基本介紹
- 中文名：電波傳播
- 外文名：radio propagation
基本介紹,歷史情況,研究方法,理論研究,實驗觀測,計算機模擬,基本分類,基本形式,地波繞射傳播。,視距傳播。,散射傳播。,基本套用,發展動向,
基本介紹
關於無線電波在地球、地球大氣層和宇宙空間中傳播過程的理論。電波受媒質和媒質交界面的作用，產生反射、散射、折射、繞射和吸收等現象，使電波的特性參量如幅度、相位、極化、傳播方向等發生變化。電波傳播已形成電子學的一個分支，它研究無線電波與媒質間的這種相互作用，闡明其物理機理，計算傳播過程中的各種特性參量，為各種電子系統工程的方案論證、最佳工作條件選擇和傳播誤差修正等提供數據和資料。根據電波傳播原理，用無線電波來進行探測，是研究電離層、磁層等的有效手段。電波傳播為大氣物理和高層大氣物理等的研究提供探測方法，積累大批資料，提供數據分析的理論基礎。
電磁波頻譜的範圍極其寬廣，是一種巨大的資源。電波傳播的研究是開拓利用這些資源的重要方面。它主要研究幾赫（有時遠小於 1赫）到3000吉赫的無線電波，同時也研究3000吉赫到384太赫的紅外線,384太赫到770太赫的光波的傳播問題。
電波傳播所涉及的媒質有地球（地下、水下和地球表面等）、地球大氣（對流層、電離層和磁層等）、日地空間以及星際空間等。這些媒質多數是自然界存在的，但也有許多人工產生的媒質，如火箭噴焰電漿和飛行器再入大氣層時產生的電漿等，也是電波傳播的研究對象。這些媒質的結構千差萬別，電氣特性各異。但就其在傳播過程中的作用可以分為三種類型：①連續的（均勻的或不均勻的）傳播媒質，如對流層和電離層等；②媒質間的交界面(粗糙的或光滑的)，如海面和地面等；③離散的散射體如雨滴、雪、飛機、飛彈等，它可以是單個的，也可以是成群的。這些媒質的特性多數隨時間和空間而隨機地變化。因而與它相互作用的波的幅度和相位也隨時間和空間而隨機變化。因此，媒質和傳播波的特性需要用統計方法來描述。
歷史情況
對電波傳播的研究最早可以追溯到1864年。在這一年，英國物理學家J.C.麥克斯韋在向皇家學會提出的題為《電磁場的動力學理論》的論文中全面闡述了他的電磁理論。他提出了位移電流的概念；建立了電磁場的基本方程組──麥克斯韋方程組；預言了電磁波的存在。1887年,德國的H.R.赫茲用實驗演示證明,火花放電器激發一個偶極子而發射的波具有和光同樣的傳播特性。這是最早的電波傳播實驗研究，證實了麥克斯韋的預言。19世紀90年代，俄國的А.С.波波夫和義大利的G.馬可尼都各自進行了多次電波傳播試驗。1901年，馬可尼在3000多公里的距離上接收了越過大西洋的無線電信號。人們當時企圖用導電球體的繞射傳播來解釋這一現象。這一繞射問題的研究，涉及極其複雜的數學問題。在這方面L.瑞利(1903)、J.H.龐加萊(1910)、H.M.麥克唐納(1914)等人作出了貢獻。當時的技術只能在長波上獲得足夠大的輻射功率，因此，試驗主要是在中長波上進行的。理論和實驗都表明，波長越長，繞射損耗越小。
第二次世界大戰期間，許多雷達發現了超視距目標。起初，人們用對流層折射指數梯度反常而引起的波導傳播或超折射效應來解釋這一現象。1946年，H.G.布克和W.瓦金肖系統地闡述了對流層波導傳播理論。對流層對電波傳播的影響開始受到重視。
隨著實驗資料的不斷積累，人們發現除了偶爾出現的由對流層反常傳播引起的信號外，還存在一種強度雖然很弱但卻經常存在的超視距信號。這一現象無法用繞射傳播或超折射效應來解釋。1950年，布克和W.E.戈登發表了對流層散射理論，開始了一個研究媒質隨機不均勻性對電波傳播影響的新時期。在對流層電波散射傳播理論的影響下，又發現了電離層散射傳播和流星余跡電波散射傳播。1958年，戈登提出了自由電子對電波的非相干散射理論，這個理論很快就為實驗所證實，遂出現了一個用大功率雷達探測地球大氣層的新時期。
70年代以後，電波傳播研究的頻率向高、低兩端延伸。在低端，研究極低頻的傳播；在高端，開展對10吉赫以上的電波傳播研究。大氣吸收、降水影響、去極化和目標散射特性等研究蓬勃開展，建立了許多理論模型，反演理論也獲得了迅速的發展。
在電波傳播研究中，對傳播媒質的研究進行了廣泛的國際合作。為協調和促進電波傳播的發展，國際上成立了專門的研究組織。在國際無線電諮詢委員會(CCIR)中設有第5組“非電離媒質中的傳播”和第6組“電離媒質中的電波傳播”；在國際無線電科學聯合會(URSI)中設有F委員會“遙感和波的傳播”和G委員會“電離層無線電和傳播”等。
