短波傳播

短波傳播

正文

波長從200米到10米(相應頻率為1.5～30兆赫)範圍內的無線電波的傳播。短波可以沿地面以地波方式傳播，也可通過電離層反射以天波方式傳播。一次反射(一跳)可傳輸4000公里，多次反射甚至可作環球傳播。天波傳播受電離層特性的影響。
短波首次跨越海洋傳播是1921年由業餘無線電愛好者實現的，比G.馬可尼實現中波跨越海洋傳播晚20年。由於短波傳播距離遠,經濟方便,很快在通信和廣播領域超過了中波傳播的地位。在實現了衛星通信的現代，它仍然廣泛用於遠距離通信和廣播。

短波傳播

在中國,北京至南極洲長城站的2.2萬多公里的通信中，短波仍是主要通信手段之一（見彩圖）。近年，建立在實時電離層信道測量基礎上的實時選頻系統的出現，使短波通信誤碼率降至10-5,顯示出短波通信仍有較強的生命力。
短波傳播的理論基礎是磁離子理論。根據電離層的結構和變化規律可對短波傳播特性進行預測和預報（見電離層電波傳播預報和電離層騷擾預報）。在工程套用中，人們最關心的短波傳播特性是電波射線軌跡、傳播模式、可用頻率和場強計算等。

短波傳播

電波射線軌跡　當無方向性天線輻射的電波的頻率大於電離層臨界頻率時，其能量會沿不同的傳播路徑向遠處傳播，即不同的波束有不同的電波射線軌跡（見圖）。電波波束 1沿地面傳播，因繞射作用而能到達離發射點幾十至幾百公里的地區，稱為地波。其他仰角的電波波束均進入電離層。垂直入射電離層的波束9,因頻率大於臨界頻率而穿透電離層不折回地面。略微傾斜的波束8、7經電離層折射後也穿過電離層。波束6的仰角較小,在電離層滑行後可能到達很遠的地面,這種路徑常稱為彼得森射線。波束5的仰角更小，可以折回地面,但距離較近。波束4到達一個最近的距離，這個距離稱為跳距。當仰角再小時，電波到達距離反而又遠了。當仰角接近地面切線方向時，電波可到達4000公里左右的地方。跳距附近電波能量比較集中，這種現象稱為跳距聚焦。在大於跳距的距離上，均可能有兩個仰角的波束同時到達,仰角大的稱高波,仰角小的稱低波。波束4中高波和低波重合。由圖可見,存在著一個天波和地波均不能到達的區域，稱為寂靜區。當電離層不斷變化時，一定頻率的電波傳播距離、跳距和寂靜區都會發生相應的變化。
傳播模式　電離層呈多層結構，由發射點發出的同一電波波束經電離層反射到達一定距離的接收點的傳播路徑通常多於兩個，稱為多徑傳播或多模式傳播。到達接收點的不同模式傳播的電波有不同的時延和相位，這是引起短波場強衰落的主要原因之一（見多徑效應）。短波地波屬於繞射傳播模式，而天波傳播模式多樣而複雜。通常以mXnY形式標記傳播模式,X、Y代表反射層,m、n代表不同層反射次數。例如,1F表示F層一跳模式,1E2F表示E層一跳、F層二跳的混合模式。此外，還有高、低波模式和不經地面反射而經 Es層反射的M模式等。跨極區和跨赤道傳播還有其他特殊傳播模式。與幾百公里或上萬公里的電路相比，3000～5000公里電路的傳播模式比較少，也比較簡單。但是，對於一條電路來說，通常是一條路徑損耗最小的模式起主要傳輸作用，這條路徑也可能不是跳數最小的路徑，因為路徑損耗與路徑沿途的環境條件有關。
可用頻率　根據電離層傳播理論，不是所有短波都能從電離層反射而折回地面的。較高頻率的短波要從較高電子密度分布的電離層才能反射折回地面。對於一定電子密度分布的電離層和一定的收、發距離,能反射折回地面的電波有一個頻率最大值,稱為最高可用頻率(MUF)，它隨收發間距離的減小而變低。因此，收、發在同一點時，所能反射折回地面的電波的最高頻率是這一電子密度分布的電離層所對應的MUF中最低的,稱為電離層臨界頻率。如果收、發間距離一定，發射頻率較低，接收點可以收到有一定時延差的高、低角波;隨著頻率變高,高低角波時延差縮小以至漸變至零，高低角波重合；若頻率再升高，則接收點落入跳距以內，完全收不到發射信號。因此，一定距離的電路能傳播的頻率必有一個上限，這個上限頻率稱為該電路的最高可用頻率。另外，電波經電離層傳播的能量還會被電離層吸收，吸收大小通常與頻率平方成反比。頻率較低，則信號電平因吸收增大而降低。當電平降低到剛能滿足最低接收信噪比要求時，所用的頻率稱為該電路的最低可用頻率 (LUF)。由此可見，短波傳播為減少吸收應儘可能用高的頻率。但一般只能用到0.85MUF的頻率，因為若用MUF，只要電離層稍有變化，電波就穿出電離層而不折回。所以,0.85MUF的頻率稱為最佳可用頻率。
短波場強　短波傳播的另一個重要問題是短波場強計算。國際無線電諮詢委員會第 252號檔案推薦的短波場強E（分貝）的計算方法是

E＝107.2＋20lgf＋Pt-L-Gr

式中E為均方根場強 (1微伏/米＝0分貝)；Pt為發射機供給天線輸入端的功率(分貝瓦)；f為工作頻率(兆赫)；Gr為接收天線增益（分貝）；L為路徑損耗，即

L＝Lb-Gt-Gr (dB)

而　Lb＝L＋La＋Lg＋Yp　(dB)

式中Lb為基本傳輸損耗；Gt為發射天線增益;L為電離層傳播路徑的自由空間傳播損耗；La為電離層吸收;Lg為地面反射損耗；Yp為與路徑長度有關的額外系統損耗，均以分貝為單位。

配圖

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