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對流層電波散射傳播

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利用對流層折射指數隨機不均勻體對入射無線電波的再輻射,將無線電波傳送到視線距離以外的一種傳播方式。

 

1 對流層電波散射傳播 -正文

 
  對流層散射傳播方式發現於40年代末至50年代初。在此之前,一般認為微波和超短波不能被電離層反射,沿地球表面的繞射場又很弱,所以只能在視距範圍內沿直線傳播。如果需要在地面上進行超過視距的遠距離通信,則只能用一段段視距電路進行「接力」才能實現。後來,人們發現在大大超過視距的地方也可以收到微波和超短波信號,但並不是始終存在,而是由偶爾出現的對流層波導或超折射所引起的「反常」信號。第二次世界大戰期間及以後,用於雷達、調頻廣播、電視等方面的大功率發射機大量出現,人們經常在遠遠超過視距的地方接收到雖然很微弱,但卻始終存在的信號,其強度比用繞射理論所預算的強得多。這一實驗事實不能用已有的理論解釋。1950年,H.G.布克和W.E.戈登首先提出用對流層折射指數湍流不均勻體對無線電波的散射來解釋這種現象。隨後,其他學者又先後提出層反射理論、不均勻塊反(散)射理論。這些理論都能部分地解釋實驗結果,但又或多或少地和實驗結果不相符合。因此,有些書的作者謹慎地稱這一傳播方式為「微波、超短波超視距傳播」,而不肯定其傳播機製為散射。更多的人則採用習慣的叫法,稱它為「對流層散射傳播」。當然,這也並不意味著肯定傳播機制即為散射傳播。儘管理論上有「機制」的爭論,但在實驗工作方面卻獲得了迅速的進展。各國紛紛開設專門試驗電路,進行電波傳播試驗,同時進行半理論、半徑驗的分析、總結。很快對這種傳播方式的特性有了基本的了解。雖然理論上還不夠完善和精確,但實驗應用卻得到迅速發展,對流層散射通信電路紛紛建立。用10千瓦量級的發射機和10米左右直徑的拋物面天線,可以在300~500公里的距離內進行幾十路電話或一路電視信號的可靠通信。
  傳播機制  大氣層中,折射指數是直接影響電波傳播的參量。近似地看,對流層折射指數在垂直方向上隨高度的增加而減小,在水平方向是均勻的。因此,可以把折射指數的等值面看成是許多與地球同心的球面,這就是所謂的球面分層近似,但實際上,等值面很少是同心球形狀的,而是具有各種尺度的不均勻體。有些等值面形成形狀不規則的、隨機變化的閉合面。在這些閉合面內的折射指數高於(或低於)外面的數值,這就是折射指數隨機不均勻體。它們呈扁平形狀,水平方向上的尺度大,垂直方向的尺度小
  折射指數不均勻體在入射電波的照射下會產生二次輻射,使原來朝一個方向傳播的電波在偏開的方向上也有能量傳播。偏開的角度越大,能量就越小。發射天線輻射的部分能量,因接收天線和發射天線波束相交公共體中不均勻體的作用而偏離原來的方向,能夠被布置在地平線以下的接收天線收到。這就是對流層散射傳播的機制。當然,這裡所說的不均勻體包括尺度很小的不均勻體,也包括尺度很大的折射指數突變的層狀結構,但是,湍流引起的小尺度不均勻體是經常存在的,而起反射作用的層結僅在一部分時間內出現。在公共體積中有很多不均勻體,其數目、位置和取向都是隨機變化的,因此,各個不均勻體所散(反)射的信號具有隨機變化的幅度和相位。這些信號在接收天線處疊加成總的接收信號,其幅度和相位均隨機變化,這是散射信號的特點。相反,層反射信號比較穩定,強度也較高,因而可以利用接收信號的這些特點來區分傳播機制。
  信號特性  散射接收信號的變化可分為慢變化和快變化(快衰落)兩類。慢變化指變化周期在 1小時以上的變化,通常由氣象條件發生變化而引起。散射接收信號具有明顯的季節變化,在一年之中,有一個傳輸損耗最大的月份,也有一個損耗最小的月份。散射信號還有明顯的日變化,一般是午後的信號最弱,清晨信號最強。傳輸損耗還隨工作頻率而變化:頻率在3吉赫以內時,傳輸損耗與頻率的三次方成正比。傳輸損耗隨距離變化的規律比較複雜。粗略地說,距離每增加100公里,傳輸損耗要增加十餘分貝。信號變化周期在 1秒以內的快速起伏稱為快衰落。它是由於許多相位和幅度都隨機變化的信號相互疊加而引起的。快衰落的次數一般從每秒一次到每秒十幾次。它的包絡起伏服從瑞利分佈。為了對付這種快衰落和保證通信的可靠性,在對流層散射通信電路中,需要採用分集接收技術。適合於散射通信用的分集技術有空間分集、頻率分集、極化分集和角分集等幾種。
  接收對流層散射信號時,還會遇到天線增益降低的問題。這是因為到達接收天線口面上的無線電波不是平面波,其幅度和相位都是不均勻的。因此,在天線的照射器上,來波的各個成分不是同相相加,結果信號就沒有平面波時那樣強,即天線的增益和平面波時相比減小了。天線的口徑越大(增益越高),這一現象越嚴重。
  對流層散射傳播的發現,為微波、超短波多路通信提供了新的途徑,全世界已建立許多對流層散射通信電路。同時,對流層散射傳播研究還促進了電離層散射傳播、流星余跡散射傳播的發現和湍動隨機介質傳播理論的研究。由於衛星通信,特別是同步衛星通信的出現,對流層散射通信的重要性有所降低。但是,它作為一種傳播方式,在特殊地區通信、干擾協調距離計算、對流層介質遙感、遠距離偵察接收和超視距雷達等方面,仍有廣泛的應用前景。

 

2 對流層電波散射傳播 -配圖

 

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