无线电波的传播特性

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无线电通信就是不用导线,而利用电磁波振荡在空中传递信号,天线就是波源。电磁波中的电磁场随着时间而变化,从而把辐射的能量传播至远方。

在莫尔斯和贝尔先后发明了有线电报和电话之后,很多科学家对电磁现象大量研究。直到1831年,在英国,法拉弟首先发现了电磁感应现象,并且预言:电与磁的传播是和光一样的一种波。

　　英国科学家麦克斯韦从1850年就开始对法拉弟提出的课题展开研究。他总结了前人的研究成果,用数学方法对法拉弟的电磁场思想做了严格的论证,并在1864年做出“电与磁的交替转化过程,是一种波的传播形式,是一种光波”的论断,他称这种波为电磁波。

　　在麦克斯韦首先提出电磁理论后,又过了24年,才由德国伟大的物理学家赫兹通过实验证实了麦氏理论的正确。赫兹设计了一个能够接收电火花的装置,结构极简单。把一根导线弯成圆形,使两端之间仅留一微小的间隙,称它为“共振子”。“共振子”为什么也有火花发生呢？赫兹认为,这一定是电振荡以电磁波形式通过空间传播过去的。赫兹于1888年公布了自己的实验结果,证实了电磁波的存在。

　　赫兹的实验成果震惊了世界,许多科学家继续开展对电磁波的研究。1890年,法国物理学家布朗利发现,将金属粉末即紧缩成块,但是它的电阻减小了,使电流容易通过。这种装有金属粉未的玻璃管被称为“布朗利管”,又称“粉末检波器”,它接收电磁波的灵敏度比赫兹的“共振子”要高得多。

　　1894年,20岁的意大利青年马可尼从杂志上读到悼念赫兹的文章和他生前的感人事迹,受到极大启发:“如果利用赫兹发现的电磁波,不需要导线也可以实现远距离通信了”。马可尼为自己的大胆设想所激动下宏愿,决心开拓无线电通信事业,把赫兹的研究成果付诸实际应用。在家人的支持下,马可尼就在自己家中进行实验,他用赫兹的火花放电器作发射机,用布朗利的金属粉未检波器作接收机经过一个多月的努力,终于完成了电磁波的发送和接收实验,并在实验中发现,利用天线可使发射距离增加。经过反复试验、改进,在1895年,马可尼成功地进行了约3公里的无线电通信。几乎与马可尼同时,俄罗斯军官波波夫也研制成功了一台无线电收发报机。

　　然而,马可尼向意大利政府提出的专利申请却未被获准。1896年,马可尼回到他母亲的故乡英国。他在英国不仅得到了无线电通信发明专利,而且受到学术界的高度重视。1897年,在伦敦设立了马可尼无线电报公司。后来,马可尼利用大型发射天线杆成功地进行了飞越多佛尔海峡的无线电通信实验,建立起英、法两国的无线电联络。1901年12月12日,马可尼又完成了自英国到加拿大,横越大西洋的无线电通信实验,并取得圆满成功。据说,当时马可尼的实验采用的是用风筝悬挂天线的方式。

