葉淋美，薛 珂，陳弘揚

(國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361004)

“陸地—海洋”分段路徑電波傳播特性測試

葉淋美，薛 珂，陳弘揚

(國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，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ITU-R P.1546建議書提及的經(jīng)驗模型進行了預測和測試。

電特性；電波傳播；分段路徑

1 引言

電波傳播是無線電收發(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,電波離開天線進入媒質(zhì)進行傳播。各種物理特性和時空結(jié)構(gòu)的傳導媒質(zhì)對電波的傳播可能產(chǎn)生兩個效應,一是實現(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-電離層波導引導；二是對電波傳播的限制作用,包括衰減與擾動等傳播效應,導致信號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,如無線電導航與雷達定位誤差和衛(wèi)星信號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,電波的傳播機理復雜。

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,電波傳播特性同時取決于媒質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和電波特征參量。對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)勢的傳播信道和傳播模式。各種信道中,媒質(zhì)復折射指數(shù)（包括介電常數(shù),磁導率與電導率）的空間分布和時間變化及邊界狀態(tài),是傳播特性的決定性因素。因此,無線電波傳播經(jīng)過不同媒介時所表現(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)境對地波傳播的影響較為明顯?？拷乇砻娴臒o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,需要根據(jù)無線電波本身的參數(shù)（如頻率/波長）來確定傳播信道先驗知識[1]：

⊙ 電磁波波長比地面粗糙度大得多時,地面可近似認為是光滑的。

⊙ 傳播路徑地面參數(shù)變化不太大時,可認為是均勻的。

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

⊙ 收發(fā)天線相距較遠,則要考慮地球的曲率,看作是一個球面。

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

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,電導率σ和相對介電常數(shù)εr越低,傳輸距離越遠。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)導電率σ對地波傳播有顯著的影響。

表1 地波傳播的分界距離（km）

在實際情況中,地層還可能出現(xiàn)成層結(jié)構(gòu),即各層的導電率和介電常數(shù)差別較大,此時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,空氣越來越稀薄,折射率有所下降。對于某些精確的導航和授時系統(tǒng)來說,由于大氣的不均勻性使地波傳播速度發(fā)生變化,接收點信號的相位延遲不同,會給這些系統(tǒng)帶來直接的誤差。

3 ITU-R P.1546混合路徑測試

靠近廈門沿海的金門島位于兩岸之間,島上設有專門轉(zhuǎn)發(fā)臺灣VHF波段廣播的無線電臺站,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試條件。本文根據(jù)ITU-R P.1546建議書中的場強插值方法來預測接收場強,結(jié)合金門方向的VHF調(diào)頻廣播監(jiān)測開展實驗測試。

3.1 發(fā)射和接收

金門縣調(diào)頻廣播臺站信息,如表2所示,調(diào)頻廣播發(fā)射信號源的發(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)緯度說指示的地點是金門縣太武山。為了研究不同的分段路徑下的傳播特點,選取3個測量點進行測試,詳細信息記錄如表3所示。

表2 金門FM廣播電臺信息

表3 信號接收測試點信息

信號到達接收點的傳播路徑如圖1所示。從發(fā)射端到3個接收點所經(jīng)歷的3條路徑均為“陸地—海洋”路徑,其中“T→R3”路徑較為復雜,海洋部分可能受到其他島嶼影響效應。

圖1 信號發(fā)射點和測試接收點位置分布

圖2 混合路徑測試示意圖

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

3.2 預測理論

ITU-R P.1546模型畫出了典型頻率、距離、天線高度情況下的場強預測曲線,為了適應實際工作中的特殊參數(shù),需要進行插值修正。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。只考慮兩個主要因素的插值,距離插值和發(fā)射天線高度插值。

3.3 預測場強與測試值

利用監(jiān)測接收機在上述實驗點位置開展監(jiān)測,獲得目標頻點的信號接收場強值。ITU-R P.1546-5曲線取1kW有效輻射功率1%時間的場強值,為了在同等情況下的場強對比,監(jiān)測數(shù)據(jù)取96.3MHz和99.6MHz兩個信號的測量值,與模型預測值比較情況如表4所示,其中海洋部分插值曲線采用冷海路徑曲線。

表4 接收點預測值和測量值

結(jié)果表明,通過ITU-R P.1546模型插值修正的預測場強與實際接收測量值相差不大,除信號無法收到情況外。雖然ITU-R P.1546經(jīng)驗曲線對路徑地形（歐洲地形）、測量時間（時間概率）、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（標稱高度）等參數(shù)取值具有特殊性,但在實際應用過程中,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)測試,結(jié)果與預測值相近,驗證了該模型在中國沿海無線電波傳播研究中的適用性。

4 結(jié)束語

本文的對“陸地—海洋”分段路徑的近地電波傳播特性進行了探索,研究了幾種涉及地表面波傳播模型的方法,重點進行了ITU-R P.1546經(jīng)驗模型在中國沿海地區(qū)分段路徑的實驗驗證。結(jié)果表明該模型具有普適性,滿足實踐應用需求,能夠起到對無線電監(jiān)測工作的理論輔助作用。

[1]聞映紅．天線與電波傳播理論[M]．北京：清華大學出版社,2005,11

[2]頻率在10kHz和30MHz間的地波傳播曲線．ITU-R P.368-9.2007

[3]DAVID A.HILL, SENIOR MEMBER et al.HF Ground Wave Propagation Over Mixed Land, Sea, and Sea-ice Paths[J]. IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, 1981, 19(04), 210-216.

[4]潘威炎等．非均勻光滑球面地波衰減因子的拋物方程算法[J]．電波科學學報,2006, 01, 37-42

[5]30MHz至3000MHz頻率范圍內(nèi)地面業(yè)務點對面預測的方法．ITU-R P.1546-5. 2013. 1

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 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）12-0070-03