无线电波的传播特性 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998无线电波的传播特性无线电通信就是不用导线，而利用电磁波振荡在空中传递信号，天线就是波源。

电磁波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。

在莫尔斯和贝尔先后发明了有线电报和电话之后，很多科学家对电磁现象大量研究。

直到1831年，在英国，法拉弟首先发现了电磁感应现象，并且预言：电与磁的传播是和光一样的一种波。

英国科学家麦克斯韦从1850年就开始对法拉弟提出的课题展开研究。

他总结了前人的研究成果，用数学方法对法拉弟的电磁场思想做了严格的论证，并在1864年做出“电与磁的交替转化过程，是一种波的传播形式，是一种光波”的论断，他称这种波为电磁波。

在麦克斯韦首先提出电磁理论后，又过了24年，才由德国伟大的物理学家赫兹通过实验证实了麦氏理论的正确。

赫兹设计了一个能够接收电火花的装置，结构极简单。

把一根导线弯成圆形，使两端之间仅留一微小的间隙，称它为“共振子”。

“共振子”为什么也有火花发生呢赫兹认为，这一定是电振荡以电磁波形式通过空间传播过去的。

赫兹于1888年公布了自己的实验结果，证实了电磁波的存在。

赫兹的实验成果震惊了世界，许多科学家继续开展对电磁波的研究。

1890年，法国物理学家布朗利发现，将金属粉末即紧缩成块，但是它的电阻减小了，使电流容易通过。

这种装有金属粉未的玻璃管被称为“布朗利管”，又称“粉末检波器”，它接收电磁波的灵敏度比赫兹的“共振子”要高得多。

1894年，20岁的意大利青年马可尼从杂志上读到悼念赫兹的文章和他生前的感人事迹，受到极大启发：“如果利用赫兹发现的电磁波，不需要导线也可以实现远距离通信了”。

马可尼为自己的大胆设想所激动下宏愿，决心开拓无线电通信事业，把赫兹的研究成果付诸实际应用。

在家人的支持下，马可尼就在自己家中进行实验，他用赫兹的火花放电器作发射机，用布朗利的金属粉未检波器作接收机经过一个多月的努力，终于完成了电磁波的发送和接收实验，并在实验中发现，利用天线可使发射距离增加。

经过反复试验、改进，在1895年，马可尼成功地进行了约3公里的无线电通信。

几乎与马可尼同时，俄罗斯军官波波夫也研制成功了一台无线电收发报机。

然而，马可尼向意大利政府提出的专利申请却未被获准。

1896年，马可尼回到他母亲的故乡英国。

他在英国不仅得到了无线电通信发明专利，而且受到学术界的高度重视。

1897年，在伦敦设立了马可尼无线电报公司。

后来，马可尼利用大型发射天线杆成功地进行了飞越多佛尔海峡的无线电通信实验，建立起英、法两国的无线电联络。

1901年12月12日，马可尼又完成了自英国到加拿大，横越大西洋的无线电通信实验，并取得圆满成功。

据说，当时马可尼的实验采用的是用风筝悬挂天线的方式。

由于马可尼发明了无线电报装置，实现了人类史上第一次远距离无线电通信，为此，他在1909年荣获诺贝尔物理学奖，与波波夫同被人们誉为“无线电之父”。

无线点播的传播途径分为五类：（1）地波传播：地波传播是指电磁波沿地球表面饶射传播。

当天线很低时，电磁波距地面很近，又加之天线很长，很容易被地面吸收导致迅速衰减。

这种衰减与地面的性质（导电系数的大小）、电磁波的极化方式和频率有关。

因此长波一般用于地波传播。

这个波段，我国一般用于电力线载波，在前苏联用于广播。

最近，我国在部分山区用于近距离广播。

它的频率一般规定为30KHz--400KHz,这个频率称为长波。

中波的频率是500--1 600KHz，也是地波传播，我国用于调幅广播。

（2）电离层传播：由于太阳和各种宇宙射线的辐射，引起空气分子的电离，而形成了电离层。

电离层分三层。

D层（距地面高度60--80Km）、E层（100--120Km）、F1层（200K m）、F2层（200-900Km），中波和短波都能借助电离层的反射传播到较远的距离，最常用用于短波通信。

短波频率为（）。

百年前，三声短促而且微弱的讯号，向世界宣布了无线电的诞生。

一九○一年，扎营守候在讯号山(Signal Hill 位于加拿大东南角)的意大利科学家马可尼，终于接收到了从英格兰发出的跨过大西洋的无线电讯号，这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通讯媒介。

此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了。

虽然马可尼的试验结果令人相当振奋，可是当时一般人认为无线电传播方式类似光波，发射之后，绝对沿直线方向进行传播，从英国到加拿大，再怎么说也无法完成直线的无线电通讯(因为地球表面是弧形的）。

当时的科学理论更证明，从英国发射后的无线电波一定直驱太空，怎么可能抵达加拿大可是从马可尼用简陋的无线电设备征服长距离通讯的试验记录来看，白天，讯号可以远达七○○英哩，晚间更远达二○○○英哩以上，这些试验数据，使得以往的理论所推断出来的必然结果，开始发生动摇了。