中國早在1936年就在上海開始了對電離層的探測。1937～1938年在武昌，1944年在重慶都用自製的儀器對電離層進行了較長時間的觀測。重慶站自1945年 8月、武昌站自1946年 8月開始連續進行觀測。中華人民共和國成立後，先後又建成了滿洲里、長春、烏魯木齊、北京、蘭州、廣州、海口等觀測站，形成了電離層觀測網。從1956年起，中國開展對流層散射傳播的研究；1957年5月,建成了第一條對流層散射傳播試驗電路。在以後的10多年中進行了大量的實驗和理論工作。中國還開展了哨聲傳播研究，並於1983年在低緯度的西沙群島接收到了哨聲信號。目前，專門從事電波傳播研究的中國電波傳播研究所已經擁有一支理論和測試隊伍，開展了傳播理論、媒質結構和工程套用等多方面的研究，研究的範圍從甚低頻一直到幾十吉赫。高等院校從50年代起先後設定了電波傳播專業，培養了這方面大批專門人才。
研究方法
電波傳播研究歷來就是用理論和實驗兩種方法來進行的。隨著計算機技術的發展，用計算機模擬已成為一種獨立的研究方法。電波傳播研究主要有理論研究、實驗觀測和計算機模擬三種研究方法。
理論研究
電波傳播主要研究媒質與電波的相作用過程。有時候媒質特性可以用若干參數來表征，而且這些參數儘管可能有時空的規律變化和隨機變化，但並不因電波的存在而發生變化。這時用理論方法研究電波傳播問題時,可以根據媒質的物理模型,對媒質或者媒質分界面的時空變化採用一定的數學模型加以描述，研究傳播特性就歸結為求解電磁方程組的數學問題。媒質模型的選擇首先取決於人們對媒質結構和媒質特性的認識；但在處理實際問題時，更為重要的是考慮模型的合理性和求解方程式的實際可能性。針對一個合理的模型，如果可以得到解析解或數值解，則這種方法對於認識傳播機制、概括地了解傳播特性是有效的。由於實驗工作的局限性，這種理論知識對於指導實驗和測試資料的分析處理都是十分必要的。但是，在處理問題時模型都要經過不同程度的理想化,同實際的媒質有一定差別,而且只有很少量的問題能夠得出解析解，因此理論研究結果的具體運用就有一定的局限性。在某些情況下，媒質的特性參數與電波的存在與否有關。例如，在電離層中的傳播就是如此,理論問題變得更加複雜。另一方面,當介質特性與傳播特徵的主要關係弄清楚以後，人們有可能根據已知的傳播特徵來反推媒質或媒質介面的特性。這類反演問題也是理論研究的一個重要方面。反演理論是遙感技術的重要理論基礎。
相關圖書
相關圖書實驗觀測
由於自然媒質的結構和特性非常複雜，並且隨時間、空間而隨機變化，要用理論方法得出可以用於工程套用的精確資料是困難的。因此，實驗觀測方法歷來就是電波傳播研究的最基本的方法。電波傳播研究通過大量的實地觀測，探測媒質的結構，監視媒質的變化,積累傳播特性的數據資料,從中總結出電波傳播的規律。電波傳播觀測一般在實際的環境、有代表性的不同地區進行。在同一地區的實驗，又須積累較長時間的資料，才能反映出傳播特性和媒質特性隨時間、空間的變化規律。這是電波傳播實驗的一個重要特點。當然,由於電波傳播實驗只能在有限的時間和空間進行,同時也由於實驗是在自然條件下進行，影響傳播的諸因素不受控制，在處理測試資料時會遇到困難。為了從有限的測試結果中總結出比較普遍適用的規律，理論指導和理論分析是十分必要的。
計算機模擬
隨著計算機和計算技術的發展，可以用計算機模擬介質特性的變化和傳播過程。它可以部分地克服理論方法中媒質模型理想化和方程式求解困難所帶來的局限性。同時，也可部分地彌補觀測實驗方法需要耗費大量人力、物力和時間的不足，是一種很有發展前景的研究方法。
當然，進行電波傳播研究時往往不是單一地採用某種方法，各種方法各有短長，常常需要結合運用，互相配合，互相補充。
基本分類
電波傳播基本上是按研究對象進行分類的。由於電波傳播是研究電波和媒質間的作用過程，電波和媒質都是研究的對象。這樣就形成了按電波頻率(波段)劃分和按媒質劃分兩類。按頻率分類有極長波傳播、超長波傳播、長波傳播、中波傳播、短波傳播、超短波傳播、微波傳播和毫米波傳播等；按媒質分類則有地下電波傳播、地波傳播、對流層電波傳播、電離層電波傳播和磁層電磁波等。這兩種分類基本上是“平行”的和彼此對應的，但又是互相交叉的（見圖）。
由於媒質結構、電波波長等不同，電波傳播的物理機制各異。有的以散射傳播為主，而有的則以波導傳播為主。物理機制不同，傳播理論方法也就不同。從這個角度分類，有隨機媒質傳播理論（散射理論）、分層媒質傳播理論、波導模傳播理論、繞射傳播理論、磁離子理論和反演理論等。
