电波传播全解析：从基础原理到实际应用

### 电波传播全解析：从基础原理到实际应用 #### 1. 电与电磁波的转换 早期的无线电常被称为“无线”设备，它不像电报和电话那样需要“有线”连接到信号源。发射机的输出与周围大气耦合，然后被接收机接收。由于大气并非像铜线那样的电子导体，实际上空气是很好的绝缘体，因此输入发射天线的电能必须转换为另一种形式的能量才能进行传输。 发射天线将输入的电能转换为电磁能，所以天线可以被看作是一种换能器，即能将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的设备。这与灯泡类似，灯泡也将电能转换为电磁能——光。光和我们关注的无线电波的唯一区别在于它们的频率。光大约是 \(3\times10^{11}\) Hz 的电磁波，而可用的无线电波范围从约 \(1.5\times10^{4}\) Hz 到 \(5\times10^{14}\) Hz。人眼只能感知很窄范围的光频率，因此我们对无线电波“视而不见”，不过这其实是一种优势，否则大量围绕地球的无线电波会形成混乱的景象。 接收天线截获传输的波并将其转换回电能，类似的换能器如光伏电池，它也能将波（光）转换为电能。对波的基本了解是理解天线和无线电通信的必要条件。 #### 2. 电磁波 电和电磁波相互关联。电磁场由电场和磁场组成，所有电路中都存在这两种场。任何载流导体周围都会产生磁场，电路中任意两点间的电位差（电压）会产生电场。这两个场包含能量，但在电路中，当场消失时，场能通常会返回电路。如果场能没有完全返回电路，意味着波至少部分地从电路中辐射或释放出来了。这种辐射能量是不希望出现的，因为它可能会干扰附近的其他电子设备。如果是来自无线电发射机的不期望辐射，称为射频干扰（RFI）；如果来自其他源，则称为电磁干扰（EMI），或更简单地称为噪声。 在无线电发射机中，希望天线能有效地释放波能，天线的设计就是为了防止电磁能重新回到电路中。 电磁波中，电场（E）和磁场（H）的波长如图所示，传播方向与两个场都垂直，且两个场相互垂直。这种波被称为横波，因为振荡方向与传播方向垂直。电磁波的极化由其 E 场分量的方向决定。例如，当 E 场垂直时，波为垂直极化，天线的方向决定了极化方式，垂直天线会产生垂直极化波。 如果在自由空间中，一个点源向各个方向均匀辐射电磁波，会形成球形波前。这样的源被称为各向同性点源。波前可以定义为连接所有同相点的表面。各向同性源向各个方向均匀辐射，波以光速传播，在某一时刻，能量会到达图中所示的波前 1 区域。波前 1 处的功率密度 \(p\)（瓦每平方米）与源的原始发射功率 \(P_t\) 成正比，与距离 \(r\)（米）的平方成反比，数学表达式为 \(p = \frac{P_t}{4\pi r^2}\)。如果波前 2 到源的距离是波前 1 的两倍，那么波前 2 处每单位面积的功率密度是波前 1 的四分之一。在离源足够远的地方，波前的小部分几乎是平的，可视为平面波前，这简化了对其光学特性的处理。 自由空间中，距离点源 \(r\) 处的电场强度 \(e\)（伏每米）为 \(e = \sqrt{\frac{30P_t}{r}}\)，这是麦克斯韦方程之一，1873 年被提出，1888 年由赫兹通过实验验证。功率密度 \(p\) 和电场 \(e\) 与阻抗的关系类似于电路中功率和电压的关系，即 \(p=\frac{e^{2}}{z}\)，其中 \(z\) 是传播波的介质的特性阻抗。对于自由空间，通过代入相关方程可得 \(z = 377\Omega\)，这表明自由空间具有类似于传输线的固有阻抗。任何电磁传导介质的特性阻抗为 \(z=\sqrt{\frac{\mu}{\epsilon}}\)，其中 \(\mu\) 是介质的磁导率，\(\epsilon\) 是介质的介电常数。