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maesen 2010-12-26 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《短波传播基础pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含短波传播基础文:DennisJLusis,WLJDL译:BDABPdeBYDX在业余无线电的众多话题中可能没有其它话题能像电磁波传播这样吸引人也没有符等。

短波传播基础文:DennisJLusis,WLJDL译:BDABPdeBYDX在业余无线电的众多话题中可能没有其它话题能像电磁波传播这样吸引人也没有其它话题能像电波传播这样困扰着新手了。传播就是指信号是如何从一个电台传到另一个电台的。无论你怎么看待传播这一问题它对于我们所做的每一个QSO不管是本土的聊天还是与稀有的DX电台通联总是一个最基本的问题。了解无线电波如何传播的基础知识会使你对这一业余爱好越发感兴趣并乐在其中。本文将向你介绍短波传播的主要模式。而VHF和UHF传播则是完全不同的主题了。地波与天波不管你使用哪种天线从天线发射出的无线电波可以大致分为两类地波与天波。简单地说地波就是没有离开底层大气直接从发射机到达接收机的电波(图)。举个例子在HF波段当你与邻近城市的电台进行联络时就是利用地波传播。远达英里的业余无线电通联都可以利用地波。然而业余无线电台能够建立全球范围的通联靠的是天波。顾名思义天波就是不沿着地球表面传播的波天波向天空传播离开地球表面(图)。看到这里你可能会问我们怎么能利用向宇宙空间传播的信号进行联络呢?毕竟我们的接收机都是在地球上的呀!原因其实很简单电波总会以某种办法回到地表被我们的接收天线捕获。是什么东西“说服”了我们的信号使它返回地面呢?幸运的是在上层大气中有一个区域可以很好地(有时也不是太好!)完成这一任务。这一个区域被称为“电离层”而正是因为它的存在我们必须注意理解HF传播的基本机制。图地波与天波的一个例子电离层的性质电离层得名于“离子”这一术语。离子是一自由电子或其它带电的微粒。在大气层中在离地面大约到英里之间的区域会发生电离现象。在这一区域里气压很低离子在发生碰撞重新形成不带电的原子之前可以自由地行进一段相当长的时间。当无线电波进入电离层时电波的传播路线会由于“折射”现象而被改变(图)。在适合的条件下电波可以有足够的转向回到地表这样电波就可以被地面上的电台接收到了。大气电离的主要原因是由于来自太阳的紫外线辐射。因此太阳的活动情况对传播起着非常重要的作用。稍后我们还会讨论我们所关心的几个太阳活动指标。图在一定的条件下入射电离层的电磁波可以被折射回来路径发生改变。这样在地面上就可以听到入射电离层的信号。可能这个信号来自几千英里外的发射天线。离子“蛋糕层”通过对电离层的进一步了解我们知道电离层是由几层一定浓度的离子层一层一层叠起来的每一层都与地表的曲面同心。在每一层中中心处的密度最大越往边缘密度越低(图)。但是电离层的电离度是一直变化着的这既有一日内的变化也有季节间的变化同时太阳的活动状况以及其它一些因素也会引起电离层电离度的变化。这些变化直接导致了HF传播的不停变化这经常使很多老练的操作员都感到沮丧。每一层都不相同虽然电离层中的每个子层都是由自由的离子组成但各层之间的相似性(起码对于我们的目的来说)就只有这一点了。这个“蛋糕”的每一层都有独特的性质而且你可能会对它们对传播的影响感到惊讶。电离层的最底层称为D层。这一层位于距地表到英里处(图)。D层只存在于白天通常在日落后分钟内消失。由于它离地表很近所以D层位于大气层中密度相对较高的位置。在这一层中离子经常会发生碰撞并重新组合成中性的粒子因此这一层在黑暗中会迅速消失。D层对火腿们来说不是特别有用。这一层并不折射或传递信号而是吸收了信号中的很大一部分。穿过浓密的D层的电磁波会碰到相当多的离子并使它们运动起来。因此电磁波中的很大一部分能量都在转换为动能或热能的过程中消耗掉了。因为长的波前会比短的波前让更多的离子获得动能我们可以推论在D层中随着信号频率的降低更多的信号能量会被吸收(图)。另外电磁波进入D层的角度对能量的吸收程度也有影响。垂直入射的电磁波路程最短因此吸收也最小以低仰角发射的电磁波在D层中传播的路径要长得多因此吸收会大些。由于D层中这些因素的影响白天中、和米波段只适于短距离通信。在晚上D层消失这些波段经常可以进行几千英里的DX通信。而在米及以上波段D层的日间吸收并不显著这是高波段上白天也可以进行DX通信的部分原因。D层上面的电离层是E层这也是支持无线电波传播的最低一层电离层。E层位于距地表到英里处其性质与D层相似。