超短波超视距传输机理研究

摘要：一般认为超短波波段的电磁波以视距方式传输，此种传输方式限制了传输距离，限制了该频率资源的开发利用。本文详细分析了超视距传输的几种可能方式，提出了超短波频段电磁波超视距传输原理的基本理论，即电磁波超折射传输模式。

关键词：超视距 超折射

一、   引言

中国近海面临日益复杂的领土权益争端，其中南海、东海和黄海斗争尤为复杂，有历史遗留问题，也有美国及其盟国为了孤立中国，抑制中国走向蓝海有意挑起的事端。海上通信手段主要是短波和卫星通信，但是短波受天气影响较大稳定性较差速率低，卫星通信容易受到电子干扰而中断；超短波传输是一种性价比比较好的手段。但是，传统电磁波传输理论认为该波段电磁波传输方式为视距传输，它的传输距离为不超过50公里，极大地限制了它在海上的应用范围。本文利用吕保维提出了地面与卫星式飞船短波通信的“滑行波”模式理论和电离层传输介质分析，得出此波段电磁波可超距离传输200——400公里的结论。

二、   电磁波传输方式简介

电磁波由发射天线向外辐射出去，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。无线电波共有以下七种传播方式（图1.为电波传播方式示意图）。

图1. 电磁波传输示意图

（1）波导方式：当电磁波频率为30kHz以下（波长为10km以上）时，大地犹如导体，而电离层的下层由于折射率为虚数，电磁波也不能进入，因此电磁波被限制在电离层的下层与地球表面之间的空间内传输，称为波导传波方式；

（2）地波方式：沿地球表面传播的无线电波称为地波（或地表波），这种传播方式比较稳定，受天气影响小；

（3）天波方式：射向天空经电离层折射后又折返回地面（还可经地面再反射回到天空）的无线电波称为天波，天波可以传播到几千公里之外的地面，也可以在地球表面和电离层之间多次反射，即可以实现多跳传播。

（4）空间波方式：主要指直射波和反射波。电波在空间按直线传播，称为直射波。当电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，还会像光一样发生镜面反射，称为反射波。

（5）绕射方式：由于地球表面是个弯曲的球面，因此电波传播距离受到地球曲率的限制，但无线电波也能同光的绕射传播现象一样，形成视距以外的传播。

（6）对流层散射方式：地球大气层中的对流层，因其物理特性的不规则性或不连续性，会对无线电波起到散射作用。利用对流层散射作用进行无线电波的传播称为对流层散射方式。

（7）视距传播：指点到点或地球到卫星之间的电波传播。

表1.给出了从甚低频（VLF）至极高频（EHF）频段的电波传播方式、传播距离、可用带宽以及可能形成的干扰情况。

表1

序号	频段名称	频段范围	传播方式	传播距离	可用带宽	干扰量	利用
4	甚低频 （VLF）	3-30kHz	波导	数千公里	极有限	宽扩展	世界范围长距离无线电导航
5	低频 （LF）	30-300kHz	地波天波	数千公里	很有限	宽扩展	长距离无线电民航战略通信
6	中频 （MF）	300-3000kHz	地波天波	几千公里	适中	宽扩展	中等距离点到点广播和水上移动
7	高频 （HF）	3-30MHz	天波	几千公里	宽	有限的	长和短距离点到点全球广播，移动
8	甚高频 （VHF）	30-300MHz	空间波对流层散射绕射	几百公里以内	很宽	有限的	短和中距离点到点移动，LAN声音和视频广播个人通信
9	特高频 （UHF）	300-3000MHz	空间波对流层散射绕射祝距	100公里以内	很宽	有限的	短和中距离点到点移动，LAN声音和视频广播个人通信卫星通信
10	超高频 （SHF）	3-30GHz	视距	30公里左右	很宽	通常是有限的	短和中距离点到点移动LAN声音和视频广播移动/个人通信卫星通信
11	极高频 （EHF）	30-3000GHz	视距	20公里	很宽	通常是有限的	短和中距离点到点移动，LAN个人通信卫星通信

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。

三、   电离层与空间带电体简介

3.1空间电特性划分概述

空间按带电离子和气象特性以及带电离子活动规律可以划分为电离层、平流层和对流层。电离层又分为F（F1、F2）、E、D层。

3.2空间电荷特性说明

对流层：空间高度0.5－20km，空间电荷（离子）密度为－。在海洋上空2－3km，陆地与海洋上空的带电离子浓度基本一致，在10－16km浓度达到最大值，－。对流层大气电离的主要原因为：土壤中镭、铀等放射性物质；土壤中氡和钍逸入大气；来自宇宙空间的宇宙射线。因此，对流层带电离子分布极其不均匀，与地区有关，与天气有关，与太阳离子活动有关。

