對流層電波傳播

受地球大氣低層電特性所制約的電波傳播，包括對流層中和透過對流層的電波傳播。

基本介紹

• 中文名：對流層電波傳播
• 外文名：electromagnetic wave propagation in troposphere
• 定義：受地球大氣低層電的電波傳播
• 傳播方式：大氣折射、波導傳播
• 領域：航空

對流層電波的傳播

大氣低層稱為對流層。超短波與微波通信天線一般都置於地面以上幾十個波長或更高，天線的性能基本上與大地無關，電磁波由天線發出後，在對流層中基奉上依幾何光學規律傳播，地面則對電磁波起反射和散射的作用。

對流層位於地球大氣低層，自地面向上延伸，延伸高度在極區約為9公里,在赤道上空約為17公里，在中緯區約為12公里。除局部的溫度逆轉外，對流層溫度隨高度的增加而遞減。無線電頻段的對流層電特性可用折射指數n或折射率N表征

N=(n-1)×106=(77.6/T)(P+4810e/T)

式中T為氣溫(K)；P為氣壓（毫巴）;e為水汽壓(毫巴)。折射率隨時間和空間而變化，包括大尺度的、較緩慢的巨觀變化和小尺度的、較快的湍流起伏。巨觀變化可按高度分層,其長期平均高度剖面可由負指數模式描述;短期平均高度剖面和折射率垂直梯度在長的統計期間隨機變化。在一定地區的小部分時間內，某些大氣過程在一定高度範圍內會形成異常的負或正折射率梯度層。湍流結構一般可視為各向同性，但也可能出現高度各向異性。在10吉赫以上頻段中，大氣分子、水汽凝結體和其他大氣微粒呈現出程度不等的、與頻率有關的復介電特性。大氣分子的電特性與大氣的溫度、濕度和壓強也有關係。水汽凝結體等的細微結構（形狀、尺度分布、取向和降落速度等）和時空變化是十分重要的無線電氣象參數。
對流層中主要的傳播方式或效應有：大氣折射、波導傳播、對流層散射、多徑傳播、大氣吸收，以及水汽凝結體和其他大氣微粒的吸收和散射。
對流層傳播除可按傳播方式分類外，也可按傳播範圍和頻段分類。按傳播範圍分，有視距傳播、超視距傳播和地空傳播等。地空傳播也可歸入視距傳播。視距傳播的基本方式是直射傳播，但受對流層和地面的複雜影響。超視距對流層傳播的常見方式是對流層散射，有時也可能是波導傳播。按頻段來分，有超短波傳播、微波傳播、毫米波與亞毫米波傳播和光波傳播等。超短波和較長的微波可作視距傳播，也可作超視距傳播。10吉赫以上頻段的無線電波和光波，一般都只限於視距傳播。　對流層傳播可概略地用圖1和圖2表示。圖1不包括雲和降水的影響;圖2則僅包括雲和降水的影響。　對流層傳播研究的發展與通信的關係十分密切。第二次世界大戰後，由於遠距離、高質量的多路通信的需要，促成了對流層散射傳播機制的發現。這一發現不僅導致了對流層散射通信的出現，而且導致了電離層散射通信和流星余跡通信的出現。衛星通信的出現及其進一步發展的需要，促進了地空傳播方面特別是在10吉赫以上頻段的研究。由於對流層傳播與對流層特性緊密相關，對流層傳播研究與對流層探測技術也互相促進。許多技術用於對流層折射率和雲霧降水的巨觀結構和微觀結構的探測,促進了對流層傳播研究;有關對流層結構與所產生的信號特性之間的聯繫方面的傳播研究結果，也為有關無線電探測手段的產生和完善提供了探測基礎。精密雷達都採用對流層傳播方式，特別是視距傳播方式。尤其在微波和更高頻段，雷達與目標之間的對流層效應是突出的傳播問題。微波和毫米波遙感也直接或間接地利用大氣吸收和雲霧衰減效應。
現代對流層傳播的研究，主要集中於10吉赫以上頻段的電波傳播問題、廣播和移動通信中的傳播問題以及多徑效應等。毫米波在實用上具有突出的優點(見10GHz以上電波傳播),因此對流層傳播研究正向毫米波方向擴展。

二次輻射

大地在電磁波照射下產生傳導電流和極化電流，從而引起二次輻射。在收發天線都置於極大的平地面上方時，二次輻射的效果與幾何光學反射定律是一致的。收、發天線距離較遠時，見圖1，到達接收天線的電磁波是直射波與反射波相干涉的結果。兩種波所經過的路程長度不同，地面的反射還引起附加的相移，所以兩波的相位是不同的。在發射天線位置固定的條件下，接收點上兩波的相位差隨著接收天線的高度在相當大的範圍內改變，因此接收天線處的場強沿著高度也在相當大的範圍內起伏。最大值為兩波強度之和，最小值為兩波強度之差。

圖1 接收天線的直射波與反射波

在收、發天線周圍的地面相對於波長緩慢起伏時，到達接收天線的反射波可能不只一個，其反射點和路徑各有不同，接收點場強沿高度的起伏規律將更加複雜。

繞射

在收、發天線的聯接線與地面相交時，接收天線就落到了發射天線的視距以下。到達接收天線的電磁波不再是直射波與反射波，而是地面陰影區內的繞射波，在超短波和微波波段，地球的繞射衰減是很大的。在一般情況下，陰影區內不能接收。

大氣影響

直射波和反射波在傳播途徑中都要受到對流層大氣的影響。大氣對於電磁波的影響有衰減和折射兩方面。

大氣的折射率與大氣壓力、溫度和濕度有關。分析與實驗表明，在正常情況下，大氣折射率隨著高度的上升而減小。在標準大氣情況下，在幾公里的高度以內，折射率與高度成線性關係。

由於折射率漸變降低，從發射天線發出的射線都要向地面彎曲。由於大氣的折射，本來接收天線應處在發射天線的視距邊界上，實際上卻在視距以內，如同地球半徑加大而射線仍按直線前進。根據幾何關係可以得到視距r0與收、收天線高度h1、h2（單位m）的關係為,km。其中a是地球半徑，單位是m。實際的地球半徑為6．37×106m，標準大氣折射所等效的地球半徑為8．49×106m這個數值直到厘米波都有效，波長再短則逐漸減小，對於可見光則減到7．33×106m。

等效地球半徑是在標準大氣折射條件下，調整射線軌跡方程中相當於地球半徑的係數，使軌跡成為直線而得到的。實際的大氣折射指數並不經常按標準大氣的規律分布，往往是相當複雜的，甚至折射指數在幾十米高度內也不是隨高度直線下降，等效地球半徑的值僅僅是用以估計一般情況下接收點的場強。

大氣波導傳播

海面上晴朗無風時，偶然會出現折射指數隨高度而下降的程度，足以使向上斜射出的射線彎回地面，見圖2。由於海面對超短波和微波的反射很強，射線可以多次跳躍而達到上百公里以外，這種傳播方式稱為大氣波導傳

圖2 大氣波導傳播