例如E层电离度最高的时候出现在当地时间下午前后而电离度会在日落后迅速下降。在E层电离度最高的时候(中午)这一层会吸收低波段电磁波的部分能量但没有D层吸收得多。还有一个有趣的现象值得注意:X射线和进入大气层的流星也会引起E层的电离。另外在E层中也会发生VHF传播称为“偶发E层传播”。但这已超出本文的讨论范围有兴趣的读者可以查阅解释这一现象的相关资料。HF波段的DX通信除了偶然会通过E层外我们几乎完全依赖最外面的F层。在离地表到英里处稀薄的大气使离子的重组比在其它层中慢得多。正因为这样F层可以在整个晚上都保持高度电离。和其它层一样F层的电离度在正午前后达到最大大约本地日出前一小时电离度最小。关于F层有一点很有趣:它会趋向于分成两层即F层和F层。这一分裂在白天出现并使在下面的F层拥有很多E层的性质。因此日间的传播主要由F层支持。晚上F层散开而F层的高度稍微下降。图在其它所有条件相同的情况下低频率电磁波比高频率电磁波受到更强的D层吸收。较大的波前必须在D层中传播更远的距离。图电离层中各子层的对地高度。图中所示的距离并不是绝对的而是会根据文中所述发生改变。折射:关键的要素我简要地提到过折射是天波返回地面的机制。这一现象最关键的一点是电磁波弯曲的角度。这主要受两个因素所影响离子的浓度和波长(或频率)。在其它条件一样的情况下电离度高的时候电磁波会弯曲得更厉害。另外弯曲程度也会随波长的增加而增加(或换另一种说法:弯曲程度会随频率的增加而减小)。这两个因素同时作用最终决定了一列电磁波能否返回地面。看看图的例子。图A中的F层的电离度较低这是夜间的典型情况。在这种条件下MHz的信号没能折射足够的角度不能返回地面。但是MHz的电磁波的波长较长因此折射得较厉害于是可以返回地面。在图B中电离层的电离度较高比较像正午的情况。现在由于电离度足够高两列波都被折射回地面。注意MHz的电磁波的弯曲程度不如MHz的电磁波因为MHz的电磁波波长较短。图图A中较低的电离度并不足以使MHz的电磁波折射回地面但这已足够使MHz的电磁波折射回来。在B中较高的电离度使MHz的电磁波可以折射回来。现在你应该理解电离层折射的基本原理了。是时候介绍一个与日常操作有关的简单而有用的因子了。“最高可用频率”(muf)定义为在当前条件下两指定点之间可以进行通信的最高频率。例如在某个晚上纽约和芝加哥之间的muf可能为MHz而在同一时刻纽约与丹佛之间的muf可能为MHz。为什么会这样呢?要回答这个问题我们必须把另一个因素纳入我们的讨论仰角。我们已经知道电磁波的折射程度由两个要素决定:波长和电离度。但在一个固定的频率和一定程度的电离度之下电磁波可以以不同的角度入射F层。而这会如何影响传播呢?让我们深入地分析一下。图A显示了MHz信号典型的可能发生的传播情况。以高仰角发射的电磁波入射电离层后不能折射回地面而是进入太空中。而随着仰角的下降当仰角在达到一定的角度后电磁波可以折射回地面。这个角度称为“临界角”所有发射仰角低于或等于这个角度的电磁波都可以折射回地面。临界角也直接与一个被称为“跳跃距离”或“跳跃区域”的现象有关。如图所示这一区域(或距离)是任何常规的天波都无法到达的。跳跃距离的长短随临界角而变化。表列出了各个波段的平均跳跃距离。表MF和HF业余频段的平均跳跃距离波段(米)正午*(英里)午夜*(英里)(只有白天有天波传播)(只有白天有天波传播)*路径中点处的当地时间图B显示了电离层对低波段(MHz)信号的折射作用。图B的其它条件与图A都一样我们可以看到MHz信号临界角比MHz信号高得多而跳跃距离则短得多。在MHz波段我们可以在纽约与芝加哥的电台进行QSO。而在MHz由于跳跃区域过长的关系这个QSO就无法进行。为什么我们所要通联的两个地方的muf会不一样这个问题的答案现在应该很清楚了!多跳传播图频率、临界角与跳跃距离之间的关系示意图。解释见文。为简单起见我在前面只提到了电磁波只被电离层折射一次“跳”了一下的情况。但F层有相当的高度单跳可能达到的最大距离只有大约英里。因此超过这个距离的通信需要折射多次这被称为“多跳传播”。图B显示了返回地面的电磁波又被反射到电离层然后再被折射回地面。这一现象可以出现好几次于是电磁波就可以绕着地球传播了。因为在每一跳中都会损失相当多的能量所以采用低仰角辐射更为可取些。低仰角辐射比高仰角辐射所需的跳跃次数少一些。Hutchinson在QST杂志中发表的一篇极好的文章中阐述了决定辐射仰角的因素。多跳传播损耗中的另一因素是信号是被陆地还是水反射回电离层。可能你已经猜到水的反射比陆地反射好得多。在多跳传播中电磁波会在水面上高效率地反射。是不是很奇怪为什么来自海边电台的信号总是很强呢?太阳起着重要作用我们知道太阳在短期和长期的传播变化中起着主要的作用。