电离层F1层：是电离层F的子层，高度在140－200km，F1层高度140－200km,密度。黎明出现，黄昏消失，是F层的非主要部分。

 

电离层F2层：是电离层F的主要部分，带电离子密度在300km处达到峰值，峰值密度 ；1000km处，密度约为。

D层形态：是电离层E的“缘”，在60－90km高空，白天带电离子密度高达，夜晚带电离子大量消失，甚至，不再显示D层的存在。D层带电离子具有区域性。

E层形态：约在90－140km的区域，位置稳定，电子密度－。

电离层不均匀结构：电离层带电离子密度高于或低于周围带电密度，通常差百分之几，最高差20％。不均匀结构分大尺度、中长度和小尺度不均匀结构。

大尺度不均匀结构：为几百－几千公里，取决于大气波动的传播矢量，通常南北几百公里，东西几千公里，是太阳爆发期间，在极区激发的大尺度重力波形成的。

中尺度不均匀结构：几十至几百公里，由中尺度重力波引起的。电离层扰动源一般是核爆、雷暴、火山、台风、地震等。

小尺度不均匀结构：几十至几百米，它的运动叫电离层漂移。在100km以下，是由大气湍流引起的。在更高的高度上，它是流体不稳定性引起的等离子体湍流，主要发生于E和F层。

四、    理想等离子体电磁波传输模式

4.1 色散关系

在无外加电荷和电流密度的情况下，等离子体中波场E和B满足麦克斯韦方程是：

              （1）

对上式进行傅立叶变换，可得

                    （2）

在条件下，联系了频率和波数的关系就是色散关系。

引入折射率矢量，它的方向与波矢一致，大小等于折射率。

4.2   电磁波

考虑横振波，即电场矢量垂直于波传播方向的横电磁波（）。可推得色散关系为：

                    （3）

其中为等离子体频率。

当时，折射率为虚数，即波矢量变成虚数。波被反射，反射趋肤深度。入射电磁波完全被等离子体反射。

与截止反射相似，当波的入射角大于布斯特角时，波发生全反射，

，相对真空，相对等离子体，反射如图2所示。

                   图2. 电磁波全反射示意图

要使任意入射角的电磁波均发生全反射，必须，相当于。当电磁波能在等离子体中传播。

五、    VHF传输模式分析

VHF波段电磁波以多种方式传播，诸如，地波、对流层散射和绕射传播、视距传播和超折射等方式。由于本文研究的是超视距传播，因此，视距传播方式不在讨论之列。文献[1]给出了VHF以表面方式传输的衰减结果，得出以表面波方式传播VHF电磁波衰减很大的结论。为了避免以表面波方式传播VHF电磁波，天线应当架设的尽量高，一般认为天线高度远大于电磁波长即可。因此，地面波传输模式也不是本文研究对象。

5.1反射传输模式分析

在１９６１年我国第六次星际航行讨论会上[1]，吕保维提出了一种天—地短波超视距通信的“滑行波”模式的完整理论。依短波传播理论，在电离层内有反射、穿透、环球传播三种可能传播方式。反射条件是，穿透条件是。其中为电离层折射系数，为反射点径向距离，为地球半径，脚标表示最小值。使的频率为“最高反射频率”。由于电离层可能出现各种不均匀结构，超视距通信就变得可能，但十分复杂。可能会出现“多次反射”、“多次反射加散射”或“滑行波”模式。忽略“滑行波”传播的其它因素，只考虑反射因素予以研究。

电磁波在界面上的反射，根据有关文献［2］，在斜入射情况下，其特性阻抗为：

                      （4）

式中下标“”表示水平极化，“”表示垂直极化，式中 为垂直入射时的特性阻抗，、、、分别为介质的磁导率及介电常数的实部和虚部，θ为入射角。因此，界面上的反射系数为：

 （5）

其中θi为入射角，θt为波在介质中的折射角，η是受射介质的特性阻抗，η0是空气特性阻抗。一般情况下空气特性阻抗为入射介质的特性阻抗。

两种极化的电磁波在不同入射角的界面反射系数如图3.所示[3]，假定磁导率及介电常数

图3.在不同入射角下，平行极化与水平极化时界面反射的比较。

由图3可见，入射电磁波与反射电磁波有0——25dB衰减，为了保险选择反射衰减为20dB，转换为功率衰减为40dB。

假定：天线仅对上半空间辐射，对流层反射高度10km，如图4所示。反射衰减40dB,接收机灵敏度－120dBm,设发射源为46dBm。

电磁波经路径和衰减，再经过对流层反射衰减－20dB，最终满足信号大于－100dBm才能实现电磁传输的目的。为了运算方便，设。根据假设，在接受端能够接受电磁信号的条件是：

