海上無(wú)線信道電磁波傳播

李宏敏 高書(shū)強(qiáng)

摘要：高頻無(wú)線電在生活中應(yīng)用廣泛。比如船舶在海洋上航行，需要通過(guò)高頻無(wú)線電來(lái)傳播。當(dāng)HF天波頻率低于最大可用頻率（MUF），HF天波在電離層和地球表面之間的一次或多次反射，就能進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信。本文中，我們分析了高頻無(wú)線電在電離層、空氣以及不同平面上的反射損耗特性，得到高頻無(wú)線電的傳播規(guī)律。

關(guān)鍵詞：HF天波；無(wú)線電通信；反射損耗；海上信道模型

1.高頻無(wú)線電反射損耗分析

電離層可以被看成是球面分層結(jié)構(gòu)，電子密度在每一個(gè)薄層內(nèi)均勻分布。則當(dāng)高頻電波入射電離層時(shí)，經(jīng)多次折射后返回地面。我們發(fā)現(xiàn)，高頻電波在電離層的衰減效果僅與穿過(guò)等離子體的高頻電波的角頻率和入射角有關(guān)。高頻無(wú)線電在地球表面反射是瞬間完成的，損耗也是瞬間產(chǎn)生的。不同表面上的由于反射類型不同（鏡面反射與漫反射）、介電常數(shù)、表面粗糙程度等不同造成反射系數(shù)不同，從而造成反射損耗的差異。

特別對(duì)于山地和崎嶇地帶，高山自身對(duì)反射波的阻隔是主要損耗因素。一方面反射損耗的計(jì)算不能只考慮表面反射系數(shù)，另一方面此時(shí)繞射波相對(duì)而言不能忽略。最后我們得到四種不同情況下，傳播能量隨距離的變化曲線。

通過(guò)matlab仿真計(jì)算，對(duì)四種無(wú)線電波傳輸環(huán)境的分析，我們得到了相應(yīng)的結(jié)論：HF無(wú)線電波傳播過(guò)程高山與崎嶇地形的陸地?fù)p耗最大，平坦陸地反射損耗次之，湍流海平面反射損耗較小，平靜海平面反射損耗最小。

2.海上無(wú)線電信道傳播模型

我們首先建立自由空間模型、電離層模型、海洋信道模型，分別計(jì)算出自由空間基本傳輸損耗、電離層吸收損耗、海洋反射損耗，從而計(jì)算出高頻電波在經(jīng)過(guò)一跳后的功率，并計(jì)算出其在平靜海面所能傳輸?shù)淖畲筇鴶?shù)。在自由空間模型中，我們考慮高頻電波以球面波形式輻射。在電離層模型中，我們先考慮電離層中粒子碰撞對(duì)高頻電波損耗的影響，再計(jì)算高頻電波在電離層中的損耗路徑。在海洋信道模型中，我們先考慮信道參數(shù)——海面粗糙程度、Fresnel反射系數(shù)與鏡面反射系數(shù)，再建立鏡面反射模型與漫反射模型。接下來(lái)，我們利用上述三個(gè)模型，計(jì)算出高頻電波在平靜海洋與湍流海洋進(jìn)行一跳后的強(qiáng)度，并得到了“不同海洋面的反射對(duì)于HF無(wú)線電波強(qiáng)度的影響較小”的結(jié)論。

我們發(fā)現(xiàn)在原先的模型中，只對(duì)無(wú)線電波在傳播介質(zhì)中的損耗進(jìn)行了分析，并未就發(fā)射跳數(shù)及有效傳播路徑的最大值進(jìn)行分析。

3.影響船舶無(wú)線電通信的因素分析

實(shí)際航行時(shí)，需要考慮通信盲區(qū)以及船舶能保持通信的航行最遠(yuǎn)距離。分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射端天線的角度、高度以及高頻無(wú)線電頻率能影響無(wú)線電傳播距離。

發(fā)射端天線的高度對(duì)無(wú)線電傳播距離沒(méi)有影響，但是高度越大，通信盲區(qū)會(huì)略微減小。

發(fā)射端天線的角度也同樣應(yīng)當(dāng)合理選擇。如果頻率選擇太高，無(wú)線電波會(huì)穿透電離層，無(wú)法反射；如果頻率選得過(guò)低，由于電離層衰減常數(shù)與頻率的平方成正比，電波將會(huì)在電離層衰減過(guò)大，無(wú)法保證船舶正常的接收信號(hào)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]儀青帝.海域電磁波傳播模型研究[D].海南大學(xué)，2015.

[3]白亞軍.電離層對(duì)高頻電波傳播的影響研究[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

作者簡(jiǎn)介：

李宏敏（1996.12-）女，漢族，本科生，研究方向：通信工程專業(yè) 411302199612093728

高書(shū)強(qiáng)（1979.04-）男，漢族，鄭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)