短波段无线电波的传播规律与短波无线电通信的频率选择及预测
短波段无线电波的传播规律与短波无线电通信的频率选择及预测
在无线电通信中,无线电发射机的天线辐射载有信息的电磁波,到达接收点无线电接收机的天线,要经过一段自然路径。无线电波在自然环境中的传播主要有三个路径常用于无线电通信:视距传播、地波传播、天波传播。不同波长的无线电波在以上三种传播路径中有不同的传播规律。短波无线电波(2—30Mhz)的传播有不同于其它频段的特殊规律,只有透彻认识和运用其特殊规律,才能发挥短波无线电通信设备的应有效能,建立稳定可靠的通信联系,提高通信质量。
二、无线电波的传播路径:
(1)视距传播:视距传播是指电波在发射天线与接受天线互相“看得见”的距离内的传播方式。电波在靠近地面的低空大气层中以近似直线的路径传播(见图-1),在发射功率一定的情况下,其通信距离相当大的程度上取决于收发双方的天线高度,多用于超短波通信,本文不多作讨论。
(2)地波传播:地波是指沿地球表面传播的电波。当电波沿地表传播时,在地表面产生感应电荷,这些电荷随着电波的前进而形成地电流。由于大地有一定的电阻,电流流过时要消耗能量,形成地面对电波的吸收。地电阻的大小与电波频率有关,频率越高,地的吸收越大。因此,地波传播适宜于长波和中波作远距离广播和通信;小型短波电台采用这种方式只能进行几公里至几十公里的近距离通信。地波是沿着地表面传播的,基本上不受气候条件的影响,因此信号稳定,这是地波传播的突出优点。
(3)天波传播:天波是指地面发出的经电离层折射返回地面的电波。短波无线电台站可以较小的发射功率,不依赖任何地面系统利用天波路径独自建立数百公里甚至数千公里的通信联系,是为有别于其它通信方式的突出优势。但是,电离层随昼夜、季节、年度而变化,导致天波传播状况依时间变化。因此,依赖电离层反射所建立的短波无线电天波通信是不稳定、不可靠的(相对于其它传播路径而言)。远程短波通信要求设备操作人员对短波波段无线电波的传播规律有深入的了解和较多的实践经验,并且依赖于通信各方的配合默契。本文主要讨论短波通信的地波和天波传播。
三、短波的地波传播:
利用地波路径,可在一定距离内建立稳定可靠的短波通信联络。其有效距离主要取决于短波电台的发射功率、天线的架设方式、传播路径上的地形地物的影响及使用的载波频段。在发射功率、天线架设、地形地物均已确定的情况下,载波频率成为决定通信距离的唯一可选因素。鉴于频率越低大地对电波的吸收越小,短波电台的地波通信宜选用短波频率的低段(2 — 6 Mhz)。很明显,地波的场强与传播距离成反比,距离越远,信号强度越弱。远至一定距离,信号/ 噪声比将降低到无法保证可靠通信的程度,导致通信中断。对于短波通信而言,其噪声主要来自产生于大气的天电和周围工业设备的电气干扰。
一般来说,在一方天线高架的情况下,选择合适的载波频率,小型短波电台利用地波路径可在数十公里范围内建立可靠的通信联络。
四、短波的天波传播:
(1)关于电离层:短波无线电远程通信依赖于高空电离层反射的天波路径,了解电离层的生成、结构和变化规律,了解电离层不同时段对不同频段的短波段电波的反射规律,对短波无线电通信有至关重要的意义。由于太阳紫外线照射、宇宙射线的碰撞,使地球上空大气中的氮分子、氧分子、氮原子、氧原子电离,产生正离子和电子,形成所谓电离层,其分布高度距地面几十公里至上千公里。电离层中电子密度呈层状分布,对短波通信影响大的有 D 层、E 层、F1 层、F2  层,各层的中部电子密度最大,各层之间没有明显的分界线。
各层的电子密度 D〈 E〈 F1〈F2 ):由于电离层的形成主要是太阳紫外线照射的结果,因此电离层的电子密度与阳光强弱密切相关,随地理位置、昼夜、季节和年度变化,其中昼夜变化的影响最大。
    D 层:高度 60—80公里,中午电子密度最大,入夜后很快消失;
    E 层:高度 100—120公里,白天电子密度增加,晚上相应减少;
  F1 层:高度 180公里,中午电子密度最大,入夜后很快消失;
  F2 层:高度 200—400公里,下午达到最大值,入夜逐渐减少,黎明前最小。
(2)电离层对电波的折射和反射:
电离层可看成具有一定介电常数的媒质,电波进入电离层会发生折射。折射率与电子密度和电波频率有关。电子密度越高,折射率越大;电波频率越高,折射率越小。电离层电子密度随高度的分布是不均匀的,随高度的增加电子密度逐渐加大,折射率亦随之加大。可以将每一层划分为许多薄层,每一薄层的电子密度可视为均匀的。电波在通过每一薄层时都要折射一次,折射角依次加大,当电波射线达到电离层的某一点时,该点的电子密度值恰使其折射率为900,此时电波射线达到最高点,尔后沿折射角逐渐减小的轨迹由电离层深处折返地面。当频率一定时,电波射线入射角越大,则越容易从电离层反射回来。当入射角小于一定值时,由于不能满足 900 的折射角的条件,电波将穿透电离层进入太空不再返回地面。当入射角一定时,频率越高,使电波反射所需的电子密度越大,即电波越深入电离层才能返回。当频率升高到一定值时,亦会因不能满足 900 折射角的条件而使电波穿透电离层进入太空,不再返回地面。