　　由于马可尼发明了无线电报装置,实现了人类史上第一次远距离无线电通信,为此,他在1909年荣获诺贝尔物理学奖,与波波夫同被人们誉为“无线电之父”。
无线点播的传播途径分为五类1)地波传播:地波传播是指电磁波沿地球表面饶射传播。当天线很低时,电磁波距地面很近,又加之天线很长,很容易被地面吸收导致迅速衰减。这种衰减与地面的性质(导电系数的大小)、电磁波的极化方式和频率有关。因此长波一般用于地波传播。这个波段,我国一般用于电力线载波,在前苏联用于广播。最近,我国在部分山区用于近距离广播。它的频率一般规定为30KHz--400KHz,这个频率称为长波。中波的频率是500--1600KHz,也是地波传播,我国用于调幅广播。(2)电离层传播:由于太阳和各种宇宙射线的辐射,引起空气分子的电离,而形成了电离层。电离层分三层。D层(距地面高度60--80Km)、E层(100--120Km)、F1层(200Km)、F2层(200-900Km),中波和短波都能借助电离层的反射传播到较远的距离,最常用用于短波通信。短波频率为(1.5MHz--30MHz)。百年前,三声短促而且微弱的讯号,向世界宣布了无线电的诞生。一九○一年,扎营守候在讯号山(Signal Hill位于加拿大东南角)的意大利科学家马可尼,终于接收到了从英格兰发出的跨过大西洋的无线电讯号,这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西,而是一种实用的通讯媒介。此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了。
虽然马可尼的试验结果令人相当振奋,可是当时一般人认为无线电传播方式类似光波,发射之后,绝对沿直线方向进行传播,从英国到加拿大,再怎么说也无法完成直线的无线电通讯(因为地球表面是弧形的)。当时的科学理论更证明,从英国发射后的无线电波一定直驱太空,怎么可能扺达加拿大？可是从马可尼用简陋的无线电设备征服长距离通讯的试验记录来看,白天,讯号可以远达七○○英哩,晚间更远达二○○○英哩以上,这些试验数据,使得以往的理论所推断出来的必然结果,开始发生动摇了。
与此同时,MR.KENNELLY及MR.HEAVISIDE不约而同地分別提出了同样的看法:就是在地球大气层中有电子层的存在,它可以像镜子般,把无线电折射回地球,而不致于沿着直线方向直奔太空,由于这种折射回返的讯号,使得远方的电台可以互相通讯,这种对无线电波有如镜子般作用的电子层称做KENNELLY HEAVISIDE层,但现在一般称之为电离层(lonosphre),而短波远距离广播和通讯之所以如此发达就是受了电离层之益。
从一九二五年开始,许多科学家便开始进行电离层的研究工作,由向电离层发射无线电脉冲讯号,然后从电离层反射的回波(Echo)中,可以了解到电离层的自然现象,所得到的结果就是:地球上空的电离层就像是一把大伞覆盖着地球,而且随着白天或夜晚或季节的变化而变动,同时发现某些频率可以直接穿过电离层,而有些频率则以不同角度折返回地球表面,虽然对电离层已经有了某种程度的了解,而且短波的国际通讯也有了很大的发展,这六十多年来,科学家从不放过任何继续研究电离层的机会,甚至火箭发射、人造卫星试验及最近的太空穿梭机飞行,都要做有某些实验,以期能更进一步了解电离层的变化规律,最近借助超高速计算机,建立了各种假设的电离层分析模型,科学家希望能够像天气预告那样,可以预测未来几天的电离层状況。短波通信曾为弃为无用的频段多年,在1923年美国和法国的业余电台仅使用了几瓦的功率,利用100m波长实现了横越大西洋的通信,业余无线电爱好者的这一发现,为短波广播通信奠定了基础。(3)空间传播:也就是直发射天线和接收天线必须在视距范围内,这时电波由直射波和地面反射波组成相干传播,因此接收点的场强为二者之和。这种传播方式用于超短波和微波通信。频率在30MHz以上的调频广播和电视信号发射都是空间波传播。超短波通信从理论上讲,只能在视距范围内进行。其计算公式为

                               
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,r0为视距,h1为发射天线的高度,h2为接收天线的高度。但在某些特殊情况下,通过一系列的绕射、折射、散射或反射,其传播距离大大超过视距。(4)对流层的传播:从地面上升到离开地面大约10Km的范围称为对流层。由于对流层中大气温度、压力和湿度的变化,使大气介电系数随高度而改变。当电波通过这些不均匀的大气层时,就会产生反射、折射、和散射。只有超短波才能利用对流层进行远距离传播。(5)外球层传播:离开地面900--1200Km的高度称为外球层。在100MHz以上的频率可以利用外球层进行宇宙通信。卫星通信、卫星电视就是这种传播方式。