大体地说原因很简单:太阳活动的变化影响着太阳电离辐射的输出。这又影响着我们大气层的电离度。从逻辑上说要预测传播的状况我们必须研究太阳的活动。和天气预测相类似我们不能准确地预测传播状况。但是我们可以用不同的太阳活动因子来比较好地预测各个频段的状况。到目前为止你一定深信太阳黑子与传播状况有密切的关系。这些灰黑色的斑点已被证明与太阳的电离辐射输出有直接的关系。在某一时刻可见的太阳黑子越多我们就可以预计将会出现越多的离子。好在太阳黑子的行为一直都被研究着并在过去的年内有良好的记录。现在我们知道太阳黑子(或其中的黑子群)以恒定的速度从太阳的东面移动到西面。这一运动是由于太阳的自转而引起的。太阳大约天自转一圈。可能太阳黑子的性质中最为显著(起码对火腿们来说)的就是其年的黑子活动周期了。记录显示太阳黑子活动的峰值每年出现一次误差为前后一年。随着这个峰值的出现平均muf会升高HF传播状况总体上也会好些。上一次峰值出现在年春天(译者:请注意本文的写作时间为年)当时在白天米波段对全世界开通而且经常维持到夜晚。甚至有时连米信号也可以通过F层传播这说明电离层的电离度很高。太阳黑子的数目与太阳通量太阳黑子数目与太阳通量是测量太阳活动程度的两个主要参数。太阳黑子数目的观测(虽然不是实际的太阳黑子数目)每天都会被记录下来并计算月平均值和年平均值。一个月的“平滑太阳黑子数”是该月前六个月与后六个月数目的中值。这一数目也称为“Wolf数”以其提出者命名或称为“苏黎世平滑太阳黑子数”因为直到最近国际上太阳黑子数的记录都存放在那里。典型的平滑太阳黑子数范围是从太阳活动年周期中最小值的个位数到-年的极大的太阳黑子高峰时的超过。太阳通量数给出了电离条件的另一个参数。这一数字代表了在MHz频段发现的太阳噪声的数量。研究表明在这个频率上噪声的幅度与电离层中的F层的电离度密切相关。从年起这个参数就一直被记录下来。你可以在每个整点后分钟通过收听WWV传播公告获得每日的太阳通量数。解释太阳黑子数与太阳通量数的方法已经超出了本文的讨论范围。有兴趣的朋友可以参阅其它参考资料。,传播预测理解传播的基本原理可以帮助你避免在对信号的路径判断上出现重大的错误。传播状况的正常波动可能不会引起你的注意但这可能会使你错过与DX朋友进行预约的通联。关于这一点进行一点传播预测可能会很有用。像天气预报那样传播预测也不是准确的但起码可以“在风暴前”给出一点警告。传播预测实在是一门很棘手的科学。因此新手们最好从已有的预测中熟悉一下。值得再次提起每个整点后分钟的WWV传播公告。每个月QST杂志都会在“How’sDX”栏目中给出容易使用的图表。这些图表与WWV数据一起组成了对你的操作计划十分有用的工具。WAW的公告服务中还有其它传播公告。公告的时间表可以在隔月的QST杂志上(见目录)(译者:本文刊登自QST杂志所以看原文的读者只要往前翻就可以看见目录)或写信给ARRL通信部得到。想进行DX通信的火腿可以考虑加入几个很好的DX公告板中的一个。-除了有关国外DX电台位置的信息外这么公告板还提供最新的传播预测帮助你“捉住稀有电台”。快乐地搜索我希望这篇文章可以帮你消除一些关于传播的困惑。随着你不断地操作在各个波段上积累起经验传播状况对变成“老一套”的东西对你来说很容易驾驭了。但请记住只要你觉得传播状况是想当然的不足以事情的时候它就会突然发生很大的变化使你感到惊讶。这可以称为“墨菲定律”或“母亲的本性”这正是传播状况永远的研究都是这么有趣的原因!注:公里=英里(译者:原文把除法误为乘法)。MSWilson,“MidlatitudeIntenseSporadicEPropagation,”QST,DecandMarchCLHutchinson,“GettingtheMostoutofYourAntenna,”QST,July,p这一对多跳传播的解释未免过于简单化。对其它几个可能的理论的解释见《ARRL天线手册》版年p。现在太阳黑子数的记录与编辑都在比利时的太阳黑子指数数据中心(SunspotIndexDataCenter,avenueCirculaire,BBrussels,Belgium)。GHall,ed,TheARRLAntennaBook,thed(Newington:ARRL,),ChapterETilton,“TheDXer’sCrystalBall,”QST,June,AugustandSeptemberTheDXBulletin,VernonAve,Vernon,CTTheLongIslandDXBulletin,POBox,Huntington,NYQRZDX,POBox,Richardson,TX

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