(3)电离层对电波的吸收:
当电波通过电离层时,电离层中的自由电子在电波的作用下作往返运动,互相碰撞,消耗能量。这部分能量来自电波,此为电离层对电波的吸收。吸收的大小主要与电子密度和电波频率有关。电子密度越高、电波频率越低,吸收越大,反之则低。当吸收大到一定程度时,电波强度将不能满足短波接收机的信号/噪声比要求,导致通信中断。五、短波天波通信的频率选择与预测:
由于电离层的高度及电子密度主要随日照强弱昼夜变化,因此工作频率的选择是影响通信质量的关键性问题,若频率太低,则电离层吸收增大,不能保证必须的信噪比,若频率太高,电波不能从电离层反射回来。一般来说,选择频率应考虑以下原则:
(1)不能高于最高可用频率:当通信距离一定时,可以被电离层反射回来的最高频率叫最高可用频率。很明显,通信频率不能高于最高可用频率,否则电波将穿出电离层。最高可用频率与电子密度有关,电子密度越大,最高可用频率越高。电离层电子密度主要随时间变化,所以最高可用频率也随之变化。其次,对一定电离层高度而言,通信距离越远,则电波入射角也就越大,就是说最高可用频率越高。但应注意,由于电离层电子密度是经常变化的,其最高可用频率不能保证每时每刻可靠反射电波,因此实际使用的频率为最佳工作频率。经验说明,最佳工作频率约为最高可用频率的85%。附表列出了我国南方夏季不同通信距离在不同时段的最高工作频率及最佳工作频率。
需要说明的是,表中所列的工作频率并非确定的准确频率,而是在此频率附近即可。实际应用时,可从表列最佳工作频率向下1-2Mhz的范围内选取合适的工作频率,以适应不同的季节及地域。
(2)不能低于最低可用频率:在短波通信中,频率越低,电离层吸收越大。当低到一定程度以致不能保证通信所必须的信噪比时,通信质量严重下降导致通信中断。能保证最低所需的信噪比的频率称为最低可用频率。根据经验,不同距离、不同时段的最低可用频率一般比相应的最佳工作频率低3—4Mhz。此外,频率为1.4Mhz附近的电波可与电离层中自由电子的振动发生谐振,产生较大的谐振吸收。所以天波通信时工作频率不应低于2Mhz。
(3)一日之内适时改变工作频率:原则上说,最低可用频率至最佳工作频率之间的频段可作为工作频率。但是,这一频段在一昼夜之间是随时变化的,而电台的工作不可能随时变化。实际工作中一昼夜内只改频1—2次。在一段时间内只用一个频率,通常选日频、夜频各一个。改频时间通常是在电离层电子密度变化急剧的黎明和黄昏时刻适时进行。
六、短波通信的“盲区”:
短波通信的盲区亦称“静区”。盲区现象是短波无线电通信很难回避的问题。在地波最远覆盖范围与天波最近反射区之间有一段所谓“盲区”。在一方天线高架的情况下,盲区从数十公里的距离开始出现,大约在150—200公里处消失,从理论上说,在此区域内收不到任何信号。但是,当前的一些新的天线技术已部分解决了这一问题,在理论上的盲区内可建立沟通,只是信噪比差些而已。在此区域内,适当降低工作频率,减少大地对电波的吸收,同时使仰角较大的电波能被电离层反射下来,可能会使信噪比状况有所改善。
七、关于“频率自适应技术”:
(1)传统短波通信选频方式的固有缺陷:合理选频对中远程短波通信至关重要,这一点已有说明。传统的中远程短波通信的选频模式是:通信指挥人员根据长期频率预测和短期频率预测以及电离层随季节、昼夜变化规律和通信距离指定“时间 — 频率表”,各台站之间以定时、定频方式进行通信联络。但是,问题在于要准确地预测电离层的传输频率,并使通信效果始终保持良好状态非常困难。其主要原因是:短波通道(电离层)是一种典型的随机变参数信道,它的信道特性随时间、空间和工作频率而随机变化。而预测所得到的频率是在既往数据的基础上,运用统计学方法得到的,是人们一厢情愿的“最佳频率”。它可能与当时当地的实际电离层传输频率有较大的偏差,并且无法考虑到诸如多径效应、多普勒频移和各种干扰等因素,是一种比较粗糙的办法。以这种方法预测的工作频率有时只能作为参考。实际工作中,很大程度上要依赖通信系统指挥人员和各台站操作人员的经验、技巧、随机应变能力和通信各方的配合默契。而这种能力和默契的取得,有赖于专业化训练和长时间的磨合,并非易事。
