電磁波在自然環(huán)境中的傳播方式

電磁波在自然環(huán)境中的傳播時(shí)，受媒質(zhì)情況的影響可能出現(xiàn)繞射、反射、折射及散射等現(xiàn)象，波的傳播方向?qū)l(fā)生改變：電磁波在傳播過程中，隨著其傳播距離的變遠(yuǎn)而使其能量變得越加分散，而且媒質(zhì)也不同程度的吸收電磁波的能量，因此在傳播過程中電磁波的強(qiáng)度將不可避免地發(fā)生衰減。對于電磁波傳播過程中出現(xiàn)的這些問題和現(xiàn)象，道理好講而定量分析則相當(dāng)困難，它要涉及到很多其它學(xué)科領(lǐng)域的知識。

一、電磁波在自然環(huán)境中的傳播有以下幾種基本傳播方式：

1、地表面波（地波）傳播

天線輻射的電磁波沿地表面?zhèn)鞑ハ蜻h(yuǎn)方，長、中、短的電磁波，地表面波是主要的傳播方式。下圖是地表面波傳播的示意圖：

地球表面的物理性質(zhì)是很復(fù)雜的而且是不均一的，地表具有一定的導(dǎo)電能力（用導(dǎo)電系數(shù)或電阻率來表示）和介電常數(shù)?？梢园蜒氐乇韨鞑サ碾姶挪醋鍪菍Φ孛嫒肷浣铅萯=90°的入射波，那么進(jìn)入地面折射波的折射角為：

Sinθt=n0/n=1/n

這就是說地表面波傳播的過程中有向地表下傳播的波。其后果是分流了地表面波的能量而增大了傳輸衰減；同時(shí)由于向地表以下傳播的波的存在，使原來地表面波的等相位面向前傾斜。

至于地表面對沿地表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǖ奈湛梢宰鲞@樣的物理理解：電磁波沿地面?zhèn)鞑r(shí)，電荷在地表面感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷隨電磁波的傳播而移動形成電流，它所造成的歐姆損耗就是地表面對地表面波的的吸收衰減。地表面波的頻率越高，因趨表效應(yīng)增大了地表對感應(yīng)電流的電阻，則地表對地表面波吸收越嚴(yán)重。大地對地表面波的吸收問題，這樣的解釋是很準(zhǔn)確的，但計(jì)算起來卻是相當(dāng)復(fù)雜和困難的。

大地表面是比較穩(wěn)定的媒質(zhì)，地表面波傳播很穩(wěn)定，地表面波主要用于長波、中波波段的電磁波傳播，而且沿海面?zhèn)鞑r(shí)的衰減要比沿陸地傳播時(shí)小得多，或者說沿海面?zhèn)鞑r(shí)通信距離要遠(yuǎn)的多。

2、電離層反射（天波）傳播

發(fā)射天線輻射向高空的電磁波，因高空中電離層的反射而返回地面到達(dá)接收點(diǎn)，如下圖所示：

由于高空電離層對不同波段的電磁波的吸收和折射的情況不同，電離層反射傳播電磁波的方式主要用于中波和短波波段。

在距離地表面60～80km以上的高空，稀薄的空氣在太陽的輻射能的作用下將會發(fā)生電離，形成厚度為數(shù)百千米的高空電離層。空氣電離的程度用電子密度Ne來表示，下圖為隨著距地面高度h的變化電離層中電子密度Ne的大致變化規(guī)律，按照這個(gè)分布規(guī)律，可把電離層分為D、E、F1及F2各層，每層中都有一電子密度的最大值。

電離層中電子密度變化及分層等問題成因復(fù)雜，我們無需深究。但是要注意的是，電離層中電子密度不是恒定不變的，它與太陽輻射直接相關(guān)，因此有所謂的日變化和年變化。對此人們已基本上總結(jié)和掌握了它的變化規(guī)律。顯然，白天電離層電子密度大，中午時(shí)電離層中電子密度最大，到了晚間電離層中電子密度下降（部分正負(fù)離子復(fù)合），距太陽最遠(yuǎn)的D層和E層將會消失，這就是電離層的日變化。就一年四季來說，夏季電離層中電子密度最大。要指出的是太陽并不是一個(gè)物理狀態(tài)穩(wěn)定的輻射體，太陽的活動會引起電離層沒有規(guī)律的變化（成為電離層騷動）。