对于自由空间，\(\mu = 1.26\times10^{-6}\) H/m，\(\epsilon = 8.85\times10^{-12}\) F/m，代入可得 \(z = 377\Omega\)，与前面的结果一致。 #### 3. 非自由空间中的波 之前讨论了波在自由空间（真空或完全空的空间）中的行为，现在考虑环境对波传播的影响。 - **反射**：就像光波被镜子反射一样，无线电波会被任何介质（如金属表面或地球表面）反射。入射角等于反射角，但入射波和反射波的相位会发生变化，例如它们的极化方向不同，入射波和反射波相差 180°。完全反射只发生在理论上的完美导体且电场垂直于反射元件的情况下。完全反射时，反射系数为 1，它定义为反射电场强度与入射电场强度之比。在实际情况中，由于非完美导体对能量的吸收以及部分能量会穿透导体，反射系数小于 1。当电场不完全垂直于反射表面时，如果电场完全平行于反射（导电）表面，电场会被短路，所有电磁能会以导体中产生的表面电流的形式耗散；如果电场部分平行于表面，则会部分短路。如果反射表面是弯曲的，如抛物面天线，可以使用适当的光学定律来分析波，这在微波频率中尤为重要。 - **折射**：电磁无线电波的折射与光的折射类似，当波从一种密度的介质进入另一种密度的介质时会发生折射。例如，将勺子浸入水中，看起来勺子在水面处弯曲，实际上是形成勺子图像的光从高密度的水介质进入相对低密度的空气介质时发生了弯曲。折射时，入射角 \(\theta_1\) 和折射角 \(\theta_2\) 满足斯涅尔定律：\(n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\)，其中 \(n_1\) 是入射介质的折射率，\(n_2\) 是折射介质的折射率。真空的折射率正好为 1，大气的折射率约为 1，玻璃约为 1.5，水为 1.33。 - **衍射**：衍射是波在直线传播时绕过障碍物的现象，这是由荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯在 1690 年提出的惠更斯原理导致的。该原理指出，球形波前上的每个点都可以看作是一个次级球形波前的源。这一概念解释了在山脉或高楼后面的无线电接收情况。如图所示，电磁波会在障碍物顶部和周围发生衍射，除了一个小的阴影区域外，能实现接收。直接绕过障碍物的波前成为新的波前源，开始填充空白区域，使阴影区域成为有限的区域。波的频率越低，衍射过程越快，即阴影区域越小。 #### 4. 地面波和空间波传播 无线电波从发射天线到接收天线有四种基本传播模式：地面波、空间波、天波和卫星通信。无线电波的频率在考虑每种传播类型的性能时至关重要。 - **地面波传播**：地面波是沿地球表面传播的无线电波，有时也称为表面波。地面波必须是垂直极化（电场垂直）的，因为如果是水平极化，地球会使电场短路。地形变化对地面波有很大影响，地面波的衰减与地球表面阻抗直接相关，而表面阻抗是电导率和频率的函数。如果地球表面导电性高，波能量的吸收和衰减会减少。因此，地面波在水面（特别是盐水）上的传播比在非常干燥（导电性差）的沙漠地形上要好得多。 地面损耗随频率的增加而迅速增加，因此地面波在高于 2 MHz 的频率下效果不佳。但地面波是非常可靠的通信链路，其接收不受日常或季节性变化的影响，不像天波传播那样。地面波传播是与海洋中的潜艇通信的唯一方式，利用极低频（ELF）传播，ELF 波范围为 30 到 300 Hz。在典型的 100 Hz 频率下，衰减约为 0.3 dB/m，且衰减随频率稳定增加，在 1 GHz 时，会有 1000 dB/m 的损耗！海水对 ELF 信号的衰减很小，因此这些频率可用于与水下潜艇通信，而无需潜艇浮出水面，从而避免被探测到。 - **空间波传播**：空间波有两种类型，即直接波和地面反射波，不要将它们与前面讨论的地面波混淆。直接波是天线通信中最广泛使用的模式，传播的波直接从发射天线到接收天线，不沿地面传播，因此地球表面不会对其产生衰减。 