(2)问题的解决办法:为使现有的装备能充分发挥其应有的作用,应尽可能减少通信系统对人员条件的依赖,采取技术措施使设备操作(关键是频点选择)自动化、“傻瓜”化。当前,中远程短波通信自动选择可用工作频点的所谓“频率自适应技术”及产品已经成熟,并得到了广泛应用。短波自适应通信方式是现代短波通信的象征,使短波通信系统具有自动适应通信条件变化的能力(还有功率自适应技术,本文不作讨论)。它采用微处理机控制技术,使短波通信机实现自动频率选择、自动信道存储、自动天线调谐,能实时选择出当时当地最佳的短波通信信道,克服短波信道的时变性,能非常有效地改善通信效果,简化了人工选频的复杂操作,非专业人员也能使用。需要指出的是,自动选频是在事先预置的一组频点中选择最佳可用频率,如预置频点不当,当然无法从中选出合适的频率。
(3) 频率自适应系统的工作过程为:在链路建立前,主叫方先在一组预置频率上发送测试码,被叫方接收并测量信号质量,对各信道的通信质量评分,按优劣排序。然后,向主叫方发出应答信号,回馈各可用信道评分排序信息。主叫方收到应答信号后,向被叫方发出确认信号,双方建立频率库,进入自适应扫描状态。此时,通信各方发射机处于寂静状态,接收机对已存入频率库的各频点循环扫描。当需要进行通话时,主叫台在频率库中选取最佳信道发出呼叫信号,被叫目标台收到呼叫信号后发送应答信号,主叫台收到应答信号后发出确认信号。至此,链路建立完成,可以进行通信。如果主叫台在最佳通道上呼叫不通,链路未能建立,则自动转入排序第二位的信道上执行呼叫,依此下去,直到链路建立。电台之间的通信链路在某一通道上建立之后,在进行通信的同时,电台仍在对该信道的通信质量实施监测,当通信质量下降到低于门限值时,通信各方自动转入下一通道工作。以上过程在很短时间内自动完成,无需人工干预和操作。
频率自适应技术使短波通信的质量产生了质的飞跃,将人的因素对通信系统的影响降低到最低限度,赋予短波通信以新的生命(在此前,短波通信因其前述的固有缺陷而趋于没落),得以充分发挥其它通信手段所不具备的独特优势。
                                                               
时段              频率           距离        500公里    1000公里    2000公里       
0  时  最高可用频率                   5.4Mhz     7Mhz       11.5Mhz        
    最佳工作频率                   4.6Mhz       6Mhz       10Mhz       
4  时      最高可用频率                        5.3Mhz        5.9Mhz        7Mhz        
        最佳工作频率                      4.5Mhz        5Mhz        6Mhz       
8  时        最高可用频率                      8.3Mhz        11.8Mhz        21Mhz        
         最佳工作频率                      7Mhz        10Mhz        18Mhz       
12  时      最高可用频率                      18.8Mhz        23Mhz        33Mhz        
           最佳工作频率                      16Mhz        20Mhz        30Mhz       
16  时   最高可用频率                      16Mhz        21Mhz        32Mhz        
            最佳工作频率                      14Mhz        18Mhz        28Mhz       
20  时      最高可用频率                      9.5Mhz        11.8Mhz        18Mhz        
          最佳工作频率                      8Mhz        10Mhz        16Mhz       
24  时      最高可用频率                      5.4Mhz        7Mhz        11.6Mhz        
     最佳工作频率                      4.6Mhz        6Mhz        10Mhz