称为波前，因此 这种现象又称为波前倾斜现象。由于地面上方电场强度矢量 E1同时存在着垂直和水平两个分量，任何瞬间两个分量的合成场就不再与地面垂直了，因而 合成波等相位面也就不再垂直于地表面。图 5-1
6、-1大地表面上下的电磁场 沿水平方向传播的电磁能量相应的电场垂直分量为 E2x，垂直向下传播的电磁能量相应的电场水平分量为 E2z 。 电磁场在地表面的边界条件为 大地为半导电媒质，其复数介电常数 C为 传入到地表面以下的电磁波，同样沿着水平和垂直两个方向继续传播。 图 5-1-1大地表面上下的电磁场 相对复数介电常数上式中， r和 分别为表 5-1-1给出的大地相对介电常数和电导率，而 =c/f 为电磁波的工作波长。图 5-1-1大地表面上下的电磁场 在地表面上方 ， 沿 z 方向 (水平方向 )传播 的电磁波仍可近似看成是 横电磁波 ，因此其电场与磁场之间的相互关系为 可以证明， 在地表面
7、下方 半导电媒质中沿水平方向传播的电磁能量非常少，因此 沿 x 方向 (垂直向下 )传播的电磁波也可以近似看成是横电磁波。图 5-1-1大地表面上下的电磁场 沿 x 方向 (垂直向下 )传播的横电磁波，其电场与磁场之间的相互关系为 大地是半导电媒质，因而其波阻抗为复数图 5-1-1大地表面上下的电磁场 从上面各式之间的相互关系可以得知结论： 地表面上、下方电场的水平分量和垂直分量不仅大小不等，而且其相位也不相同。一、电场水平分量与电场垂直分量量值的大小关系。在长中波波段上，工作波长为几百米到几千米，由表 5-1-1给出的数据可知上式等号右边分母的量值为 从上面关系式容易看出，地表面上、下电场水
8、平和垂直分量的大小关系为 1）在地面上方电场的垂直分量远大于水平分量，2）在地面下方电场的水平分量远大于垂直分量。 二、电场水平分量与垂直分量的相位关系因为地面上方电场的水平分量与垂直分量的相位不同，所以二者的合成场是 椭圆极化波 ，如图 5-1-2所示。 3)在地面上方接收长中波时，应该使用垂直接收天线；4)在地面下方，例如在矿井里或潜水艇里，接收长中波无线电波时，应该使用指向发射台的水平接收天线。 地面上方电场的水平 分量 E1z超前 于垂直分量 E1x 的相角为 图 5-1-2平面地上传播的椭圆极化波 但是，由于 |E1x|E1z|， 因此这个椭圆的形状是非常狭长的，可以近似认为合成场是
9、沿椭圆长轴方向极化的线极化波。这个线极化波的极化方向与地面之间的夹角就是波前倾斜的角度，可以近似按下式计算例 5-1-1 已知无线电波的工作频率为 f =1MHz， 在湿土地面上传播，地面波电场的垂直分量为 E1x =1mV/m，已查得湿土地面的平均电气参数为 r =20， =0.01S/m。 试计算： (1) 地面上下电场各分量；(2) 地表面以下 x =5m深度处的水平分量电场的量值。 解 (1) 由无线电波的工作频率可求得工作波长以及所求的各参量 (2) 由电磁场理论可求得大地的衰减常数x =5m深度处电场强度矢量 E 水平分量的量值第 5章地面波传播与长中波天线5-2 地面波场强的计算
10、方法一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算二、经过不同土质地面传播的地面波三、球形地面上的地面波传播一、均匀参数平坦地面的地面波场强计算已知 理想导电地面 上的垂直接地天线的最大辐射方向沿地表面，其辐射场有效值为大多数长中波天线都属于垂直接地天线，但实际地面并不是理想导电地面。 电磁波沿实际地表面传播时会有部分电磁能量通过地表面进入地下，因此与理想导电地面相比其辐射场要小。为此，对上式进行修正，即乘上一个 小于 1且没有良纲 的衰减因子 |W|， 来计算地面波场强的有效值 上式中各物理量的单位都是国际单位。用天线馈电点电流 Iin和有效高度 he计算垂直接地天线的地面波场强的公式可修改为实际中，
11、根据各量在实际中的大概数量级，通常把距离 r改用 km， 接收点场强 E改用 mV/m， 辐射功率 P改用 kW 来表示，其他量的单位不变。 用天线辐射功率 P 和方向性系数 D 计算垂直接地天线的地面波场强公式可修改为上式中， 245是 的近似值。上面两式都称为 舒来依金 -范 德 波尔公式 ，式中的衰减因子 |W|可用经验公式来计算。公式中除了标明单位的物理量以外，其他物理量的单位仍是国际单位。 在应用该公式时一定要注意公式中的单位不要出错。舒来依金 -范 德 波尔公式的应用条件： 可把地面看成是平地面。 由电磁场理论可知，电磁波的工作波长 越长，绕过球形地面的能力越强。 工作波长 较长时
12、可以在较大的范围内把球形地面近似看成是平地面； 而在工作波长 较小时只能在很小的范围内把球形地面近似看成是平地面。 表 5-2-1给出了舒来依金 -范 德 波尔公式的使用条件，即在给定工作波长 情况下该公式可以应用的最大距离。表 5-2-1舒来依金 -范 德 波尔公式的使用条件波 长 范 围 (m) 公式的最大应用距离 (km)200 2000050 20010 50300 40050 10010在计算衰减因子 |W|之前，首先要计算无量纲的辅助变量 x， 称为 数量距离 或 数值距离 ，也称之为 距离因子 。数量距离可按下面经验公式来计算如果上式中的相对介电常数 r1， 则上式可简化为当地面
13、导电性能较好，或工作波长较长时，能够满足 60r， 则上式还可进一步简化为 地面波的衰减因子 当 x25时，上式可近似为结论： 地面的导电性能较好， 地面波的工作波长较长， 传播距离较近时 ， 数量距离 x 较小， 因而 衰减因子的模 |W|较大，地面波场强的有效值 E(有效 )就较大。 。 表 5-2-1舒来依金 -范 德 波尔公式的使用条件波 长 范 围 (m) 公式的最大应用距离 (km)200 2000050 20010 50300 40050 10010根据舒来依金 -范 德 波尔公式的适用条件还可以知道，工作波长 越长，适用该公式的地面波距离 r 越大。 可见，对于工作波长较长的长中波来说，不仅舒来依金 -范 德 波尔公式的适用距离 r 较大，而且该公式中衰减因子 |W|的值也较大，衰减较小。 这说明，长中波以地面波方式传播时电磁波的衰减较小，地面波的场强有时甚至接近理想导电地面上的场强。因此可以说， 地面波传播是适用于长中波波段无线电波的传播方式。理论分析还表明，水平极化波以地面波方式传播时，衰减更快。因此 波长较短 或 水平极化 的无线电波都不适合于地面波传播。 表 5-2-2给出了湿土地面上垂直极化波在不同工作波长、不同传播距离情况下衰减因子 |W|的值。表 5-2-