直接空间波有一个严重的限制，它基本上限于所谓的视距传输距离，天线高度和地球曲率是限制因素。由于衍射效应，实际的无线电地平线比几何视距大约大 \(\frac{4}{3}\)，可以通过经验公式 \(d \approx 1.2\sqrt{h_t}+1.2\sqrt{h_r}\) 近似预测，其中 \(d\) 是无线电地平线（英里），\(h_t\) 是发射天线高度（英尺），\(h_r\) 是接收天线高度（英尺）。例如，当发射天线高于地面 1000 英尺，接收天线高 20 英尺时，无线电地平线约为 50 英里，这解释了典型广播 FM 和 TV 电台的覆盖范围，因为它们利用的是直接空间波传播。 地面反射波可能会导致接收问题，如果两个接收分量的相位不同，会出现一定程度的信号衰落和/或失真。这也可能发生在同时接收到直接波和地面波或存在两个或更多信号路径的情况下。例如在 TV 接收中，可能会出现重影现象，即同一信号在不同时间到达 TV 接收器，反射信号传播的距离更远且比直接信号弱，导致出现双图像失真。可以通过调整接收天线的方向，使反射波太弱而无法显示来解决重影问题，但前提是直接波必须超过接收器的灵敏度极限，因为调整天线时直接波的电平也会降低。此外，传输线反射也可能导致重影。 #### 5. 天波传播 天波是长距离传输中最常用的方法之一。天波从发射天线向与地球成大角度的方向辐射，能够撞击电离层，从电离层折射到地面，再从地面反射回电离层，如此反复，这种电离层和地面的折射和反射作用称为跳跃。 为了理解折射过程，需要考虑大气的组成及其影响因素。就电磁辐射而言，大气只有三层：对流层、平流层和电离层。对流层从地球表面延伸到约 6.5 英里，平流层从对流层的上限延伸到约 23 英里，电离层从平流层的上限延伸到约 250 英里，电离层之外是自由空间。平流层的温度被认为是恒定不变的，因此它不会出现温度逆增现象，也不会引起显著的折射，这个恒定温度的平流层也称为等温区域。 电离层主要由电离粒子组成，其上部密度非常低，随着向地球延伸，密度逐渐增加。电离层上部受到太阳的强烈辐射，太阳的紫外线辐射使空气电离成自由电子、正离子和负离子。尽管电离层上部的空气分子密度很小，但来自太空的辐射粒子能量很高，会导致大量空气分子电离。这种电离作用向下延伸到电离层，强度逐渐减弱，因此电离层上部的电离程度最高，下部最低。 - **电离层分层**：电离层由三层组成，从最低层到最高层分别为 D、E 和 F 层。F 层进一步分为 \(F_1\)（较低层）和 \(F_2\)（较高层）。这些层在电离层中的存在与否以及它们离地球的高度随太阳位置而变化。中午时，给定地点正上方的电离层受到的太阳辐射最大，而夜间最小。当辐射消失时，许多被电离的离子会重新结合。在这些条件之间的时间段内，电离层中电离层的位置和数量会发生变化。由于太阳相对于地球上特定点的位置每天、每月和每年都在变化，因此很难准确预测这些层的具体特征，但可以做出以下一般性陈述： - D 层范围约为 25 到 55 英里，该层的电离程度低，因为它是电离层中最低的区域（离太阳最远），能够折射低频信号，高频信号可以直接穿过，但会有部分衰减。日落之后，由于离子的快速重新结合，D 层消失。 - E 层高度约为 55 到 90 英里，也被称为肯内利 - 海维赛层，因为这两个人最早提出了它的存在。日落之后，该层的离子重新结合速度相当快，到午夜几乎完全完成。E 层能够折射比 D 层更高频率的信号，实际上，它可以折射高达 20 MHz 的信号。 - F 层存在于约 90 到 250 英里之间。在白天，F 层分为 \(F_1\) 和 \(F_2\) 层，这些层的电离水平相当高，并且在一天中变化很大。中午时，该部分大气离太阳最近，电离程度最大。由于这些高度的大气稀薄，日落之后离子的重新结合速度较慢，因此始终存在一个相当稳定的电离层。F 层负责通过折射实现高达 30 MHz 频率的高频、长距离传输。 - **电离层对天波的影响**：电离层将无线电波返回地球的能力取决于离子密度、无线电波的频率和传输角度。