1）電離層對電磁波的反射

由電動力學(xué)可知，自由電子密度為Ne的各向同性均勻媒質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr=1-80.8Ne/f2，電子密度為Ne的電離層的折射率為：（其中f為電磁波頻率）

我們可以把電子密度不均一的電離層分為許多電子密度均一的小薄層（見下圖）。令各薄層的電子密度：Ne1

N0sinθi=n1sinθt1=n2sinθt2=…

以上討論告訴我們，電磁波進(jìn)入電離層的反射實(shí)質(zhì)上是一種連續(xù)折射的結(jié)果。若已知電離層的最大電子密度Nek=Nmax，則在電磁波以θi角度入射電離層時(shí)，電磁波的最高可用頻率為fmax。若電磁波頻率f﹥fmax，因電離層中不存在比Nmax更大的電子密度，電磁波則不能返折回地面。這也正是超短波、微波段的電磁波不能由電離層反射回到地面的原因。

在已知電離層最大電子密度Nmax，電磁波頻率f時(shí)，可以求出能使電磁波返折回地面的最小入射角θmin。電磁波的頻率越高，這個(gè)θmin越大。這就是說利用電離層反射傳播電磁波時(shí)，在以發(fā)射天線為中心的一個(gè)區(qū)域內(nèi)經(jīng)電離層發(fā)射回來的電磁波不能到達(dá)地面被接收，這一區(qū)域稱為天波傳播的盲區(qū)。

還要注意到發(fā)射天線主向指向電離層而取得電離層反射傳播時(shí)，天線有一定的主瓣寬度，這樣入射到電離層的電磁波可視為入射角不同的多徑射線。這些射線以偏開θi的角度入射到電離層，并在各自高度上被反射回來，這樣在接收點(diǎn)將可能收到經(jīng)多條路徑傳播來的同一原發(fā)信號，這就是利用天波通信時(shí)的多徑效應(yīng)。而且由于電離層的電子密度不斷變化（電離、復(fù)合的動態(tài)過程），將最終使接收點(diǎn)合成場強(qiáng)發(fā)生變化，稱之為衰落現(xiàn)象?？顾ヂ鋯栴}，是利用天波通信中必須認(rèn)真解決的一個(gè)重要技術(shù)問題。

2）電離層對電磁波的衰減

天線輻射的電磁波進(jìn)入電離層后，電離層中的自由電子受電磁波電場力的作用而獲得加速，受到電場力的加速而運(yùn)動的電子與電離層中的離子和中性分子碰撞，把能量傳遞給它們，并不斷從電磁波中獲得能量。這就是電離層吸收電磁波的能量，是經(jīng)電離層反射傳播的電磁波產(chǎn)生衰減的直接原因。

顯然，若電離層中的離子和中性分子的密度越大，發(fā)生上述碰撞的概率和次數(shù)也越大，對電磁波的吸收也越嚴(yán)重。電離層之D層、E層雖然電子密度不是最大，但是離子特別是中性分子和原子的密度大，因此電離層對電磁波的吸收主要發(fā)生在D層和E層。

其次，若電磁波的頻率較低，則振蕩周期較長，更利于電離層中的電子加速運(yùn)動（也可解釋為諧振），因而電離層對較高頻率的電磁波吸收要小。因此用電離層反射方式來傳播電磁波，要盡量采用較高的工作頻率。而前面討論中對利用電離層反射傳播的電磁波有最高工作頻率的限制，因此利用電離層反射傳播電磁波有一個(gè)最佳頻率范圍，這個(gè)最佳頻率范圍就是中波和短波波段，特別是短波波段。

再者是，對電離層來說，D層晚間將會消失。而D層對電磁波的吸收最為嚴(yán)重，因此晚間天波信號將會大大增加，所以我們晚間接收到的短波電臺非常多就是這個(gè)道理。

3、直視（空間波）傳播

即電磁波的似光傳播，也稱為直接波傳播。此種情況下電磁波的傳播路徑就是發(fā)射與接收天線的連接直線。直視傳播是超短波和微波段的基本傳播方式，直視傳播的示意圖見下圖：

