基本分類(lèi)
電波傳播基本上是按研究對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)的。由于電波傳播是研究電波和媒質(zhì)間的作用過(guò)程,電波和媒質(zhì)都是研究的對(duì)象。這樣就形成了按電波頻率(波段)劃分和按媒質(zhì)劃分兩類(lèi)。按頻率分類(lèi)有極長(zhǎng)波傳播、超長(zhǎng)波傳播、長(zhǎng)波傳播、中波傳播、短波傳播、超短波傳播、微波傳播和毫米波傳播等;按媒質(zhì)分類(lèi)則有地下電波傳播、地波傳播、對(duì)流層電波傳播、電離層電波傳播和磁層電磁波等。這兩種分類(lèi)基本上是“平行”的和彼此對(duì)應(yīng)的,但又是互相交叉的(見(jiàn)圖)。
由于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)、電波波長(zhǎng)等不同,電波傳播的物理機(jī)制各異。有的以散射傳播為主,而有的則以波導(dǎo)傳播為主。物理機(jī)制不同,傳播理論方法也就不同。從這個(gè)角度分類(lèi),有隨機(jī)媒質(zhì)傳播理論(散射理論)、分層媒質(zhì)傳播理論、波導(dǎo)模傳播理論、繞射傳播理論、磁離子理論和反演理論等。
與其他學(xué)科的關(guān)系 電波傳播的基本理論出發(fā)點(diǎn)是電磁理論即麥克斯韋方程組和來(lái)源于物理學(xué)中的電動(dòng)力學(xué)。地球、地球大氣層以至外層空間是電波傳播的媒質(zhì),多種多樣的媒質(zhì)產(chǎn)生豐富多彩的電波傳播內(nèi)容。為了研究不同類(lèi)型的電波傳播,必須了解不同媒質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化。例如,研究地波需要了解地殼,特別是大地電特性。研究對(duì)流層傳播需要知道對(duì)流層介電特性及其變化,從而要了解溫度、濕度和壓力結(jié)構(gòu)及其變化、層結(jié)和湍流運(yùn)動(dòng)等,還要知道各種空氣成分特別是氧和水汽分子及其與電波的相互作用以及云霧降水等。而電離層傳播研究則需要知道電離層電子濃度和地磁及其變化,還要知道太陽(yáng)黑子、磁暴、極光以及核爆炸等的影響。在地空電波傳播研究中,磁層和外層空間的物理特性當(dāng)然也需要了解。因此,電波傳播是以地球物理、氣象學(xué)、大氣物理和空間物理等為物理基礎(chǔ)的。
電波傳播是電子學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科,同電子學(xué)中其他分支的關(guān)系非常密切。首先,電波傳播探測(cè)需要利用通信、雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航和天線等技術(shù)設(shè)備,數(shù)據(jù)處理和測(cè)試控制則須利用電子計(jì)算機(jī),而電波傳播的研究成果也為這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和參數(shù)預(yù)報(bào)服務(wù)。
由于無(wú)線電波總帶著傳播媒質(zhì)的信息,反映地球、大氣層以至外層空間的物理狀態(tài)及其變化,電波傳播現(xiàn)已成為地球物理、氣象學(xué)、大氣物理、空間物理以及天文等方面常用而又極其重要的觀測(cè)手段之一。電離層和磁層等的地面探測(cè)和頂部探測(cè),幾乎都是用無(wú)線電波。無(wú)線電波用于氣象和天文,形成了新的學(xué)科──無(wú)線電氣象學(xué)和射電天文學(xué)。除提供手段外,電波傳播在媒質(zhì)方面的探測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果等,也是對(duì)相應(yīng)物理學(xué)科的貢獻(xiàn)。
電波傳播理論與數(shù)學(xué)的聯(lián)系特別密切。它既利用場(chǎng)論和數(shù)學(xué)物理方法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方面最新的結(jié)果,同時(shí)又促進(jìn)這些方面的發(fā)展。
基本形式
地波繞射傳播。
