无线电波的传播

无线电波一般是在地球表面和电离层之间的大气里传播的。电波从无线电台发射出来到达接收地点，基本上可以通过三种不同的途径：一种是沿着地球表面传播的，这种电波叫做表面波；一种是借电离层对电波的反射作用来传播的，叫做天波；另一种是在大气空间直接传播和经过地面的反射而传播的，叫做空间波（图1）。地球表面和电离层的电气性质对于电波的传播有重要的影响，我们在研究各种不同频率的电波的传播特性以前，首先要了解地球表面和电离层对于电波传播的影响。

当频率很低时，地面可以认为是理想的导体，电波在地球表面传播，损耗较小。随着频率的提高，电波沿地面传播的能量损耗增大。所以频率愈低，表面波传播的距离也就愈远。另外在大气上层，距离地面高度约60～450公里的范围内，由于太阳紫外线的作用，中性的气体分子被电离成为正负离子和电子，又由于大气温度和压力随高度的变化，最后形成了一层层的“电离层”。随着它们离开地面的高度和电离程度的不同，电离层共分成D、E、F\(_{1}\)和F2四层。D层距离地面最近，电离程度最弱；F\(_{2}\)层离地面最远，电离程度最强（图2）。在夜间，大气层不再受到太阳紫外线的作用，电离层中离子和电子的数目减少了，D层和F1层消失，E层和F\(_{2}\)层还存在。电离层的介电常数比空气的小，无线电波在其中的传播速度比在低层大气中的传播速度大，因此电波进入电离层后会产生折射。经过连续的折射后，就有可能反回地面上来。但是电离层的介电常数随着频率的增高而逐渐增加，最后接近于空气中的介电常数。因此频率愈高，电波在电离层中所受到的折射就愈小。频率很高的电波，就会穿透电离层，不再返回地面上来。而另一方面，频率较低时，电离层中的电子和气体分子相互碰撞所引起的能量损耗较大，而电子的振动能量又来自电波，所以电波在其中传播时，损耗较大；而频率较高的电波在电离层中传播时，损耗则较小。因此在电离层中传播的电波，其频率应该适当选择，既不使电波穿透电离层，又不使电波遭到太大的损耗。

在应用无线电的初期，发现无线电波的频率愈低，电波绕过地球表面传播的距离愈远，这就是利用波的绕射作用来传播的表面波。但是我们知道，频率愈低，波长愈长，天线的高度就得愈高，否则效率太低。例如在超长波（10千赫～30千赫）的10千赫时，波长为30,000米，要建立一付四分之一波长高的垂直天线，就得修建一座7,500米的金属结构。显然这是不现实的。所以在经济和结构许可的条件下，超长波天线的高度总是波长的一个很小百分数，从而天线的效率很低。此外，频率太低时，通信频道太少，电台的工作频带限制得太窄。目前超长波只用在少数大功率高天线的海岸电台。另外，在海底电缆和短波通信发生临时中断时，超长波电台也可以当作辅助线路来继续维持通信。但是在电波的绕射过程中，电波总是沿着半导电的地球表面传播的，在地层内会感应产生传导电流并引起热损耗，使电波产生衰减，以致在到达接收点时，其场强远比通过自由空间传播同样距离时的场强小。

当频率提高，到了长波（30～100千赫）的范围时，地球对电波的衰减作用增大，同时波的绕射作用也减低。但是这时建立效率较高的天线有了可能，甚至在船舶上的天线也能有一定的辐射效能。长波和中长波（100～500千赫）可以用于中距离通信，它比较可靠，在飞机导航和一般的航标方面，用得比较多。

从长波逐渐过渡到中波波段（100～1,500千赫）时，地面对电磁波的吸收增大，一般表面波传播到几百公里的距离以外时，即被地面所吸收。中波的高频段，表面波所能到达的距离就更小。中波用在广播方面。中波广播电台的主要服务范围就是由表面波来决定的。由发射功率、天线的方向性和地区土壤所决定的表面波服务范围，大约在二三百公里。但是经实践证明，在傍晚以后，中波可以达到较白天远得多的地方。这是因为在晚上，吸收中波的电离层的D层消失，而电离层的E层对中波的吸收较小，所以反射回来的天波达到的距离比表面波传播得远。这就是晚间能收听到较远的中波广播的原因。至于在晚上收听中波广播的时候，常常听到声音时高时低，这就是所谓电波的衰落现象。这种衰落现象是由表面波和天波互相干涉所产生的，如图3中的R＇点的情况。收听时有这种衰落现象的地区叫衰落区。为了把衰落区推远，保证主要服务区的收听质量，中波台的天线采用抗衰落天线，其高度比半个波长还要稍高一点。