電磁波的直視傳播就是沿發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間的直線傳播的方式。

1）地面兩點(diǎn)間的最大視距

我們把地球理想化為標(biāo)準(zhǔn)圓球體（地球的平均半徑R=6370km），若發(fā)射天線和接收天線的高度分別為h1和h2，那么根據(jù)下圖就很容易求出h1和h2頂點(diǎn)連線的最大可能值（與地表相切時(shí)），即最大視距。

2）地面反射波對接收點(diǎn)場強(qiáng)的影響

遠(yuǎn)離地面架設(shè)的天線（視距傳播）除了從發(fā)射天線到接收天線的直接輻射波外，在接收點(diǎn)處還必須考慮從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收點(diǎn)處的反射波。

在r與h1確定的情況下，接收點(diǎn)場強(qiáng)模值E與接收天線高度h2有關(guān)，但是并不是接收天線高度h2的取值越高越好。

3）大氣層對電磁波的折射與衰減

地表以上的大氣層并不是一種均勻媒質(zhì)，它的溫度、濕度和壓力都是隨高度變化的。地球物理學(xué)的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)大氣層的相對介電常數(shù)隨著其距地表面高度的增加而逐漸減少并趨近于1。因此大氣層對電磁波的折射率，隨著距地面高度的增加而逐漸減小并趨近于1。

我們同樣可以把大氣層分成折射率恒定的若干薄層，則n1﹥n2﹥n3…。那么電磁波通過每一分層界面時(shí)，其傳播方向都要向地表面方向偏折一次，宏觀地看，電磁波在大氣層中的傳播路徑是一條向下彎曲的弧線，這樣直視波的傳播會更遠(yuǎn)些。

大氣層對電磁波造成衰減的原因是云、霧、雨等的水珠對電磁波的吸收，同時(shí)云、霧、雨中的水珠還會對電磁波產(chǎn)生散射。研究表明，對于工作頻率低于3GHz的電磁波可不考慮大氣層對電磁波的衰減，當(dāng)工作頻率高于10GHz時(shí)大氣層對電磁波的衰減就不能不考慮了。

4、散射波傳播

向高空輻射的電磁波在對流層和電離層下緣遇到不均勻介質(zhì)團(tuán)時(shí)會發(fā)生散射，一部分散射波可以到達(dá)接收點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)通信。散射傳播主要是在超短波段，下圖為散射傳播的示意圖：

二、各波段電磁波的傳播

總結(jié)以上的討論，我們可以確定各波段的電磁波各以那種傳播方式傳播最為適宜，這對各波段的天線設(shè)計(jì)和使用也是非常重要的。

長波波段：由于電磁波的頻率低，以地表面波傳播最為適宜，傳播距離可達(dá)1000～2000km。長波波段的電磁波也可用天波傳播，傳播距離可以更遠(yuǎn)，但是白天不可。長波波段可用頻帶寬度很窄，但其傳播穩(wěn)定，通常用于海上救援通信和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（授時(shí)臺）等。

中波波段：中波波段電磁波的頻率較低，適合于地表面波傳播，傳播距離可以達(dá)數(shù)百千米。也可用天波傳播，傳播距離遠(yuǎn)得多，但是由于電離層的D層吸收嚴(yán)重，所以也不能白天工作。中波波段電磁波以地波方式傳播穩(wěn)定，因此中波波段的很大部分頻帶寬度被廣播電臺占用。

短波波段：適合采用天波傳播方式，通信距離可達(dá)數(shù)千千米。在衛(wèi)星通信出現(xiàn)之前，地---地間超遠(yuǎn)程通信就是靠短波天波傳播實(shí)現(xiàn)。短波波段電磁波也可以用地表面波方式傳播，但因其頻率較高，地面衰減較大，傳輸距離不超過數(shù)十千米，可作近距離通信用。

超短波段和微波波段：這兩個(gè)波段的電磁波頻率高，用地表面波傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，只能傳播較近的距離（超短波時(shí)不超過幾千米，微波波段距離更近而不能用）。天波傳播也不可能。因此超短波段和微波波段是采用空間波傳播，若實(shí)現(xiàn)地---地間通信就必須考慮視距問題和地面反射波的干涉問題。但是它們可以穿越電離層，這使得衛(wèi)星通信等與外層空間目標(biāo)的聯(lián)系必須使用超短波段和微波波段。超短波段還可以利用散射傳播方式實(shí)現(xiàn)散射通信。