电离层的折射能力随电离程度的增加而增强，电离程度在夏季比冬季大，白天比夜间大。如前所述，在太阳黑子活动高峰期会出现异常高的密度。 - **临界频率**：如果垂直传输的无线电波频率逐渐增加，会达到一个点，此时波无法被充分折射以使其路径弯曲回地球，而是继续向上到达下一层进行折射。如果频率足够高，波会穿透电离层的所有层并进入太空。在给定电离层条件下，垂直传输时能返回地球的最高频率称为临界频率。 - **临界角度**：一般来说，频率越低，信号越容易被折射；反之，频率越高，折射或弯曲过程越困难。辐射角度在确定特定频率的信号是否能通过电离层折射返回地球方面起着重要作用。高于一定频率，垂直传输的波会继续进入太空，但如果传播角度降低（从垂直方向），临界频率以下的部分高频波会返回地球。特定频率的波能够传播并仍能从电离层返回（折射）的最大角度称为该频率的临界角度，它是波前路径与延伸到地球中心的线所成的角度。 - **最大可用频率（MUF）**：在任何特定的电离层条件下，任意两点之间存在一个最佳通信频率。发射天线与波返回地球的点之间的距离取决于传播角度，而传播角度又受频率限制。在给定距离下能返回地球的最高频率称为最大可用频率（MUF），它在一年中的任何给定时间都有平均每月值。最佳工作频率是能提供最稳定通信的频率，因此是最好使用的频率。对于使用 \(F_2\) 层的传输，最佳工作频率约为 MUF 的 85%；而通过 E 层传播时，在大多数情况下，接近 MUF 的频率能提供稳定的通信。由于电离层对无线电波的衰减与频率成反比，使用 MUF 可以获得最大信号强度。 由于临界频率会发生变化，因此使用列线图和频率表来预测每天每个小时、每个传输地点的最大可用频率。这些信息是通过世界各地的实验站收集的数据得出的，所有这些信息被汇总并制成表格，形成长期预测，减少了这种无线电通信中的猜测成分。美国政府会定期传输传播数据，例如科罗拉多州柯林斯堡的 WWV 站，每小时 18 分钟在 2.5、5、10、15 和 20 MHz 频率上传输；夏威夷的 WWVH 站，每小时 45 分钟在 5、10 和 15 MHz 频率上传输。这些站传输 A 和 K 指数以及太阳通量，可用于预测 MUF 以及其他传播特性。K 指数范围从 0 到 8，是地球地磁活动的度量，值约高于 4 表示地磁风暴，会对无线电通信产生严重影响。K 指数每三小时更新一次，显示有用的“趋势”信息。A 指数没有最大值，但读数高于约 100 很罕见，值为 10 或更低表示安静条件和良好的传播。基于 K 指数，A 指数每天 1800 UT 更新一次。太阳通量是太阳黑子活动的度量，与 A 指数一样，低值表示良好的传播。 - **静区和跳区**：在地面波完全消散的点和第一个天波返回的点之间，听不到信号，这个区域称为静区或跳区。跳区是地面波接收结束点到第一个天波接收点的距离，它发生在以临界角度传播的能量情况下。同样，跳距是发射机到天波能返回地球的最小距离，也发生在以临界角度传播的能量情况下。 - **衰落**：衰落用于描述在接收信号期间接收机处信号强度的变化。在同时接收到地面波和天波的任何点都可能发生衰落，例如两个波可能异相到达，导致可用信号抵消。这种衰落常见于长距离水上通信，因为地面波传播距离相对较长。在天波传播盛行的地区，衰落可能是由于两个天波传播不同距离，从而异相到达同一点引起的，例如一部分发射波被 E 层折射，而另一部分被 F 层折射。如果两个波异相 180°且振幅相等，则会完全抵消信号，但通常一个信号比另一个信号弱，因此仍可能获得可用信号。 由于电离层对不同频率的影响不同，接收到的信号可能会出现相位失真。单边带（SSB）对相位失真问题最不敏感，调频（FM）在低于 30 MHz（天波可能存在的频率范围）时非常容易受到这些影响，带宽越大，相位失真问题越严重。频率中断与某些类型的衰落密切相关，其中一些严重到足以完全中断传输。