“陆地—海洋”分段路径电波传播特性测试

叶淋美，薛 珂，陈弘扬

(国家无线电监测中心福建监测站，厦门 361004)

“陆地—海洋”分段路径电波传播特性测试

叶淋美，薛 珂，陈弘扬

(国家无线电监测中心福建监测站，厦门 361004)

本文主要探索“陆地—海洋”分段路径情况下的近地电波传播特性，概述了几种地表面波传播模型，并对ITU-R P.1546建议书提及的经验模型进行了预测和测试。

电特性；电波传播；分段路径

1 引言

电波传播是无线电收发系统之间的信息传输过程,是电子系统的重要组成部分,电波离开天线进入媒质进行传播。各种物理特性和时空结构的传导媒质对电波的传播可能产生两个效应,一是实现所需传播方式与特性的凭借作用,如高频（HF）电离层反射,低频（LF）地面绕射以及甚低频与极低频（VLF,ELF）的地球-电离层波导引导；二是对电波传播的限制作用,包括衰减与扰动等传播效应,导致信号可通率与可靠性下降以及各种功能的误差,甚至使传输中断,如无线电导航与雷达定位误差和卫星信号闪烁以及电离层骚扰期间的短波通信中断等。由于电波频段极宽和传输媒质的多样性,电波的传播机理复杂。

研究电波传播特性的主要目的是探索电波传播过程中遇到不同介质产生的效应,电波传播特性同时取决于媒质结构特性和电波特征参量。对于一定频率和极化的电波与特定媒质条件相匹配,将具有某种占优势的传播信道和传播模式。各种信道中,媒质复折射指数（包括介电常数,磁导率与电导率）的空间分布和时间变化及边界状态,是传播特性的决定性因素。因此,无线电波传播经过不同媒介时所表现的传播特性也不同,较为典型的分段路径是陆地与海洋组合的路径情况。

2 分段路径电波传播特性

分段路径环境对地波传播的影响较为明显。靠近地表面的无线电波从发射端到接收端的传播过程中,有可能受到地面乃至地层内部媒质的影响；地形地貌的起伏和介质的变化（如海、陆的变化）,都不是均匀光滑的。在研究电波传播特性时,需要根据无线电波本身的参数（如频率/波长）来确定传播信道先验知识[1]：

⊙ 电磁波波长比地面粗糙度大得多时,地面可近似认为是光滑的。

⊙ 传播路径地面参数变化不太大时,可认为是均匀的。

⊙ 收发天线相距不是很远（一百千米范围内）,可认为地面是平面。

⊙ 收发天线相距较远,则要考虑地球的曲率,看作是一个球面。

⊙ 电波频率较低,渗入土壤的趋肤深度较大,而深部地层的导电率和介电常数和表层有显著差别时,必须考虑地下分层对地波传播的影响。

电波传播经过水上路径,受海水媒质的影响,传播机制与在陆地上的存在差别。视距传播多属于地波或空间波,表1为均匀媒质中,地波传播的有效距离随频率和媒质参数变化的关系：同一媒质中电磁波频率越高,地波的传播距离越短；同一工作频率下,电导率σ和相对介电常数εr越低,传输距离越远。通常情况下,海水的电磁参数σ＝5s/m,εr=81,表中第1条数据接近海水参数。因此,相对于陆地,水上（海洋）的地波传播衰减速度更快。由此可见,介质导电率σ对地波传播有显著的影响。

表1 地波传播的分界距离（km）

在实际情况中,地层还可能出现成层结构,即各层的导电率和介电常数差别较大,此时地波仍主要在空气中沿地面传播,小部分能力渗入地层,被地层吸收。另外,随着大气高度的增加,空气越来越稀薄,折射率有所下降。对于某些精确的导航和授时系统来说,由于大气的不均匀性使地波传播速度发生变化,接收点信号的相位延迟不同,会给这些系统带来直接的误差。

3 ITU-R P.1546混合路径测试

靠近厦门沿海的金门岛位于两岸之间,岛上设有专门转发台湾VHF波段广播的无线电台站,因此,福建沿海与金门岛之间的路径是典型的分段路径环境,满足分段路径下电波传播特性的测试条件。本文根据ITU-R P.1546建议书中的场强插值方法来预测接收场强,结合金门方向的VHF调频广播监测开展实验测试。

3.1 发射和接收

金门县调频广播台站信息,如表2所示,调频广播发射信号源的发射参数包括频率、发射位置经纬度、天线高度等。经纬度说指示的地点是金门县太武山。为了研究不同的分段路径下的传播特点,选取3个测量点进行测试,详细信息记录如表3所示。

表2 金门FM广播电台信息

表3 信号接收测试点信息

信号到达接收点的传播路径如图1所示。从发射端到3个接收点所经历的3条路径均为“陆地—海洋”路径,其中“T→R3”路径较为复杂,海洋部分可能受到其他岛屿影响效应。

图1 信号发射点和测试接收点位置分布

图2 混合路径测试示意图

图2为分段混合路径示意图,信号从发射端T先经过陆地,然后经过海洋到达沿海陆地接收点R, d1,d2分布为陆地路径和海洋路径长度。

3.2 预测理论

ITU-R P.1546模型画出了典型频率、距离、天线高度情况下的场强预测曲线,为了适应实际工作中的特殊参数,需要进行插值修正。本文泛取100MHz频率曲线,忽略频率部分的插值以及其他微小变化的插值。只考虑两个主要因素的插值,距离插值和发射天线高度插值。

3.3 预测场强与测试值

利用监测接收机在上述实验点位置开展监测,获得目标频点的信号接收场强值。ITU-R P.1546-5曲线取1kW有效辐射功率1%时间的场强值,为了在同等情况下的场强对比,监测数据取96.3MHz和99.6MHz两个信号的测量值,与模型预测值比较情况如表4所示,其中海洋部分插值曲线采用冷海路径曲线。

表4 接收点预测值和测量值

结果表明,通过ITU-R P.1546模型插值修正的预测场强与实际接收测量值相差不大,除信号无法收到情况外。虽然ITU-R P.1546经验曲线对路径地形（欧洲地形）、测量时间（时间概率）、发射频率（典型频率值）、传播距离（整数倍距离）和天线高度（标称高度）等参数取值具有特殊性,但在实际应用过程中,通过插值修正后同样适用,具有一定的普适性。本文在福建沿海开展了相关测试,结果与预测值相近,验证了该模型在中国沿海无线电波传播研究中的适用性。

4 结束语

本文的对“陆地—海洋”分段路径的近地电波传播特性进行了探索,研究了几种涉及地表面波传播模型的方法,重点进行了ITU-R P.1546经验模型在中国沿海地区分段路径的实验验证。结果表明该模型具有普适性,满足实践应用需求,能够起到对无线电监测工作的理论辅助作用。

[1]闻映红．天线与电波传播理论[M]．北京：清华大学出版社,2005,11

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[5]30MHz至3000MHz频率范围内地面业务点对面预测的方法．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 文献标示码：A

1672-7274（2016）12-0070-03