无线系列-无线通信频段与电波传播

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0.前言

利用电磁波的辐射和传播经过空间传送信息的通信方式称之为无线电通信

（Radio Communication）也称之为无线通信利用无线通信可以传送电报、电话、传真、数据、图像以及广播和电视节目等通信业务。

1.无线通信使用的频率和波段

无线通信初创时期使用的频率较低频率范围较窄波段主要限于长波和中波随着科学技术的不断进步使用的频率范围逐步扩大目前无线通信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段包括亚毫米波以下以至光波无线通信使用的频率范围和波段见表1-1。

在一些欧美日等西方国家常常把部分微波波段分为L S C X Ku K Ka等波段或称子波段如表1-2所示

2.无线通信所涉及到的地球大气层.

无线通信中的电磁波传播会涉及到地球大气层，这里主要介绍一下地球大气

层的有关知识。

地球上面的大气层的结构如图所示。地球大气层中最低的一层是对流层，其厚度平均约10~20 公里，由于其贴近地表面，大气的温度随着高度增加而下降，空气对流十分频繁。所谓“对流”的称谓就是基于“空气对流剧烈”而确定的。对流层的平均高度随地域变化而有所差异，温带地区为10~12 公里，赤道附近为16~18 公里。在对流层集中了大气中90%以上的水气和3/4以上的大气质量。.

在对流层的上面一-层是平流层，又称同温层，距地面约20~40 公里。在平流层上面是电离层。

电离层是地球大气层的一部分。处于这种高度的大气，其对流作用甚小，在太阳的辐射作用以及宇宙射线的影响下产生电离，形成相当多的离子和自由电子。按离地球表面的高度，电离层依次分为D层、E层、F,层和F2层等四层，如图1-2所示。在白天，这四层电离层均存在;在晚上，D层消失，F,层和F2层合并为一层(这时仍称为F2层)。

3.无线通信的电磁波传播

无线通信中的电磁波按照其波长的不同具有不同的传播特点，下面按波长分述如下:

（1）极长波(极低频ELF)传播

极长波是指波长为1~10万公里(频率为3-30Hz)的电磁波。理论研究表明,这一波段的电磁波沿陆地表面和海水中传播的衰耗极小。

（2）超长波(超低频SLF)传播

超长波是指波长1千公里至1万公里(频率为30 -300Hz)的电磁波。这一波段的电磁波传播-十分稳定，在海水中衰耗很小(频率为75Hz 时衰耗系数为0.3dB/m)对海水穿透能力很强，可深达100m以上。

（3）甚长波(甚低频VLF)传播

甚长波是指波长10公里~100公里(频率为3~30kHz)的电磁波。无线通信中使用的甚长波的频率为10~30kHz，该波段的电磁波可在大地与低层的电离层间形成的波导中进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。

（4）长波(低频LF)传播

长波是指波长1公里~10公里(频率为30~300kHz)的电磁波。其可沿地表面传播(地波)和靠电离层反射传播(天波)。天波虽然可由电离层反射传播较远，但电离层对其吸收较强，且由于低层电离层参数变化大，极不稳定，衰落严重。地波传播主要与大地的导电率有关，传播较为稳定，在陆地-般传播距离为几十到几百公里。

当天波、地波同时存在时，会产生相互干涉,也会形成衰落。当地波在海面上传播时，由于海水导电率高，因而电磁波衰耗较小，传播距离比陆地要远得多，可达数百乃至数千公里。该波段的低端(30~60kHz)的电磁波能穿透一-定深度的海水，可用于对潜艇通信。

（5）中波(中频MF)传播

中波是指波长100 米~1000米(频率为300~3000kHz) 的电磁波。中波可沿地表面传播(地波)和靠电离层反射传播(天波)。中波沿地表面传播时，受地表面的吸收较长波严重。中波的天波传播与昼夜变化有关。

在白天，电离层的D层对中波吸收较为严重，中波难以天波的形式传播，只能靠地波传播。在夜间，电离层的D层消失，E层电子密度下降，高度上升，对中波的吸收减小，因而中波可由电离层的E层反射。在夜间，中波除靠地波传播之外，还靠天波传播。

（6）短波(高频HF)传播

短波是指波长为10 米~100米(频率为3~30MHz)的电磁波。短波可沿地表面传播(地波)，沿空间以直接或绕射方式传播(空间波)和靠电离层反射.传播(天波)。由于地表面对短波的吸收强烈(与中波相比)，且随频率的升高而明显增大。因而，短波的地波传播一般不超过几十公里 (在短波的低端)。短波的空间波传播主要是靠电波的直射和绕射传播。空间波传播方式不是短波的主要传播方式。

短波的天波传播是短波传播的主要方式。短波的天波传播与电离层的变化(昼夜变化，季节和年的变化，以及磁暴、太阳黑子变化、核爆炸等)密切相关，也与天线的仰角和工作频率密切相关。由于电离层折射系数的梯度分布及与频率的关系，短波的传播过程中存在着多径效应，因而存在着严重的衰落现象。

（7）超短波(甚高频VHF)传播

超短波是指波长为1米~10米(频率为30~300MHz)的电磁波。由于地表面对超短波的吸收严重，同时也由于超短波对电离层的穿透能力强，其在电离层中的折射系数趋近于1，因而经电离层反射(天波)的能量很小。

所以超.短波难以靠地波和天波传播，而主要以直射方式(即所谓的“视距”方式)传播。另外，由于对流层中的大气湍流气团对超短波有散射作用，因而超短波利用这种散射作用，可实现超短波的“超视距”传播，超短波具有- -定的绕射传播能力，其频率越高，绕射能力也就越差。

（8）微波传播

微波是指波长小于1米(频率高于300MHz)的电磁波。目前又按其波长的不同，分为分米波(特高频UHF)、厘米波(超高频SHF)、亳米波(极高频EHF)和亚亳米波(至高频THF)。

微波的传播类似于光波的传播，是一种视距传播。其主要在对流层内进行。总的说来，这种传播方式比较稳定，但其传播也受到大气折射和地面反射的影响。另外，对流层中的大气湍流气团对微波有散射作用。利用这种散射作用可实现微波的超视距传播。

（9）激光传播

鉴于光也是一种电磁波，而激光是相干性好的单色光。因而激光的传播也是-一种电磁波的传播。

激光在大气中的传播主要是视距传播，易受气候影响。大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等对激光信号有吸收作用;大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、水晶、盐粒子、微生物和微小水滴对光信号均有散射作用，由地球表面的空气对流引起的大气湍流可对激光传播产生光束偏转、光束扩散和光速闪烁，某些波长的激光(如λ=0.5μm的兰绿激光)可在水中传播。

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