高頻多跳無線電波的反射衰減的分析

郭家琪

摘 要：在高頻率（HF，定義為3-30兆赫），無線電波可以通過多次反射，脫離電離層和地球進行長途旅行（從地球表面的一個點到地球表面的另一個遙遠的地方）。低于最高可用頻率（MUF）的來自于地面源的高頻無線電波從電離層反射回地球之后可能再次反射回電離層，此后可能再次的反射回地球，如此反復，每一次連續跳躍都會使旅行達到更遠。在其他因素中，反射表面的特性決定了反射波的強度，以及信號在保持有用信號完整性的情況下最終會傳播多遠。而且，隨著季節，朝夕之間和太陽條件的變化，最高可用頻率也有所不同。高于最高可用頻率的波頻不會經過反射和折射，而是穿過電離層進入太空。在這個問題上，重點集中到海平面之上的反射。經驗發現，洶涌的海面上的反射比平靜的海面上的反射被減弱的程度更多。海洋湍流將影響海水的電磁梯度，改變海洋的局部介電常數和磁導率，改變反射面的高度和角度。波濤洶涌的海面，浪高、形狀和頻率變化很快，波的傳播方向也可能發生改變。由此可知，多跳高頻無線電的可用通信傳播范圍受近表面反射器的影響很大。電磁波在地表的反射引起能量衰減。

關鍵詞：高頻 多跳 反射 能量衰減

中圖分類號：TN01 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0041-02

文章對自然環境中復雜的海浪和山區進行了提取，得到部分正弦圖像和直線圖像，用簡單的正弦函數和水平軸來描述。只有這些正弦圖像和線性圖像在環境中均勻地出現以簡化環境，正弦函數的參數才能描述表面的粗糙度。在每次討論中，都要固定斜率來表示射電反射面的入射角。利用簡單的數學公式和物理公式求出周期內的非有效反射部分，從而得到反射器反射公式的表達式。

比較平靜海面和湍流海面的反射差異，可以比較它們的電磁損耗。可以用包含所有參數的反射率公式來模擬多跳反射的物理傳播特性，建立相應的差分方程。通過MATLAB軟件，在可行范圍內平等地調整參數值，從而改變無線電波的跳數和傳播距離。通過對數據的綜合分析，找到方程的合理解。根據這些合理的參數，模擬電波在粗糙海面上的傳播，并求解相應的最大通信時間。

1 數據獲取

我們所參與的電離層的主要參數，如表1所示。

2 建立模型

在這一部分中，我們將建立一個模型來模擬無線電波傳播的距離和強度的變化。首先，對電磁波在海面上的傳播進行了模擬，討論了電磁波、電離層和海平面等各種因素對傳播距離和傳播強度的影響，得到了合理的結果。然后對該模型進行了改進，并將其應用于在山地和平地傳播的電磁波。最后，將該結論應用于海上無線電通信，得出了星載接收機可以在相同的無線電波多跳路徑下保持呼叫時間的結論。

模型設計：A：電離層模型B：海洋模型C：山區模式D：平滑地形模型

2.1 電離層和海洋模型

根據電磁場理論，可以得到電離層的衰減系數。

2.2 山區模型

在我們的模型中，我們假設電磁波不能在山谷中傳播，而在山坡或山頂上，在滿足路徑關系時電磁波的入射點可以反射。

山頂：

所以傳播方程滿足：

3 模型檢測

當無線電波發射角變化時，衰減過程和傳播距離也會發生變化。角度越大，反射率越高，最大跳躍越大，但每次跳躍的距離越短。這三個參數之間沒有線性關系。當無線電反射出平靜的海洋時，發射角從20度到80度不等。可以發現，電磁波的強度在低于可用信噪比之前，發射角較小，距離較遠，但在2000m的行程后，只能在微弱的強度下傳播，在實際情況下，低強度的電磁波很容易被吸收。而高頻電磁波在整個傳輸過程中是很強的，但總傳播距離很短。綜合考慮，選擇初始發射角為56°是合理的。在實際應用中，無線電發射機的發射角受多種自然條件的影響，但也保持在中等水平。通過檢測我們還可以得出，平靜的海面和波濤洶涌的海面對電磁波的吸收變化很大。

4 模型分析

4.1 優勢

（1）該模型的設計符合基本原理，模型結構簡單易懂。在分析影響無線電波傳播的因素時，每個變量的運算都比較容易。

（2）該模型參數集具有通用性，適用范圍廣，可以解決一般問題。

（3）該問題是有區別的，模型的效率很高。

4.2 劣勢

（1）.在研究過程中，電離層傳播過程中無線電波的簡化程度過高。

（2）某些參數的確定有些主觀。

（3）由于分析時間有限，近地表分布計算具有均勻性和周期性，過于理想化。

5 結語

未來為了提高海洋模型和山區模型的實際效果，我們希望去實地，從綜合數據中獲得準確的參數。根據實際調查結果，對山區模型進行了修正。增加山區地形分布的隨機性，使分析更加全面。對無線電波傳播的特殊情況和無線電頻率進行了逐一的考慮和分析。將結論應用到生活和生產，模擬參數的結果可以幫助設計發射器根據無線電覆蓋區域的景觀，選擇最佳的發射方向的信號能量。接收方可以優化設備，從而使高頻無線電通信更加穩定和方便。

參考文獻

[1] 貝朗格，王杰. Write right for the American Mathematical Contest in Modeling [M].Beijing： Higher Edition Press， 2013.

[2] Chapmans.Matlab programming for engineers [M].科學出版社，2003（7）：3-375.