                               
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国际短波广播米波段表
波段	频率范围	波段	频率范围
(米/公尺)	(兆赫/MHz)	(米/公尺)	(兆赫/MHz)
120M	2.30-2.495	25M	11.65-12.05
90M	3.20-3.40	21M	13.65-13.80
75M	3.90-4.00	19M	15.10-15.60
60M	4.75-5.06	16M	17.55-17.90
49M	5.95-6.20	13M	21.45-21.85
41M	7.10-7.30	11M	24.67-26.10
31M	9.50-9.90	.	.

在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时,无线电传播损耗是一个关键参数。无线电通信系统若不进行科学的频率指配和严格的系统设计与场强预测,会使系统之间产生严重干扰而不能正常工作。为了保证无线电通信用户的通信质量,确保无线电波发射的业务覆盖服务区和电波传播的可靠程度,必须仔细地计算从接收天线到发射天线之间的传播损耗。理论上讲,在自由空间无线电波的传播损耗大小与传播距离的平方及使用频率的平方成正比关系,但是在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时,同时还要考虑在传播路径上存在着各种各样的影响,如高空电离层影响,高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等,因而电波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。在研究电波传播特性时,通常以数学表达式来描述这些传播损耗特性,即所谓的数学模型。无线电波传播模型通常是很复杂的,必须对不同的频段使用不同的电波传播模型,以预测电台覆盖和传播场强。下面简要地叙述几种传播方式(详细数学公式略)。
　　VLF(f< 30kHz)　频率低于30kHz的电波,传播损耗近似等于自由空间传播损耗,即相当于电波在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播,不发生反射、折射、绕射和吸收现象,只存在因电磁能量扩散引起的传播损耗。在此频段内,电波在电离层与地球之间可以以波导方式沿地球表面进行传播。
　　LF(30kHz< f< 300kHz) 在这个频段内,有两种重要的传播方式:地波方式及电离层天波方式。天波信号幅度具有明显的昼夜变化,这是由于电离层吸收和变化的缘故。
　　MF(300kHz< f< 3MHz)　在该频段内,传播方式也是地波和天波。当评价地波时,还需要知道大地的电气特性,特别是大地电导率的数据。对150kHz到1.6MHz频率频段,采用天波传播的预测方法。在MF广播频带内,天波传播只假定发生在夜间。在1.6MHz以上频率,HF传播预测方法才开始有效。超过1.6MHz时,天波对移动通信明显地变得更为重要。
　　HF(3MHz< f< 30MHz)　在该频率范围内,信号的传播一般是通过电离层,主要以天波方式传播,因而表现出较大的变化。电离层的传播特点主要表现为会造成长途传输的多径失真,出现信号干扰甚至中断操作的情况。由于该频段频谱拥挤以及长距离传播应用两方面的原因,人们不得不使用相当复杂的电波传播预测模型。使用电离层特性来预测HF传播时,ITU-R的P.533建议的预测模型可用来在任意路径上根据季节、太阳黑子数等预测基本的和可用的最高可用频率(MUF)、场强、接收功率、信/噪比和可靠性等。