当由中波过渡到短波（1,500千赫～30兆赫）时，表面波传到几十公里的距离上就被地面吸收了。但是短波在电离层中的损耗却十分小，在白天也能返回地面。天波传播中的损耗是由通过电离层和在地面进行反射时引起的（图3）。这些损耗加起来也远比表面波传播相同距离时的损耗小。目前人们使用短波通信，就是靠天波的方式来传递信号的。在这种情况下，使用较小的发射功率，就可以保证在10,000～20,000公里的距离上通信。在一条通信线路上，要根据昼夜不同的时间，来选择工作频率的高低。在白天，电离层对电波能量吸收较大，使用的频率应该高一些，在晚上使用的频率应该低一些。频率选择得太高，就有使电波穿透电离层的可能；选择太低，就使信号衰减的太厉害。

天波能否返回地面不仅和电波的频率有关，还和天波发射的仰角有关（图4）。对于某个频率的短波而言，只有在仰角小于某一角度α时，天波才能返回地面上来，大于这一角度时，电波就会穿透电离层。这个角度α就称为“临界角”。频率愈高，临界角愈小，天波反射回来的地点离开发射台就愈远。因此利用天波传播，有一个最小的接收距离。在天波的最小接收距离（R）和表面波的最大接收距离（R＇）之间的一部分地区，表面波和天波都收不到，这一部分地区，就叫做“寂静区”。这是短波传播所特有的现象。例如我们收听短波广播时，能够收到较近的和较远的电台，而对不远不近的电台却收不到，就是我们的接收地点位于发射电台的寂静区的缘故。电波发射的仰角和天线的高度有关系，因此在架设短波天线时，必须根据通信距离和使用的频率来决定天线的高度，以便天波的仰角适合电离层的反射和通信距离的要求。

在收听短波时，也常常有声音时高时低的衰落现象。这处衰落现象并不是表面波和天波相互干涉而产生的。主要是，不同路径的天波射线一起到达接收点，由于电离层不断发生变化，经由不同路径的电波的相位也发生变化，不同射线间的相位差也不断变化，彼此时而加强，时而减弱，因而产生相互干涉的衰落现象，如图5所示。

在无线电频谱中高于30兆赫的超短波，一般不能从电离层反射回来，更不能以表面波的方式传播，因此必须采取其他传播方式。在几十公里之内，如果地形平坦，可以把天线架高，使电波在地面上空直接从发射台传播到接收台，而不受地面的吸收作用。如果有山顶、高塔或大建筑物可以利用时，这种方式的传播距离可以增加到一百公里以上。由图6可以看出，电波除了从地面上空直接传播到接收点外，还有地面反射波也可以到达接收点。这种在空间传播的直接波和反射波叫做空间波。反射波总是对直接波起不良的作用。在中波甚至短波波段里，电波的这种传播方式不会有什么好处，因为反射波经过地面反射时要引入大约180°的相位变化，而直接波A和反射波B的路程差在中波和短波波段只占波长的一个很小百分数，所以在收信点的合成场几乎是直接波和反射波的差，其数值不比电波沿地表面传播时大多少。在超短波和微波波段，因为波长很短，当发信台和收信台离得较远而接近视线距离时，直接波和反射波的路程差还可以是波长的一定百分数，而不至使合成场是二者的差。此外，超短波和微波波段的天线容易获得很高的增益，使反射波的强度降低，减小了反射波对直接波的削弱作用。这样就有利于超短波和微波利用空间波来进行传播。但是空间波只能在视距范围内传播，这样就限制了超短波和微波通信的距离。超短波在空气中传播时，受到空气不均匀性的影响。在正常情形下，靠近地面部分的空气的折射指数大，离地面高的空气折射指数小，所以使直接波和反射波的射线有微微向下弯曲的倾向，如图6所示。由于这种折射现象就使超短波的通信距离实际上可以比视距远一些。如果通信距离很远，就可以设立中继站来实现通信的目的。

如果在超短波与微波的传播途中，有尖峰障碍物阻挡，如图7所示，虽然直接波到不了图中的R点，但是由于峰顶D被电波照射，D点可以看作散射源，使电波绕到山峰背后的阴影里。在R点收到的信号虽弱，但很可靠，有时甚至比没有障碍时收到的信号还强。这是因为障碍物虽然挡住了直接波，但同时也挡住了反射波，这样有可能使得到的信号比直接波和反射波相减时还大一些。频率太高时，在障碍背后的信号由于绕射作用小而大大减小。

在地面上十公里范围内的大气层叫对流层。对流层对超短波除了前面所提到的折射作用外，近十几年来发现，它对超短波还有另一个很重要的作用。在对流层中经常由大气的乱流产生一种气团，气团内外的介电常数不一样。大气里出现的这种不均匀气团，对超短波和微波有散射作用，如图8所示。这种散射的作用就像灰尘微粒对阳光的散射作用相似，把投射到它上面的电波向其他方向散射。因此，在视线以外，离发射台几百公里的地方也能收到信号。这种信号虽然很弱而且有衰落现象，但是当采用高增益的天线和分集式接收的方法，能够提高信号的质量。目前已经把这种电波传播方式用在远距离通信线路上，并且还在继续进行着大量的研究工作。（杨渊）