与此同时，及不约而同地分别提出了同样的看法：就是在地球大气层中有电子层的存在，它可以像镜子般，把无线电折射回地球，而不致于沿着直线方向直奔太空，由于这种折射回返的讯号，使得远方的电台可以互相通讯，这种对无线电波有如镜子般作用的电子层称做KENNELLY HEAVISIDE层，但现在一般称之为电离层（lonosphre），而短波远距离广播和通讯之所以如此发达就是受了电离层之益。

从一九二五年开始，许多科学家便开始进行电离层的研究工作，由向电离层发射无线电脉冲讯号，然后从电离层反射的回波（Echo）中，可以了解到电离层的自然现象，所得到的结果就是：地球上空的电离层就像是一把大伞覆盖着地球，而且随着白天或夜晚或季节的变化而变动，同时发现某些频率可以直接穿过电离层，而有些频率则以不同角度折返回地球表面，虽然对电离层已经有了某种程度的了解，而且短波的国际通讯也有了很大的发展，这六十多年来，科学家从不放过任何继续研究电离层的机会，甚至火箭发射、人造卫星试验及最近的太空穿梭机飞行，都要做有某些实验，以期能更进一步了解电离层的变化规律，最近借助超高速计算机，建立了各种假设的电离层分析模型，科学家希望能够像天气预告那样，可以预测未来几天的电离层状况。

短波通信曾为弃为无用的频段多年，在1923年美国和法国的业余电台仅使用了几瓦的功率，利用100m波长实现了横越大西洋的通信，业余无线电爱好者的这一发现，为短波广播通信奠定了基础。

（3）空间传播：也就是直发射天线和接收天线必须在视距范围内，这时电波由直射波和地面反射波组成相干传播，因此接收点的场强为二者之和。

这种传播方式用于超短波和微波通信。

频率在30MHz以上的调频广播和电视信号发射都是空间波传播。

超短波通信从理论上讲，只能在视距范围内进行。

其计算公式为，r0为视距，h1为发射天线的高度，h2为接收天线的高度。

但在某些特殊情况下，通过一系列的绕射、折射、散射或反射，其传播距离大大超过视距。

（4）对流层的传播：从地面上升到离开地面大约10K m的范围称为对流层。

由于对流层中大气温度、压力和湿度的变化，使大气介电系数随高度而改变。

当电波通过这些不均匀的大气层时，就会产生反射、折射、和散射。

只有超短波才能利用对流层进行远距离传播。

（5）外球层传播：离开地面900--1200Km的高度称为外球层。

在100MHz以上的频率可以利用外球层进行宇宙通信。

卫星通信、卫星电视就是这种传播方式。

序号频段名称频段范围传播方式传播距离可用带宽干扰量利用 4 甚低频（VLF） 3-30kHz 波导数千公里极有限宽扩展世界范围长距离无线电导航 5 低频（LF） 30-300kHz 地波天波数千公里很有限宽扩展长距离无线电民航战略通信 6 中频（MF） 300-3000kHz 地波天波几千公里适中宽扩展中等距离点到点广播和水上移动 7 高频（HF） 3-30MHz 天波几千公里宽有限的长和短距离点到点全球广播，移动 8 甚高频（VHF） 30-300MHz 空间波对流层散射绕射几百公里以内很宽有限的短和中距离点到点移动，LAN声音和视频广播个人通信 9 特高频（UHF） 300-3000MHz 空间波对流层散射绕射祝距 100公里以内很宽有限的短和中距离点到点移动，LAN声音和视频广播个人通信卫星通信 10 超高频（SHF） 3-30GHz 视距 30公里左右很宽通常是有限的短和中距离点到点移动L AN声音和视频广播移动/个人通信卫星通信 11 极高频（EHF） 30-3000GHz 视距 20公里很宽通常是有限的短和中距离点到点移动，LAN个人通信卫星通信国际短波广播米波段表波段频率范围波段频率范围 (米/公尺) （兆赫/MHz) (米/公尺) (兆赫/MHz) 120 M 25M 90M 21M 75M 19M 60M 16M 49M 13M 41M 11M 31M . .在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，无线电传播损耗是一个关键参数。

无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测，会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。

为了保证无线电通信用户的通信质量，确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可*程度，必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。

理论上讲，在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系，但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等，因而电波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。

在研究电波传播特性时，通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性，即所谓的数学模型。

无线电波传播模型通常是很复杂的，必须对不同的频段使用不同的电波传播模型，以预测电台覆盖和传播场强。

下面简要地叙述几种传播方式（详细数学公式略）。

VLF(f< 30kHz)频率低于30kHz的电波，传播损耗近似等于自由空间传播损耗，即相当于电波在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、绕射和吸收现象，只存在因电磁能量扩散引起的传播损耗。

在此频段内，电波在电离层与地球之间可以以波导方式沿地球表面进行传播。

LF(30kHz< f< 300kHz) 在这个频段内，有两种重要的传播方式：地波方式及电离层天波方式。

天波信号幅度具有明显的昼夜变化，这是由于电离层吸收和变化的缘故。

MF(300kHz< f< 3MHz)在该频段内，传播方式也是地波和天波。

当评价地波时，还需要知道大地的电气特性，特别是大地电导率的数据。

对150kHz到频率频段，采用天波传播的预测方法。