用波导模式计算场强全波方法-ITU.doc

ITU-R -4 建议书
约150 kHz以下频率的场强预测
(ITU-R 225/3号研究课题)
(199019942001-2003-2005)
国际电联无线电通信全会,
考虑到
a) 有必要为工程技术人员规划约150 kHz以下频带的无线电业务提供指导;
b) 已研究出下述方法:
— 根据在16 kHz至大约1 000 kHz的频带内场强测量的统计分析,在约60 kHz以上频率要进行一次跳频处理;
— 根据地球和电离层的理论模型,使用从传播数据确定的电离层模型参数,对约60 kHz以下频率有一种波导模式的方法;
— ITUR -1 700 kHz频带的一种方法,
建议
1 当采用下述方法时,在如附件2讨论的某些区域内使用时要提醒在精度方面应特别注意。
1 引言
有两种方法可用于ELF、VLF和LF信号场强的理论计算。
应注意本建议中的信息包括超过150 kHz的f cos i的值。频率超过150 kHz时不建议使用该信息。ITUR kHz以上频率的信息。
跳频方法在给定的发射机和接收机之间电磁能量路径中呈现的几何现象与HF情况是相同的。
该方法应在LF时使用,而在VLF使用时距离应小于1 000 km。该方法对沿确定的路径发生的无线电传输的处理要根据所研究的传播包含一跳或是多跳来确定是一次或多次电离层反射,对于地波也如此。总场由各路径场的矢量合成。从长波的角度考虑,必须考虑到由地球表面产生的衍射波,这在HF情况中并不发生。跳波方法在有倾斜入射、传播所发生的高度区域的量级等于或大于几个波长时是合理的。
使用该方法需要知道电离层入射波反射系数的取值。这些数值随频率、传输路径的长度以及相应的地理和地磁、一天中的什么时间、季节以及太阳周期的历元这些因素而发生很大变化。使用该方法还需要知道发射和接收地点大地的电特性(电导率和介电常数),这是因为大地的有限的电导率影响着终端天线的垂直辐射方向图。
波导模式方法应在距离大于1 000 km的VLF时使用。在这种方法中,对应地球—电离层波导中各种不同类型的传播的波求和作为分析传播的方法,该方法模拟了微波区域内定义的波导模型。根据数字计算的实际考虑选择该方法用作场计算。
在距离小于1 000 km的VLF的情况和通常的LF时,一系列的模式要稍许收敛且需要对许多分量进行矢量相加。另一方面,跳波理论仅要求有限的路径,包括地波,且特别适合于LF的长距离传播,如果可能也将衍射考虑入内。
对于距离大于1 000 km的VLF,跳波理论由于要求对大量的路径进行场的矢量相加,由于一系列的模式迅速收敛,只要较少的模式相加就可得到足够的精度。因此模式理论更适合于这种类型的传播。在ELF的传播也可用单波导模式来描述。
2 跳波传播理论
一般描述
根据这一理论,对某一点的天波场(强度和相位)的处理是对直接从发射机经一跳或多跳传播的不同波产生的场的合成。该点的总场是由地面衍射波产生的场和天波产生的场的合成。
通过在可采用几何光学方法的区域中应用射线理论,并结合衍射效应或在光学不再适用的区域中通过应用全波理论计算天波场。
图1表示了由单跳构成的一条几何路径。
地球表面以r=a定义且平滑反射电离层位于r=a+h。很容易区分三种情况。第一种情况,接收天线位于R<,发射至它的是来自位于T<的发射天线的一次反射天波,此时ig小于p/2。第二种情况,在Tc和Rc两副天线位于临界点,此时ig=p/2。第三种情况,天线位于T>而R>在临界点之外,因此第一跳天波传播进入衍射或遮挡区。
图 1
跳波射频传播理论(一跳天波)的射线路径的几何图示
射线路径场强的计算
对应来自短垂直偶极子的电场辐射的波动势由下式给出:
V (1)
其中pt是辐射功率(kW)。
在接收天线附近地面反射之前,天波下射波的场强由下式给出:
(2)
其中:
L: 天波路径长度(km)
: 给出平行于入射面的电场分量比的电离层反射系数
D: 电离层聚焦因数
Ft: 发射天线因子
y: 相对于地平线的、天波在地面的发射角和到达角。
如果接收采用的是位于地球表面的小型平面内环型天线,则天波有效场强为:
(3)
而采用短垂直天线接收时公式(3)变为:
(4)
其中Fr是适宜的接收天线因子。
对于经很长距离的传播,跳波方式可扩展到包括在电离层中反射多次的天波。例如对于一个两跳的天波,环型接收天线的接收场强可简单表示为:
(5)
其中:
DG: 由球面地导致的发散因数,近似等于D-1
||Rg||: 有限导电地的有效反