　　VHF和UHF(30MHz< f< 3GHz)　该频带内,安排有大量固定和移动业务。该频段除了低端之外,通常不是通过有规则的电离层来进行电波传播的。气候只对超折射和传导有影响,这是由大气折射指数中正常梯度的变化引起的。除了自由空间传播外,对流层散射和绕射也是很重要的。我们可以按照下述各种特定传播环境的传播模型来估算电波的传播损耗。
　　(1)自由空间传播模型　通常把电磁波在真空中的传播称之为“自由空间传播”。 在某些环境中,假定有用信号只是由于在自由空间所产生的传播损耗。也就是说,把大气看成为近似真空的均匀介质,电磁波沿直线传播,不发生反射、折射、绕射和散射等现象,这时在大气中的传播就等效于自由空间传播,它只与频率f和距离d有关。
　　(2)平坦大地的绕射模型　适合大于视距的传播范围,对有用信号的预测需要考虑地球的曲率。
　　(3)粗糙大地上的传播模型　适合于世界特定地区和特别粗糙大地上的传播。
　　(4)OKUMURA-HATA模型　以距离和发射机天线的高度为依据。校正这个损耗须要以建筑物在接收位置附近的百分率、路径类型(陆地、海洋、混合)和大地不规则度为依据,主要用于大城市和郊区环境的传播损耗和场强预测。
　　(5)LONGLEY-RICE(ITS)模型　可用来估算地波和对流层散射的传播衰减。这个模型是统计模型,也就是预测中值场强和估计信号随时间与空间的变化。另外,还必须考虑到其他有可能造成干扰的传播机理,包括电离层传播机理,有可能随季节和昼夜时间变化;通过偶尔发生的E层,有可能允许在约70MHz频率上进行长距离传播。此外还有超折射和大气波导等。
SHF和更高频率(f>3GHz) 如上所述的各传播因素(除天波而外),均适用于更高的频率,但这时必须考虑衰减、散射以及由降雨与其它大气微粒产生的交差极化。当频率大于10GHz时,雨滴所引起的衰减,会使信号质量严重下降,估算衰减概率分布的方法,通常以超过0.01％时间的雨强密度R0.01(mm/h)为基础。这个值应以长期降雨观测为基础,大约以一分钟的时间间隔进行取值。20GHz以上,必须考虑大气衰落,包括气体衰落和降水衰落。
频率与波长的关系和转换
如何把波长转换成频率,或做相反的转换呢？虽然一个电台以固定的频率广播,但是 "波长"也常被拿来使用。例如,在说明短波传导状況时,使用31米波段,比使用"9500KHz到9900千赫/KHz"(这是在31米波段內规划用做国际短波广播的频率范围)简单多了。把频率换算波长的的公式是波长(米/公尺)=300,000,000/频率(兆赫/MHz),分子300,000,000米/公尺是无线电波在大气中的传播速度(即光速),所以15兆赫(MHz)的波长是,波长=300000000/15000000=20米/公尺。当然短波广播规定有许多的频率范围,要记住这些频率与相对的波长是挺麻烦的,但是只要抓住一个要领,便不成问题了。首先记得一个频率与波长的关系,例如15兆赫(MHz)是20米,然后频率增加一倍,波长便减半,相反的频率减半,波长便加倍。例如15MHz是20米,那么30MHz就是10米,而7.5MHz则是40米,这样就容易多了。
在我们了解了频率与波长之间的关系后,当短波电台报出频率及相对波长时,我们更可较容易地在收音机的刻度表上找到该收听的位置,因为传统型(指针式)短波收音机的刻度表上,都有波长或米波段的标示。
如果上述太复杂,您也可以这样简单地理解:频率是用来表示某电台的精确位置;而波长却是用来表示该电台的大概位置,米波段是用来表示某小段频率范围。
如19米波段表示频率15.10 –15.60兆赫范围。(请参考后文的国际广播米波段表)
白天,在广州,您可以在短波19米波段收听到中央人民广播电台第一和第二套节目,准确频率为15.48,15.50,15.55兆赫。