    （6）

为了简单忽略，有，可推得水平传输最大距离为约为400km。

图4. 电磁波传输路径示意图

由上述推导可见，反射传输方式可以使VHF电磁波最大传输距离达400km以上，实现超视距传输。

5.2  超折射传输方式分析

如图5所示，电磁波在大气折射传输的几种轨迹。

图5 电磁波在大气传输轨迹示意图

当电磁波轨迹曲率与地球半径a之比为1时，称为临界折射，即。时，射线弯向地面反射，可以传向很远的地方，称为超折射。在标准大气条件下，，称为标准折射。

对流层大气折射率分段模型为：

   （7）

其中，为海拔高度h处的折射率（N单位）；为近地1km内的折射率剃度为地面上空1km-9km的指数衰减率（1/km），为海拔9km高处的折射率。

北京地区的分段式折射率为：

    （8）

图6示意超折射过程，射线曲率半径为，其中n为大气折射率，h为空间高度，为入射角。当<1时，产生超折射。第一段产生超折射的入射角，此角度不可能远距离传输电磁波；第二段产生超折射的入射角约为，如果以角度入射，折射最高点为9km，每跳距离约为1.2km,如果传输300km，需要230跳，地面衰减太大，基本不可能；第三段产生超折射的入射角约为。 以入射，折射高度30km,每跳距离为60km，300km需要5跳，如果每跳地面反射衰减为5dB，反射总衰减为25dB,满足式6条件，完全可以产生超折射传输的。

 

图6 超折射过程示意图

 

六、结论与展望

VHF电磁波超视距传输的主要方式有反射、超折射模式，超短波频段无线通信在带宽、传输质量等方面具有其他频段无可比拟的优势，但在实际应用中由于受到多径干扰、折射传输衰弱等不利因素影响，理论上，采用CPM调制与纠错编码结合，可以获取20dB信噪比增益，达成超视距传输的目的。

VHF电磁波具有多种传输方式。近距离（50Km）范围内，以视距传输和地波传输方式进行传播；远距离（50－300km）范围内主要以对流层超折射和散射方式进行传播。

“超视距通信设备”主要利用对流层超折射传输实现超视距通信。因为在电磁波轨迹曲率与地球半径之比小于1时，无线电信号传输射线轨迹弯向地面反射，经多次折反后能够传播到很远的地方，从而使通信传输距离大幅提高。电磁波超折射传输轨迹示意图见图1。

 

图1 电磁波超折射传输轨迹示意图

 

通过理论计算，电磁波折射和散射时每跳传输距离可达50Km以上，但其折射衰弱损耗大，尤其在恶劣天气环境下，其衰弱损耗高达-90dB以上；而且信号经折射后在远距离传输的多径干扰严重，多径超微弱信号成为常规设备的干扰噪声，严重影响其通信传输距离与传输效果。

为突破该频段通信设备传输距离瓶颈，实现超视距范围内的稳定通信，超视距窄带数字通信设备（以下简称“超视距通信设备”）在基于传统电磁波超折射理论基础上，采用软件无线电思想和全数字信号处理技术体制，采用低噪声、高动态范围、低损耗、高选择性的通带设计，采用深交织卷积编码、低信噪比解调、功率谱叠加与均衡技术的数字基带设计，确保设备在极微弱信号下能够获得足够的信噪比增益，突破了超短波频段超微弱场强(-127dBm)信号解调、信道纠错编码等关键技术，实现了该频段超视距通信的稳定传输，最大有效通信传输距离达到400多公里以上。

为充分验证“超视距通信设备”在海上真实环境下的工程应用可行性，2013年5月在在南海方向组织开展了专项性能摸底试验，试验期间经历暴雨、小雨以及中等风浪的等多种气象条件，岸（岛）基站设备之间以及岸（岛）基站设备与船载台设备之间稳定通信传输距离达350Km以上，累计试验时间达50小时以上。通过本次试验验证了该设备能够作为300Km范围内岸海间稳定通信的有效手段。