海上無線信道電磁波傳播

李宏敏 高書強

摘要：高頻無線電在生活中應用廣泛。比如船舶在海洋上航行，需要通過高頻無線電來傳播。當HF天波頻率低于最大可用頻率（MUF），HF天波在電離層和地球表面之間的一次或多次反射，就能進行遠距離無線電通信。本文中，我們分析了高頻無線電在電離層、空氣以及不同平面上的反射損耗特性，得到高頻無線電的傳播規(guī)律。

關鍵詞：HF天波；無線電通信；反射損耗；海上信道模型

1.高頻無線電反射損耗分析

電離層可以被看成是球面分層結構，電子密度在每一個薄層內均勻分布。則當高頻電波入射電離層時，經(jīng)多次折射后返回地面。我們發(fā)現(xiàn)，高頻電波在電離層的衰減效果僅與穿過等離子體的高頻電波的角頻率和入射角有關。高頻無線電在地球表面反射是瞬間完成的，損耗也是瞬間產(chǎn)生的。不同表面上的由于反射類型不同（鏡面反射與漫反射）、介電常數(shù)、表面粗糙程度等不同造成反射系數(shù)不同，從而造成反射損耗的差異。

特別對于山地和崎嶇地帶，高山自身對反射波的阻隔是主要損耗因素。一方面反射損耗的計算不能只考慮表面反射系數(shù)，另一方面此時繞射波相對而言不能忽略。最后我們得到四種不同情況下，傳播能量隨距離的變化曲線。

通過matlab仿真計算，對四種無線電波傳輸環(huán)境的分析，我們得到了相應的結論：HF無線電波傳播過程高山與崎嶇地形的陸地損耗最大，平坦陸地反射損耗次之，湍流海平面反射損耗較小，平靜海平面反射損耗最小。

2.海上無線電信道傳播模型

我們首先建立自由空間模型、電離層模型、海洋信道模型，分別計算出自由空間基本傳輸損耗、電離層吸收損耗、海洋反射損耗，從而計算出高頻電波在經(jīng)過一跳后的功率，并計算出其在平靜海面所能傳輸?shù)淖畲筇鴶?shù)。在自由空間模型中，我們考慮高頻電波以球面波形式輻射。在電離層模型中，我們先考慮電離層中粒子碰撞對高頻電波損耗的影響，再計算高頻電波在電離層中的損耗路徑。在海洋信道模型中，我們先考慮信道參數(shù)——海面粗糙程度、Fresnel反射系數(shù)與鏡面反射系數(shù)，再建立鏡面反射模型與漫反射模型。接下來，我們利用上述三個模型，計算出高頻電波在平靜海洋與湍流海洋進行一跳后的強度，并得到了“不同海洋面的反射對于HF無線電波強度的影響較小”的結論。

我們發(fā)現(xiàn)在原先的模型中，只對無線電波在傳播介質中的損耗進行了分析，并未就發(fā)射跳數(shù)及有效傳播路徑的最大值進行分析。

3.影響船舶無線電通信的因素分析

實際航行時，需要考慮通信盲區(qū)以及船舶能保持通信的航行最遠距離。分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射端天線的角度、高度以及高頻無線電頻率能影響無線電傳播距離。

發(fā)射端天線的高度對無線電傳播距離沒有影響，但是高度越大，通信盲區(qū)會略微減小。

發(fā)射端天線的角度也同樣應當合理選擇。如果頻率選擇太高，無線電波會穿透電離層，無法反射；如果頻率選得過低，由于電離層衰減常數(shù)與頻率的平方成正比，電波將會在電離層衰減過大，無法保證船舶正常的接收信號。

參考文獻：

[1]黃芳.海上無線電波傳播特性與信道建模研究[D].海南大學，2015.

[2]儀青帝.海域電磁波傳播模型研究[D].海南大學，2015.

[3]白亞軍.電離層對高頻電波傳播的影響研究[D].西安電子科技大學，2014.

作者簡介：

李宏敏（1996.12-）女，漢族，本科生，研究方向：通信工程專業(yè) 411302199612093728

高書強（1979.04-）男，漢族，鄭州大學實驗師，研究方向：計算機應用技術