业余无线电通信

业余无线电通信以其独特的魅力,吸引了全世界众多的爱好者参与这项活动。目前全世界的业余电台数量已超过二百万座。业余电台在全球的分布密度与地区的经济发展成正比关系。一些发达国家如日本、美国等,普及程度非常高,有着广泛的群众基础。以日本为例,平均100个人中就有一部业余电台。这是一项技术性较强的运动,它综合了电子、外语、计算机,甚至天文、地理、地区文化等诸多知识,同时又有极强的趣味性,通过参与这项运动,可以得到很多的乐趣,提高生活质量。尤其是对于青少年,可培养他们的动手、动脑能力,确定一个好的人生目标,长大后成为对国家有用的人才。所以参加业余无线电活动,就能在兴趣、爱好的引导下,既学到了知识,培养了能力,又陶冶了情操,结交了朋友,是一项有益于身心健康的活动。 根据国际电信联盟(ITU)规定,业余电台是属于“业余业务”的电台,而“业余业务”ITU所给定义是“经正式核准的,出于个人兴趣,不是出于商业目的,进行自我训练,相互通信和技术研究的无线电通信业务”。如下棋、钓鱼一样,业余无线电是一种爱好。在全世界不分年龄、性别、身份,上至国家元首(前约旦国王候赛因,前印度总统拉、甘地);下至上学的中学生,都可以借助电波作媒介,平等地利用业余无线电进行交流。
因特网(Internet)也称互联网,是当今世界上最大的信息网,也是全人类最大的的知识宝库之一。作为一种通信工具,那么它和业余无线电通信又怎样的区别和联系呢？

1、传输的媒介不同:业余无线电通信是借助电波进行交流的;互联网是基于公用的,通信线路来传递信息。

2、使用的群体不同:业余无线电通信的操作者是持有执照的业余无线电爱好者,有较强的专业性和技术性;互联网是一种公众的通信手段和信息资源,使用对象为大多数人,稍加学习就能掌握,所以,互联网的使用群体要比业余无线电的群体大得多。

3、对可靠性的要求不一样:因特网式计算机技术和通信技术相结合的结晶,其先进程度走在通信技术的前沿。信息传递的速度快,可靠程度非常高(只要不是人为破环,如黑客侵袭)。业余无线电通信是依靠电波来传递信息,通信效果要受天气、季节、时间、电磁环境等因素的制约,有较大的不确定性。不过正是这种不确定性才使爱好者们去努力探索,攀登技术高峰,为人类的通信做出重大贡献。这也是激发兴趣的一个重要方面。

4、性质和适用范围不同:在通信技术高度发达的今天,业余无线电通信作为一种业余爱好,其通信的实用意义已很小。就像钓鱼不如买鱼吃便宜一样,只是通过钓鱼去陶冶身心,而不是纯粹为钓鱼而钓鱼。业余无线电通信明文规定,通信内容不能涉及谋取利润和国家机密、个人隐私及宗教等方面;只能用于通信实验、技术研究和结交朋友,即不能带有任何商业色彩。这就界定了它的使用范围和性质。

因特网代表着全球范围内一组无限增长的信息资源,内容涉及科学、政治、军事、经济、文化、娱乐等,几乎涵盖了人类活动的各个方面。作为信息时代的产物,它的实用性和高效性,大大加快了它的普及,为人们带来了巨大的经济效益和社会效益,使得网络的商业化成为必然。网络经济的飞速发展,已对一些传统的产业结构形成挑战。所以就目前的因特网来说,服务对象主要是商务活动。因特网是继电话、电视、无线通信、计算机等重大发明以后的又一重大发明。它那强大的功能,支持着人类活动的方方面面,同样也影响着业余无线电通信的发展。

因特网对业余无线电通信的积极推动作用

发展到今天的业余无线电通讯,已不仅限于电报(CW)、单边带(SSB)、调频(Fm)等几种通讯方式,许多新的通信方式如:慢扫描电视(SSTV),数字包封通信(PACKET)卫星通信、月面反射通信(EME)等需借助计算机来完成,这就离不开相应的软件支持,这些软件可以方便的在互联网上的一些业余无线电网站下载。喜欢电路实验的朋友对某一电子器件不熟悉,也可以在相关网站查询。1999年5月国内的爱好者在浙江洞头岛的BI5D IOTA(岛屿通信)远征活动取得了圆满的成功。在活动成行之前的几个月里,策划者们建立了一套以INTERNET为基础的信息交流系统,并在互联网上设立开放型的专门讨论组,让爱好者们广泛参与展开讨论,制定了一套全面、周密的活动计划,使得这次地域跨度很大,人员较多的活动能够组织和协调得相当成功。他们还为此次远征建立了专门的网页,向外界提供BI5D活动的最新消息,供爱好者们实时查询。爱好者中,有许多人扮演着网民和火腿(国际上对业余无线电爱好者的爱称)双重角色。

