葉淋美，薛 珂，陳弘揚(yáng)

(國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心福建監(jiān)測(cè)站，廈門 361004)

“陸地—海洋”分段路徑電波傳播特性測(cè)試

葉淋美，薛 珂，陳弘揚(yáng)

(國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心福建監(jiān)測(cè)站，廈門 361004)

本文主要探索“陸地—海洋”分段路徑情況下的近地電波傳播特性，概述了幾種地表面波傳播模型，并對(duì)ITU-R P.1546建議書提及的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了預(yù)測(cè)和測(cè)試。

電特性；電波傳播；分段路徑

1 引言

電波傳播是無(wú)線電收發(fā)系統(tǒng)之間的信息傳輸過程,是電子系統(tǒng)的重要組成部分,電波離開天線進(jìn)入媒質(zhì)進(jìn)行傳播。各種物理特性和時(shí)空結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)媒質(zhì)對(duì)電波的傳播可能產(chǎn)生兩個(gè)效應(yīng),一是實(shí)現(xiàn)所需傳播方式與特性的憑借作用,如高頻（HF）電離層反射,低頻（LF）地面繞射以及甚低頻與極低頻（VLF,ELF）的地球-電離層波導(dǎo)引導(dǎo)；二是對(duì)電波傳播的限制作用,包括衰減與擾動(dòng)等傳播效應(yīng),導(dǎo)致信號(hào)可通率與可靠性下降以及各種功能的誤差,甚至使傳輸中斷,如無(wú)線電導(dǎo)航與雷達(dá)定位誤差和衛(wèi)星信號(hào)閃爍以及電離層騷擾期間的短波通信中斷等。由于電波頻段極寬和傳輸媒質(zhì)的多樣性,電波的傳播機(jī)理復(fù)雜。

研究電波傳播特性的主要目的是探索電波傳播過程中遇到不同介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng),電波傳播特性同時(shí)取決于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和電波特征參量。對(duì)于一定頻率和極化的電波與特定媒質(zhì)條件相匹配,將具有某種占優(yōu)勢(shì)的傳播信道和傳播模式。各種信道中,媒質(zhì)復(fù)折射指數(shù)（包括介電常數(shù),磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率）的空間分布和時(shí)間變化及邊界狀態(tài),是傳播特性的決定性因素。因此,無(wú)線電波傳播經(jīng)過不同媒介時(shí)所表現(xiàn)的傳播特性也不同,較為典型的分段路徑是陸地與海洋組合的路徑情況。

2 分段路徑電波傳播特性

分段路徑環(huán)境對(duì)地波傳播的影響較為明顯?？拷乇砻娴臒o(wú)線電波從發(fā)射端到接收端的傳播過程中,有可能受到地面乃至地層內(nèi)部媒質(zhì)的影響；地形地貌的起伏和介質(zhì)的變化（如海、陸的變化）,都不是均勻光滑的。在研究電波傳播特性時(shí),需要根據(jù)無(wú)線電波本身的參數(shù)（如頻率/波長(zhǎng)）來(lái)確定傳播信道先驗(yàn)知識(shí)[1]：

⊙ 電磁波波長(zhǎng)比地面粗糙度大得多時(shí),地面可近似認(rèn)為是光滑的。

⊙ 傳播路徑地面參數(shù)變化不太大時(shí),可認(rèn)為是均勻的。

⊙ 收發(fā)天線相距不是很遠(yuǎn)（一百千米范圍內(nèi)）,可認(rèn)為地面是平面。

⊙ 收發(fā)天線相距較遠(yuǎn),則要考慮地球的曲率,看作是一個(gè)球面。

⊙ 電波頻率較低,滲入土壤的趨膚深度較大,而深部地層的導(dǎo)電率和介電常數(shù)和表層有顯著差別時(shí),必須考慮地下分層對(duì)地波傳播的影響。

電波傳播經(jīng)過水上路徑,受海水媒質(zhì)的影響,傳播機(jī)制與在陸地上的存在差別。視距傳播多屬于地波或空間波,表1為均勻媒質(zhì)中,地波傳播的有效距離隨頻率和媒質(zhì)參數(shù)變化的關(guān)系：同一媒質(zhì)中電磁波頻率越高,地波的傳播距離越短；同一工作頻率下,電導(dǎo)率σ和相對(duì)介電常數(shù)εr越低,傳輸距離越遠(yuǎn)。通常情況下,海水的電磁參數(shù)σ＝5s/m,εr=81,表中第1條數(shù)據(jù)接近海水參數(shù)。因此,相對(duì)于陸地,水上（海洋）的地波傳播衰減速度更快。由此可見,介質(zhì)導(dǎo)電率σ對(duì)地波傳播有顯著的影響。

表1 地波傳播的分界距離（km）

在實(shí)際情況中,地層還可能出現(xiàn)成層結(jié)構(gòu),即各層的導(dǎo)電率和介電常數(shù)差別較大,此時(shí)地波仍主要在空氣中沿地面?zhèn)鞑?小部分能力滲入地層,被地層吸收。另外,隨著大氣高度的增加,空氣越來(lái)越稀薄,折射率有所下降。對(duì)于某些精確的導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)來(lái)說,由于大氣的不均勻性使地波傳播速度發(fā)生變化,接收點(diǎn)信號(hào)的相位延遲不同,會(huì)給這些系統(tǒng)帶來(lái)直接的誤差。

