“陸地—海洋”分段路徑電波傳播特性測試

葉淋美，薛 珂，陳弘揚

(國家無線電監測中心福建監測站，廈門 361004)

“陸地—海洋”分段路徑電波傳播特性測試

葉淋美，薛 珂，陳弘揚

(國家無線電監測中心福建監測站，廈門 361004)

本文主要探索“陸地—海洋”分段路徑情況下的近地電波傳播特性，概述了幾種地表面波傳播模型，并對ITU-R P.1546建議書提及的經驗模型進行了預測和測試。

電特性；電波傳播；分段路徑

1 引言

電波傳播是無線電收發系統之間的信息傳輸過程,是電子系統的重要組成部分,電波離開天線進入媒質進行傳播。各種物理特性和時空結構的傳導媒質對電波的傳播可能產生兩個效應,一是實現所需傳播方式與特性的憑借作用,如高頻（HF）電離層反射,低頻（LF）地面繞射以及甚低頻與極低頻（VLF,ELF）的地球-電離層波導引導；二是對電波傳播的限制作用,包括衰減與擾動等傳播效應,導致信號可通率與可靠性下降以及各種功能的誤差,甚至使傳輸中斷,如無線電導航與雷達定位誤差和衛星信號閃爍以及電離層騷擾期間的短波通信中斷等。由于電波頻段極寬和傳輸媒質的多樣性,電波的傳播機理復雜。

研究電波傳播特性的主要目的是探索電波傳播過程中遇到不同介質產生的效應,電波傳播特性同時取決于媒質結構特性和電波特征參量。對于一定頻率和極化的電波與特定媒質條件相匹配,將具有某種占優勢的傳播信道和傳播模式。各種信道中,媒質復折射指數（包括介電常數,磁導率與電導率）的空間分布和時間變化及邊界狀態,是傳播特性的決定性因素。因此,無線電波傳播經過不同媒介時所表現的傳播特性也不同,較為典型的分段路徑是陸地與海洋組合的路徑情況。

2 分段路徑電波傳播特性

分段路徑環境對地波傳播的影響較為明顯?？拷乇砻娴臒o線電波從發射端到接收端的傳播過程中,有可能受到地面乃至地層內部媒質的影響；地形地貌的起伏和介質的變化（如海、陸的變化）,都不是均勻光滑的。在研究電波傳播特性時,需要根據無線電波本身的參數（如頻率/波長）來確定傳播信道先驗知識[1]：

⊙ 電磁波波長比地面粗糙度大得多時,地面可近似認為是光滑的。

⊙ 傳播路徑地面參數變化不太大時,可認為是均勻的。

⊙ 收發天線相距不是很遠（一百千米范圍內）,可認為地面是平面。

⊙ 收發天線相距較遠,則要考慮地球的曲率,看作是一個球面。

⊙ 電波頻率較低,滲入土壤的趨膚深度較大,而深部地層的導電率和介電常數和表層有顯著差別時,必須考慮地下分層對地波傳播的影響。

電波傳播經過水上路徑,受海水媒質的影響,傳播機制與在陸地上的存在差別。視距傳播多屬于地波或空間波,表1為均勻媒質中,地波傳播的有效距離隨頻率和媒質參數變化的關系：同一媒質中電磁波頻率越高,地波的傳播距離越短；同一工作頻率下,電導率σ和相對介電常數εr越低,傳輸距離越遠。通常情況下,海水的電磁參數σ＝5s/m,εr=81,表中第1條數據接近海水參數。因此,相對于陸地,水上（海洋）的地波傳播衰減速度更快。由此可見,介質導電率σ對地波傳播有顯著的影響。

表1 地波傳播的分界距離（km）

在實際情況中,地層還可能出現成層結構,即各層的導電率和介電常數差別較大,此時地波仍主要在空氣中沿地面傳播,小部分能力滲入地層,被地層吸收。另外,隨著大氣高度的增加,空氣越來越稀薄,折射率有所下降。對于某些精確的導航和授時系統來說,由于大氣的不均勻性使地波傳播速度發生變化,接收點信號的相位延遲不同,會給這些系統帶來直接的誤差。