日出前和日落后不久，电离层的变化条件可能会导致某些频率完全中断，高频信号可能会穿过电离层，而低频信号会被吸收。电离层风暴（电离层中的湍流条件）经常会使无线电通信变得不稳定，一些频率会完全中断，而另一些频率可能会增强。有时这些风暴会在几分钟内形成，有时则需要几个小时，风暴可能会持续几天。 - **对流层散射**：对流层散射传输可以被视为天波传播的一种特殊情况，它不是将信号指向电离层，而是指向对流层，对流层在地球表面上方仅 6.5 英里处结束。通常使用约 350 MHz 到 10 GHz 的频率，可实现长达 400 英里的可靠通信路径。 散射过程如图所示，两个定向天线指向使它们的波束在对流层中相交。大部分发射能量直接进入太空，但通过一种不太清楚的过程，少量能量会向前散射。同时，也会有一些能量向不需要的方向散射。最佳和最广泛使用的频率约为 0.9、2 和 5 GHz，但即使在这些频率下，接收到的信号也仅为发射功率的百万分之一到十亿分之一。因此，显然需要高功率发射机和极其灵敏的接收机。此外，散射过程会受到两种形式的衰落影响，第一种是由于散射路径内的多径传输，这种影响可能每分钟发生几次；大气变化会导致第二种较慢的接收信号强度变化。 为了应对这些严重的衰落问题，总是使用某种形式的分集接收，即发射和/或接收多个信号，然后在接收机处将它们相加或在任何给定时刻选择最佳信号。常用的分集接收类型包括： - **空间分集**：由两个或多个相隔 50 个波长以上的接收天线组成，在任何时刻选择最佳接收信号作为接收机的输入。 - **频率分集**：在略有不同的频率上传输相同的信息，不同频率即使通过相同的天线发射和接收，也会独立衰落。 - **角度分集**：以两个或多个略有不同的角度传输信息，这会基于照亮对流层中不同的散射体积形成两条或更多路径。 - **极化分集**：能够接收水平和垂直极化信号。 尽管对流层散射需要高功率和分集接收，并且近年来卫星通信发展迅速，但自 1955 年首次使用以来，它仍在继续使用，为沙漠、山区和岛屿等地区提供可靠的长距离通信链路，供军事和商业用户用于语音和数据链路。 #### 6. 卫星通信 卫星通信是电波传播的最后一种类型，通过将卫星放置在地球静止轨道（有时称为地球同步或同步轨道）实现通信。地球静止轨道意味着卫星位于赤道上方约 22,300 英里的固定点，在这个高度，地球、太阳和月球的引力与卫星绕地球旋转产生的离心力共同作用，使卫星保持在地球上方的固定位置。当然，卫星会发生漂移（呈八字形移动），必须定期通过星载动力推进器重新定位以保持最佳位置，但对地球上的我们来说，卫星看起来是静止的。 - **卫星通信系统组成**：卫星通信系统由以下部分组成： - **上行链路（发射机）** - **轨道卫星** - **下行链路（接收机）** 上行链路和下行链路构成地球站（地面基站），通常用于传输和接收数据、视频和/或音频，也可以只是接收站点。地球站包括激励器、高功率行波管放大器（TWTAs，也称为高功率放大器 [HPAs]）、指向地球静止轨道上卫星的抛物面反射器和接收机。 卫星需要配备天线、转发器和姿态控制装置，以保持其在地球静止轨道上的位置。转发器是一种电子系统，用于执行接收、频率转换和重新传输功能，姿态控制装置用于卫星的轨道校正（位置保持），这些校正大约每 2 到 6 周进行一次。地球静止卫星位于赤道上方 \(0^{\circ}\) 纬度的固定经度轨道上，其纵向位置以卫星下点为参考，卫星下点是从卫星到地球中心的线与地球表面的交点。目前卫星的最小间距为 \(2^{\circ}\)。 - **卫星示例**：例如，1987 年首次推出的波音 601 卫星，用于包括 DirecTV、甚小口径终端（VSAT）商业网络以及移动卫星通信等应用。基本的波音 601 配置最多有 48 个转发器，功率为 4800 瓦；1995 年首次推出的波音 601 HP（高功率版本）支持最多 60 个转发器，功率可达 10,000 瓦。 -