有许多朋友曾经这样问:“现在都有电话和手机,随时随地都能联系,业余电台岂不过时了吗？”这反映了一个普遍性的问题——人们对业余无线电活动了解不够。在通信技术最为先进的美国,业余电台数量居世界第二位。美国也是因特网的发源地,但政府对这项活动特别支持。爱好者们为了便于互相辨认,只须交纳1美元的费用就能将自己的车牌号码换成自己的电台呼号。1美元远不足制作牌照的工本费,足见美国政府对业余无线电活动的支持。
追溯业余无线电通信的历史,几乎是伴随着无线电的发展走过了近一个世纪的历程。十九世纪末的1896年6月2日,意大利的马可尼发明了无线电通信,从此揭开了人类通信的新纪元。二十世纪初,无线电通信在航海等领域得到了大量应用。这时就有人从事业余的通信实验。当时人们曾认为电波的波长越长,则通信距离愈远。而把波长短于200米的短波视为无用的频段。1923年,美国的业余无线电爱好者发现这个被认为是废物的短波波段,其实是远距离通信的黄金波段,他们用100米波长的电波和很小的发射功率就成功地完成了越洋通信。这一重大发现是通信史上的一块丰碑,从此奠定了短波通信的基础,也奠定了业余无线电通信的地位。其它的如:单边带通信、外差式接收机、晶体振荡器,八木天线等,都是业余爱好者们的成就。时至今日,这些技术还在大量应用。可以这样说,没有昨天的业余无线电,就没有今天现代通信的辉煌。他们的技术成就在人类的通信史上写下了光辉的篇章,将被永远地载入史册。

这项活动本身总是为国家和社会源源不断地输送着高素质的技术骨干,国外许多军事、电子、宇航等方面的尖端技术人才都来自于业余无线电爱好者队伍。1992年4月美国发射的“大西洋号”航天飞机上的5名宇航员,全部是业余无线电爱好者。

业余无线电通信在抢险救灾中的作用不可忽视。当地震、水灾等自然灾害发生时,电力线路,通信线路和其它设施都会遭到破坏,其中通信线路是有线电话和移动通信的“神经”,也是构成互联网的硬件基础,因此,整个通信系统就极有可能陷于瘫痪,此时通信对于抢险救灾又是多么重要!

业余电台由于分布广泛,活动频繁,爱好者们又有良好的技术素质,甘愿奉献的高尚情操,他们会友好地协作起来,利用应急的通信设备,为救灾提供通信服务,这些在国外有许多感人的事例,如危地马拉及原苏联地震、美国的龙卷风和森林大火的救灾工作,业余电台都提供了及时有效的通信服务。

我国的业余无线电通信尚处于起步阶段,从1992年开放个人业余电台至今,仅有3000多人取得了操作证书,开台人数不足2000人,同发达国家相比,不仅人数少,队伍的整体素质也不高。许多群众根本不知道什么是业余无线电,可见远未到达普及的程度。目前国家正在大力提倡和发展业余无线电运动,随着素质教育和科教兴国战略的实施,在北京、上海等地的学校中已把业余无线电作为第二课堂的重要内容来培养青少年的特长、能力,让学生中少一些追星族,多一些科技幼苗。互联网的普及,为业余无线电提供了发展的捷径和机遇,应该借助互联网这一先进工具,来提高和发展我国的业余无线电,并推向一个新的高度,以尽快地与国际水平接轨。

广联电子

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