高頻無線電傳播簡介
一、電離層
1.1 電離層的區(qū)域
在離地面50公里至500公里高度范圍內(nèi)的大氣層區(qū)域,稱為電離層。在這里,來自太陽的輻射使大氣分子電離。電離就是原子或分子失去電子變成正離子和自由電子的過程。電離層之所以叫電離層,是因為它含有大量的電離后的離子。但是對無線電通信來說,更重要的是電離層中的自由電子。這些自由電子能使高頻無線電波發(fā)生折射和反射,實現(xiàn)遠距離的傳播。
根據(jù)高度不同,電離層可以分為D層、E層、F1層和F2層。圖1.1展示了電離層的白天和夜間結(jié)構(gòu)。其中F2層是最重要的層,因為它晝夜都存在,可以反射最高頻率的高頻波,而且其中的自由電子生命周期也最長。白天時還可能存在F1層,但它經(jīng)常會與F2層合并。夜間只有F2層存在。
1.2 電子的產(chǎn)生和損失
太陽輻射與中性氣體分子碰撞,會產(chǎn)生自由電子,如圖1.2所示。由于需要太陽輻射,電子的產(chǎn)生只在白天半球發(fā)生。電子的損失是自由電子與正離子復合成中性粒子的過程,如圖1.3所示。這會連續(xù)發(fā)生,白天和黑夜都在進行。
1.3 觀測電離層
常用儀器是測高儀,它能垂直發(fā)射無線電脈沖到電離層并測量返回信號的時間延遲,來推斷不同高度的電子密度,原理如圖1.4所示。根據(jù)返回信號時間可以確定E層、F1層和F2層的位置。夜間只有F層返回信號。
1.4 電離層變化
隨太陽活動周期變化: 在太陽活動最小期,電離層只能支持較低的高頻,而在太陽活動最大期,可以支持更高的頻率,因為這時太陽輻射更強,產(chǎn)生更多電子。
季節(jié)變化: E層頻率夏天高于冬天。F層變化更復雜,在雙峰值附近夏冬頻率與預期相反,這稱為季節(jié)異常。
緯度變化: 赤道附近電離層電子密度強,向極地區(qū)遞減。但也存在赤道異常和中緯度槽現(xiàn)象。
日變化:
白天頻率高于夜間。日出時上升迅速,正午峰值,下午下降,進入夜間只剩F層。
1.5 吸收變化
D層吸收存在每日和季節(jié)性變化,頻率較低和白天吸收更嚴重,如圖1.8所示。
1.6 偶發(fā)E層
偶發(fā)E層是E層中電子密度異常增高的短暫區(qū)域,會影響正常的高頻波傳播,如圖1.9所示。它的出現(xiàn)時間和持續(xù)時間不固定。
1.7 擴展F層
F層因不均勻性而擴散,入射波被散射,出現(xiàn)漂移層。這通常多發(fā)生在夜間、低緯度和中緯度,或者電子密度減小時。
二、高頻通信
2.1 傳播類型
高頻波可以通過地面波、直射波和天波傳播,如圖2.1所示。只有天波經(jīng)電離層反射可以實現(xiàn)長距離通信。
2.2 頻率限制
每個傳播鏈路都有可用頻率的上下限。高于最大可用頻率的波會穿透電離層,低于吸收限制頻率的波會嚴重衰減,如圖2.2所示。
2.3 可用頻率范圍
每條路徑的最大可用頻率取決于電離層條件。同時吸收效應也決定一個最小可用頻率。通常給出一個統(tǒng)計頻率范圍,正常工作頻率可保證90%可用性。
2.4 跳數(shù)
跳數(shù)表示波經(jīng)過一次電離層反射到地面后覆蓋的距離,E層和F層的最大跳數(shù)分別約1800公里和3200公里,如圖2.3所示。
2.5 傳播模式
根據(jù)電離層和跳數(shù),可以歸類為簡單模式(如1F)或復雜模式(如E層+F層組合),見圖2.4和圖2.5。
2.6 E層屏蔽
如果工作頻率低于E層雙跳最大可用頻率,信號將通過2E模式而不是1F模式傳播,如圖2.6所示。
2.7 頻率、距離和仰角
這三個變量互相關聯(lián),相互約束,如圖2.7到圖2.9所示。
2.8 跳躍區(qū)
給定頻率下,超過一定仰角信號會穿透電離層,在發(fā)射機附近形成接收不到信號的跳躍區(qū)。
2.9 衰落
多路徑傳播和電離層擾動會導致進入接收機的信號出現(xiàn)衰落,原理見圖2.10。
2.10 噪聲
除內(nèi)部熱噪聲外,外部噪聲主要來自大氣噪聲、星系噪聲和人為噪聲。可以選擇某些措施改善噪聲效應。
2.11 VHF和27MHz傳播
VHF和27MHz主要依靠直射波傳播,需要保證視線距離內(nèi)的通信。在某些條件下,也會出現(xiàn)較長距離的傳播。
2.12 MF天波傳播
MF和HF波段的夜間傳播依靠天波,因為夜間D層消失,吸收很小。
2.13 MF和HF地面波
MF和HF波段也可以通過地面波實現(xiàn)幾百公里的海上通信。范圍與頻率和發(fā)射功率相關。
2.14 世界時
國際通信常用世界時或Z時,以避免不同時區(qū)的混淆。
三、太陽活動影響
3.1 短波衰落
耀斑導致D層吸收增強,使得信號衰落。低頻率波首先和最嚴重受影響,可嘗試使用更高頻率,見圖3.1和圖3.2。
3.2 極區(qū)吸收事件
耀斑釋放的高能質(zhì)子進入極區(qū)電離D層,造成極區(qū)全頻段吸收增加?？沙掷m(xù)10天以上。
3.3 電離層暴
地磁場擾動導致電離層電子密度先增強后衰減。通常使用更低頻率可以緩解影響。
參考文獻
SWS - Other Topics - Introduction to HF Radio Propagation (bom.gov.au)