發(fā)射天線位于地面上,電磁波沿地表面繞射傳播,這種傳播方式叫地波繞射傳播。由于地表面電介質(zhì)特性、電波頻率的不同使地波在傳播過(guò)程中收到不同程度的衰減,在近距離情況下可利用舒萊金——范德波爾公式計(jì)算地面波場(chǎng)強(qiáng),但考慮地球曲率影響時(shí)則需使用繞射公式計(jì)算。ITU-R P.526給出了工程中常用的光滑球形地面電波繞射傳播時(shí)的傳輸損耗計(jì)算模型,這對(duì)粗糙度不大的光滑海面情形也是適用的。
視距傳播。
電波從發(fā)射天線直接傳播到接收天線或經(jīng)過(guò)地面反射之后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式。也就是說(shuō),發(fā)射天線和接收天線僅限于在相互“看”得見(jiàn)的視線距離內(nèi)的傳播。陸地移動(dòng)通信、個(gè)人通信以及尋呼通信等都是以這種方式傳播。對(duì)地面通信而言,這時(shí)天線架設(shè)的高度比波長(zhǎng)大得多。由于地球曲率的影響,電波在收發(fā)天線間傳播的最遠(yuǎn)距離可由天線高度決定。
散射傳播。
無(wú)線電波經(jīng)過(guò)對(duì)流層或電離層中的不均勻分布介質(zhì)而散射至接收點(diǎn),使電波到達(dá)視線以外的地方。對(duì)流層在地球表面上方約10~18公里處,是非均勻介質(zhì),反射指數(shù)隨著高度的增加而減小。 散射傳播適用的波段和視距傳播的基本相同但距離遠(yuǎn)得多(例如電離層散射可達(dá)2000公里),所以對(duì)地面通信來(lái)說(shuō)它是超視距傳播。
波導(dǎo)傳播。在分層介質(zhì)中,層與層之間可能存在著類(lèi)似于金屬波導(dǎo)管內(nèi)的傳播方式,稱(chēng)為波導(dǎo)傳播。這種波導(dǎo)是自然條件下存在的波導(dǎo),或其它不是用來(lái)專(zhuān)門(mén)傳播電波的波導(dǎo)(例如地下的坑道)。近海面蒸發(fā)波導(dǎo)中的電波傳播就屬于這類(lèi)傳播形式。蒸發(fā)波導(dǎo)是由于近海面水汽隨高度升高迅速下降形成的一種異常大氣結(jié)構(gòu),在一定的海域有較高的出現(xiàn)概率、 且存在時(shí)間長(zhǎng)。 蒸發(fā)波導(dǎo)能將一定頻率的電磁波陷獲在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)而形成電波的超視距傳播。
基本應(yīng)用
電波傳播在無(wú)線電系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛,幾乎所有的無(wú)線電系統(tǒng)都要涉及電波傳播問(wèn)題,都要利用電波傳播的規(guī)律以及有關(guān)公式、圖表、數(shù)據(jù)和資料等。早期的電波傳播研究就是為了建立和改善無(wú)線電通信而開(kāi)展起來(lái)的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子系統(tǒng)工程日新月異,提出各種各樣的電波傳播問(wèn)題。正是這些實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題,成了電波傳播研究的出發(fā)點(diǎn)和動(dòng)力,促使電波傳播研究向前發(fā)展。反過(guò)來(lái),電波傳播每一新的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展,也都為電子系統(tǒng)工程開(kāi)辟新的技術(shù)途徑。電波傳播對(duì)電子系統(tǒng)工程起著技術(shù)基礎(chǔ)的作用。
電子系統(tǒng)工作頻段需要根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和電波傳播特性來(lái)選擇。以水下潛艇通信為例,為了要使無(wú)線電信號(hào)穿過(guò)海水而不遭受太大的損耗,只能選用在海水中吸收損耗小的超長(zhǎng)波或更長(zhǎng)的波段。超遠(yuǎn)程精密導(dǎo)航系統(tǒng)選用長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波,就是因?yàn)檫@樣的電波沿地面的傳播衰減很小,而且相位和幅度都相當(dāng)穩(wěn)定。短波可以有效地經(jīng)電離層反射達(dá)到數(shù)千、上萬(wàn)公里的距離,與長(zhǎng)波、超長(zhǎng)波相比較,傳輸容量較大,天線方向性也較強(qiáng),所以,遠(yuǎn)距離的通信、廣播、航海移動(dòng)通信、還有超視距雷達(dá)等,都常用這一波段。然而,大容量、高質(zhì)量和高可靠度的無(wú)線電通信和高分辨率雷達(dá)等,卻必須使用超短波、微波、毫米波甚至波長(zhǎng)更短的波。