3 ITU-R P.1546混合路徑測(cè)試

靠近廈門沿海的金門島位于兩岸之間,島上設(shè)有專門轉(zhuǎn)發(fā)臺(tái)灣VHF波段廣播的無(wú)線電臺(tái)站,因此,福建沿海與金門島之間的路徑是典型的分段路徑環(huán)境,滿足分段路徑下電波傳播特性的測(cè)試條件。本文根據(jù)ITU-R P.1546建議書中的場(chǎng)強(qiáng)插值方法來(lái)預(yù)測(cè)接收?qǐng)鰪?qiáng),結(jié)合金門方向的VHF調(diào)頻廣播監(jiān)測(cè)開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1 發(fā)射和接收

金門縣調(diào)頻廣播臺(tái)站信息,如表2所示,調(diào)頻廣播發(fā)射信號(hào)源的發(fā)射參數(shù)包括頻率、發(fā)射位置經(jīng)緯度、天線高度等。經(jīng)緯度說指示的地點(diǎn)是金門縣太武山。為了研究不同的分段路徑下的傳播特點(diǎn),選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,詳細(xì)信息記錄如表3所示。

表2 金門FM廣播電臺(tái)信息

表3 信號(hào)接收測(cè)試點(diǎn)信息

信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的傳播路徑如圖1所示。從發(fā)射端到3個(gè)接收點(diǎn)所經(jīng)歷的3條路徑均為“陸地—海洋”路徑,其中“T→R3”路徑較為復(fù)雜,海洋部分可能受到其他島嶼影響效應(yīng)。

圖1 信號(hào)發(fā)射點(diǎn)和測(cè)試接收點(diǎn)位置分布

圖2 混合路徑測(cè)試示意圖

圖2為分段混合路徑示意圖,信號(hào)從發(fā)射端T先經(jīng)過陸地,然后經(jīng)過海洋到達(dá)沿海陸地接收點(diǎn)R, d1,d2分布為陸地路徑和海洋路徑長(zhǎng)度。

3.2 預(yù)測(cè)理論

ITU-R P.1546模型畫出了典型頻率、距離、天線高度情況下的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)曲線,為了適應(yīng)實(shí)際工作中的特殊參數(shù),需要進(jìn)行插值修正。本文泛取100MHz頻率曲線,忽略頻率部分的插值以及其他微小變化的插值。只考慮兩個(gè)主要因素的插值,距離插值和發(fā)射天線高度插值。

3.3 預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與測(cè)試值

利用監(jiān)測(cè)接收機(jī)在上述實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置開展監(jiān)測(cè),獲得目標(biāo)頻點(diǎn)的信號(hào)接收?qǐng)鰪?qiáng)值。ITU-R P.1546-5曲線取1kW有效輻射功率1%時(shí)間的場(chǎng)強(qiáng)值,為了在同等情況下的場(chǎng)強(qiáng)對(duì)比,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取96.3MHz和99.6MHz兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量值,與模型預(yù)測(cè)值比較情況如表4所示,其中海洋部分插值曲線采用冷海路徑曲線。

表4 接收點(diǎn)預(yù)測(cè)值和測(cè)量值

結(jié)果表明,通過ITU-R P.1546模型插值修正的預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與實(shí)際接收測(cè)量值相差不大,除信號(hào)無(wú)法收到情況外。雖然ITU-R P.1546經(jīng)驗(yàn)曲線對(duì)路徑地形（歐洲地形）、測(cè)量時(shí)間（時(shí)間概率）、發(fā)射頻率（典型頻率值）、傳播距離（整數(shù)倍距離）和天線高度（標(biāo)稱高度）等參數(shù)取值具有特殊性,但在實(shí)際應(yīng)用過程中,通過插值修正后同樣適用,具有一定的普適性。本文在福建沿海開展了相關(guān)測(cè)試,結(jié)果與預(yù)測(cè)值相近,驗(yàn)證了該模型在中國(guó)沿海無(wú)線電波傳播研究中的適用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的對(duì)“陸地—海洋”分段路徑的近地電波傳播特性進(jìn)行了探索,研究了幾種涉及地表面波傳播模型的方法,重點(diǎn)進(jìn)行了ITU-R P.1546經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥袊?guó)沿海地區(qū)分段路徑的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型具有普適性,滿足實(shí)踐應(yīng)用需求,能夠起到對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作的理論輔助作用。

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Propagation Properties Test of Land-to-Sea Path

Ye Linmei, Xue Ke, Chen Hongyang
(State Radio Monitoring Center Fujian Station, Xiamen, 361004)

This paper summarizes some surface propagation properties models under the land-to-sea segment propagation path. Theory prediction and monitoring test are taken to the ITU-R P.1546 recommendation experience model.

Electrical Properties; Propagation Properties; Segmentation Path

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.022

TN011.4 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）12-0070-03