與其他學科的關係 電波傳播的基本理論出發點是電磁理論即麥克斯韋方程組和來源於物理學中的電動力學。地球、地球大氣層以至外層空間是電波傳播的媒質，多種多樣的媒質產生豐富多彩的電波傳播內容。為了研究不同類型的電波傳播，必須了解不同媒質的物理結構及其運動變化。例如，研究地波需要了解地殼，特別是大地電特性。研究對流層傳播需要知道對流層介電特性及其變化，從而要了解溫度、濕度和壓力結構及其變化、層結和湍流運動等，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雲霧降水等。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然也需要了解。因此，電波傳播是以地球物理、氣象學、大氣物理和空間物理等為物理基礎的。
電波傳播理論與數學的聯繫特別密切。它既利用場論和數學物理方法和數理統計等方面最新的結果，同時又促進這些方面的發展。
基本形式
地波繞射傳播。
發射天線位於地面上，電磁波沿地表面繞射傳播，這種傳播方式叫地波繞射傳播。由於地表面電介質特性、電波頻率的不同使地波在傳播過程中收到不同程度的衰減，在近距離情況下可利用舒萊金——范德波爾公式計算地面波場強，但考慮地球曲率影響時則需使用繞射公式計算。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的傳輸損耗計算模型，這對粗糙度不大的光滑海面情形也是適用的。
視距傳播。
電波從發射天線直接傳播到接收天線或經過地面反射之後到達接收點的傳播方式。也就是說，發射天線和接收天線僅限於在相互“看”得見的視線距離內的傳播。陸地移動通信、個人通信以及尋呼通信等都是以這種方式傳播。對地面通信而言，這時天線架設的高度比波長大得多。由於地球曲率的影響，電波在收發天線間傳播的最遠距離可由天線高度決定。
散射傳播。
無線電波經過對流層或電離層中的不均勻分布介質而散射至接收點，使電波到達視線以外的地方。對流層在地球表面上方約10~18公里處，是非均勻介質，反射指數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得多（例如電離層散射可達2000公里），所以對地面通信來說它是超視距傳播。
波導傳播。在分層介質中，層與層之間可能存在著類似於金屬波導管內的傳播方式，稱為波導傳播。這種波導是自然條件下存在的波導，或其它不是用來專門傳播電波的波導（例如地下的坑道）。近海面蒸發波導中的電波傳播就屬於這類傳播形式。蒸發波導是由於近海面水汽隨高度升高迅速下降形成的一種異常大氣結構，在一定的海域有較高的出現機率、 且存在時間長。 蒸發波導能將一定頻率的電磁波陷獲在波導結構內而形成電波的超視距傳播。
基本套用
電波傳播在無線電系統中的套用非常廣泛，幾乎所有的無線電系統都要涉及電波傳播問題，都要利用電波傳播的規律以及有關公式、圖表、數據和資料等。早期的電波傳播研究就是為了建立和改善無線電通信而開展起來的。隨著電子技術的發展，電子系統工程日新月異，提出各種各樣的電波傳播問題。正是這些實際套用中的問題，成了電波傳播研究的出發點和動力，促使電波傳播研究向前發展。反過來，電波傳播每一新的發現和進展，也都為電子系統工程開闢新的技術途徑。電波傳播對電子系統工程起著技術基礎的作用。
電子系統的電路設計在很大程度上是電波傳播條件設計。如通信站址選擇、天線架設高度和仰角的確定以及如何採取有效的分集接收措施以減輕衰落等，都要根據電波傳播規律來進行。另外，系統設備的設計還要適應傳播信道的特性。例如，傳輸容量或傳輸速率都不能超過傳播信道所容許的限度。
在雷達系統方面，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等也都應該加以考慮。雜散回波如地形地物回波，海浪回波，雲、雨回波以及飛鳥、飛蟲回波等會影響目標檢測；地面反射造成的虛目標可能引起錯誤跟蹤；大氣折射引起目標視在位置與真實位置之間的誤差，如仰角誤差、距離誤差、高度誤差和方位角誤差等。為了達到精確定位，這些因素都須根據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據必不可少的知識，其中包括各種農作物、森林、水面以及水面污染等的後向散射截面和譜特性等。
電波傳播在大氣物理等方面的套用，主要有兩種方式：①直接利用傳播媒質探測研究結果，如大地電特性、降水特性、對流層結構和電離層結構等；②利用電波傳播規律，給出大氣物理過程等的傳播效應，從而尋求大氣物理過程等的無線電探測和分析方法。例如，電離層非相干散射雷達探測，就是基於強大的電磁波與電離層中處於熱運動狀態的電子和離子的相互作用，以及包含在散射信號中有關電子和離子的濃度、溫度和成分等信息。