電子系統(tǒng)必須考慮的另一電波傳播問(wèn)題是傳播衰減預(yù)計(jì)。通信、廣播和導(dǎo)航系統(tǒng),必須有足夠的輻射功率,以便經(jīng)過(guò)傳播的波在接收端能夠保證有足夠的信噪比,為此就需要預(yù)計(jì)單向傳播衰減。雷達(dá)系統(tǒng)則必須預(yù)計(jì)雙向傳播衰減和目標(biāo)散射截面。為使所有的電子系統(tǒng)都能互不干擾地工作,每一無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)還應(yīng)保證不干擾其他系統(tǒng),這又需要預(yù)計(jì)干擾場(chǎng)強(qiáng)。
電子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)在很大程度上是電波傳播條件設(shè)計(jì)。如通信站址選擇、天線架設(shè)高度和仰角的確定以及如何采取有效的分集接收措施以減輕衰落等,都要根據(jù)電波傳播規(guī)律來(lái)進(jìn)行。另外,系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)還要適應(yīng)傳播信道的特性。例如,傳輸容量或傳輸速率都不能超過(guò)傳播信道所容許的限度。
在雷達(dá)系統(tǒng)方面,除傳播衰減或作用距離外,雜散回波、地面反射和大氣折射效應(yīng)等也都應(yīng)該加以考慮。雜散回波如地形地物回波,海浪回波,云、雨回波以及飛鳥(niǎo)、飛蟲(chóng)回波等會(huì)影響目標(biāo)檢測(cè);地面反射造成的虛目標(biāo)可能引起錯(cuò)誤跟蹤;大氣折射引起目標(biāo)視在位置與真實(shí)位置之間的誤差,如仰角誤差、距離誤差、高度誤差和方位角誤差等。為了達(dá)到精確定位,這些因素都須根據(jù)傳播特性而加以抑制、消除或修正。低仰角跟蹤情況尤其如此。在遙感技術(shù)方面,電波在各種粗糙面及其覆蓋層的散射特性,是正確處理和解釋數(shù)據(jù)必不可少的知識(shí),其中包括各種農(nóng)作物、森林、水面以及水面污染等的后向散射截面和譜特性等。
電波傳播在大氣物理等方面的應(yīng)用,主要有兩種方式:
①直接利用傳播媒質(zhì)探測(cè)研究結(jié)果,如大地電特性、降水特性、對(duì)流層結(jié)構(gòu)和電離層結(jié)構(gòu)等;
②利用電波傳播規(guī)律,給出大氣物理過(guò)程等的傳播效應(yīng),從而尋求大氣物理過(guò)程等的無(wú)線電探測(cè)和分析方法。例如,電離層非相干散射雷達(dá)探測(cè),就是基于強(qiáng)大的電磁波與電離層中處于熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子和離子的相互作用,以及包含在散射信號(hào)中有關(guān)電子和離子的濃度、溫度和成分等信息。
發(fā)展動(dòng)向
①隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電波傳播正在進(jìn)一步擴(kuò)展研究和應(yīng)用領(lǐng)域。例如,電磁波的生物效應(yīng)、地震過(guò)程中的電磁現(xiàn)象的研究等,都有可能獲取進(jìn)展。
②建立更加完善和更加精確的電波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),獲取更加完整的媒質(zhì)和傳播特性數(shù)據(jù)。總結(jié)出更加接近實(shí)際的數(shù)學(xué)模型,利用電子計(jì)算機(jī),迅速提供環(huán)境數(shù)據(jù)和電波預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。
③更加密切地同地球物理、空間物理、天體物理、大氣物理等的研究相結(jié)合,發(fā)揮電波傳播在這些物理研究中的作用。