3 ITU-R P.1546混合路徑測試

靠近廈門沿海的金門島位于兩岸之間,島上設有專門轉發臺灣VHF波段廣播的無線電臺站,因此,福建沿海與金門島之間的路徑是典型的分段路徑環境,滿足分段路徑下電波傳播特性的測試條件。本文根據ITU-R P.1546建議書中的場強插值方法來預測接收場強,結合金門方向的VHF調頻廣播監測開展實驗測試。

3.1 發射和接收

金門縣調頻廣播臺站信息,如表2所示,調頻廣播發射信號源的發射參數包括頻率、發射位置經緯度、天線高度等。經緯度說指示的地點是金門縣太武山。為了研究不同的分段路徑下的傳播特點,選取3個測量點進行測試,詳細信息記錄如表3所示。

表2 金門FM廣播電臺信息

表3 信號接收測試點信息

信號到達接收點的傳播路徑如圖1所示。從發射端到3個接收點所經歷的3條路徑均為“陸地—海洋”路徑,其中“T→R3”路徑較為復雜,海洋部分可能受到其他島嶼影響效應。

圖1 信號發射點和測試接收點位置分布

圖2 混合路徑測試示意圖

圖2為分段混合路徑示意圖,信號從發射端T先經過陸地,然后經過海洋到達沿海陸地接收點R, d1,d2分布為陸地路徑和海洋路徑長度。

3.2 預測理論

ITU-R P.1546模型畫出了典型頻率、距離、天線高度情況下的場強預測曲線,為了適應實際工作中的特殊參數,需要進行插值修正。本文泛取100MHz頻率曲線,忽略頻率部分的插值以及其他微小變化的插值。只考慮兩個主要因素的插值,距離插值和發射天線高度插值。

3.3 預測場強與測試值

利用監測接收機在上述實驗點位置開展監測,獲得目標頻點的信號接收場強值。ITU-R P.1546-5曲線取1kW有效輻射功率1%時間的場強值,為了在同等情況下的場強對比,監測數據取96.3MHz和99.6MHz兩個信號的測量值,與模型預測值比較情況如表4所示,其中海洋部分插值曲線采用冷海路徑曲線。

表4 接收點預測值和測量值

結果表明,通過ITU-R P.1546模型插值修正的預測場強與實際接收測量值相差不大,除信號無法收到情況外。雖然ITU-R P.1546經驗曲線對路徑地形（歐洲地形）、測量時間（時間概率）、發射頻率（典型頻率值）、傳播距離（整數倍距離）和天線高度（標稱高度）等參數取值具有特殊性,但在實際應用過程中,通過插值修正后同樣適用,具有一定的普適性。本文在福建沿海開展了相關測試,結果與預測值相近,驗證了該模型在中國沿海無線電波傳播研究中的適用性。

4 結束語

本文的對“陸地—海洋”分段路徑的近地電波傳播特性進行了探索,研究了幾種涉及地表面波傳播模型的方法,重點進行了ITU-R P.1546經驗模型在中國沿海地區分段路徑的實驗驗證。結果表明該模型具有普適性,滿足實踐應用需求,能夠起到對無線電監測工作的理論輔助作用。

[1]聞映紅．天線與電波傳播理論[M]．北京：清華大學出版社,2005,11

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[5]30MHz至3000MHz頻率范圍內地面業務點對面預測的方法．ITU-R P.1546-5. 2013. 1

Propagation Properties Test of Land-to-Sea Path

Ye Linmei, Xue Ke, Chen Hongyang
(State Radio Monitoring Center Fujian Station, Xiamen, 361004)

This paper summarizes some surface propagation properties models under the land-to-sea segment propagation path. Theory prediction and monitoring test are taken to the ITU-R P.1546 recommendation experience model.

Electrical Properties; Propagation Properties; Segmentation Path

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.022

TN011.4 文獻標示碼：A

1672-7274（2016）12-0070-03