高频无线电传播简介
一、电离层
1.1 电离层的区域
在离地面50公里至500公里高度范围内的大气层区域,称为电离层。在这里,来自太阳的辐射使大气分子电离。电离就是原子或分子失去电子变成正离子和自由电子的过程。电离层之所以叫电离层,是因为它含有大量的电离后的离子。但是对无线电通信来说,更重要的是电离层中的自由电子。这些自由电子能使高频无线电波发生折射和反射,实现远距离的传播。
根据高度不同,电离层可以分为D层、E层、F1层和F2层。图1.1展示了电离层的白天和夜间结构。其中F2层是最重要的层,因为它昼夜都存在,可以反射最高频率的高频波,而且其中的自由电子生命周期也最长。白天时还可能存在F1层,但它经常会与F2层合并。夜间只有F2层存在。
1.2 电子的产生和损失
太阳辐射与中性气体分子碰撞,会产生自由电子,如图1.2所示。由于需要太阳辐射,电子的产生只在白天半球发生。电子的损失是自由电子与正离子复合成中性粒子的过程,如图1.3所示。这会连续发生,白天和黑夜都在进行。
1.3 观测电离层
常用仪器是测高仪,它能垂直发射无线电脉冲到电离层并测量返回信号的时间延迟,来推断不同高度的电子密度,原理如图1.4所示。根据返回信号时间可以确定E层、F1层和F2层的位置。夜间只有F层返回信号。
1.4 电离层变化
随太阳活动周期变化: 在太阳活动最小期,电离层只能支持较低的高频,而在太阳活动最大期,可以支持更高的频率,因为这时太阳辐射更强,产生更多电子。
季节变化: E层频率夏天高于冬天。F层变化更复杂,在双峰值附近夏冬频率与预期相反,这称为季节异常。
纬度变化: 赤道附近电离层电子密度强,向极地区递减。但也存在赤道异常和中纬度槽现象。
日变化:
白天频率高于夜间。日出时上升迅速,正午峰值,下午下降,进入夜间只剩F层。
1.5 吸收变化
D层吸收存在每日和季节性变化,频率较低和白天吸收更严重,如图1.8所示。
1.6 偶发E层
偶发E层是E层中电子密度异常增高的短暂区域,会影响正常的高频波传播,如图1.9所示。它的出现时间和持续时间不固定。
1.7 扩展F层
F层因不均匀性而扩散,入射波被散射,出现漂移层。这通常多发生在夜间、低纬度和中纬度,或者电子密度减小时。
二、高频通信
2.1 传播类型
高频波可以通过地面波、直射波和天波传播,如图2.1所示。只有天波经电离层反射可以实现长距离通信。
2.2 频率限制
每个传播链路都有可用频率的上下限。高于最大可用频率的波会穿透电离层,低于吸收限制频率的波会严重衰减,如图2.2所示。
2.3 可用频率范围
每条路径的最大可用频率取决于电离层条件。同时吸收效应也决定一个最小可用频率。通常给出一个统计频率范围,正常工作频率可保证90%可用性。
2.4 跳数
跳数表示波经过一次电离层反射到地面后覆盖的距离,E层和F层的最大跳数分别约1800公里和3200公里,如图2.3所示。
2.5 传播模式
根据电离层和跳数,可以归类为简单模式(如1F)或复杂模式(如E层+F层组合),见图2.4和图2.5。
2.6 E层屏蔽
如果工作频率低于E层双跳最大可用频率,信号将通过2E模式而不是1F模式传播,如图2.6所示。
2.7 频率、距离和仰角
这三个变量互相关联,相互约束,如图2.7到图2.9所示。
2.8 跳跃区
给定频率下,超过一定仰角信号会穿透电离层,在发射机附近形成接收不到信号的跳跃区。
2.9 衰落
多路径传播和电离层扰动会导致进入接收机的信号出现衰落,原理见图2.10。
2.10 噪声
除内部热噪声外,外部噪声主要来自大气噪声、星系噪声和人为噪声。可以选择某些措施改善噪声效应。
2.11 VHF和27MHz传播
VHF和27MHz主要依靠直射波传播,需要保证视线距离内的通信。在某些条件下,也会出现较长距离的传播。
2.12 MF天波传播
MF和HF波段的夜间传播依靠天波,因为夜间D层消失,吸收很小。
2.13 MF和HF地面波
MF和HF波段也可以通过地面波实现几百公里的海上通信。范围与频率和发射功率相关。
2.14 世界时
国际通信常用世界时或Z时,以避免不同时区的混淆。
三、太阳活动影响
3.1 短波衰落
耀斑导致D层吸收增强,使得信号衰落。低频率波首先和最严重受影响,可尝试使用更高频率,见图3.1和图3.2。
3.2 极区吸收事件
耀斑释放的高能质子进入极区电离D层,造成极区全频段吸收增加。可持续10天以上。
3.3 电离层暴
地磁场扰动导致电离层电子密度先增强后衰减。通常使用更低频率可以缓解影响。
参考文献
SWS - Other Topics - Introduction to HF Radio Propagation (bom.gov.au)
