对流层电波传播

受地球大气低层电的电波传播

受地球大气低层电特性所制约的电波传播，包括对流层中和透过对流层的电波传播。

对流层电波的传播

大气低层称为对流层。超短波与微波通信天线一般都置于地面以上几十个波长或更高，天线的性能基本上与大地无关，电磁波由天线发出后，在对流层中基奉上依几何光学规律传播，地面则对电磁波起反射和散射的作用。

对流层位于地球大气低层，自地面向上延伸，延伸高度在极区约为9公里,在赤道上空约为17公里，在中纬区约为12公里。除局部的温度逆转外，对流层温度随高度的增加而递减。无线电频段的对流层电特性可用折射指数n或折射率N表征

N=(n-1)×106=(77.6/T)(P+4810e/T)

式中T为气温(K)；P为气压（毫巴）;e为水汽压(毫巴)。折射率随时间和空间而变化，包括大尺度的、较缓慢的宏观变化和小尺度的、较快的湍流起伏。宏观变化可按高度分层,其长期平均高度剖面可由负指数模式描述;短期平均高度剖面和折射率垂直梯度在长的统计期间随机变化。在一定地区的小部分时间内，某些大气过程在一定高度范围内会形成异常的负或正折射率梯度层。湍流结构一般可视为各向同性，但也可能出现高度各向异性。在10吉赫以上频段中，大气分子、水汽凝结体和其他大气微粒呈现出程度不等的、与频率有关的复介电特性。大气分子的电特性与大气的温度、湿度和压强也有关系。水汽凝结体等的细微结构（形状、尺度分布、取向和降落速度等）和时空变化是十分重要的无线电气象参数。

对流层中主要的传播方式或效应有：大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收，以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射。

对流层传播除可按传播方式分类外，也可按传播范围和频段分类。按传播范围分，有视距传播、超视距传播和地空传播等。地空传播也可归入视距传播。视距传播的基本方式是直射传播，但受对流层和地面的复杂影响。超视距对流层传播的常见方式是对流层散射，有时也可能是波导传播。按频段来分，有超短波传播、微波传播、毫米波与亚毫米波传播和光波传播等。超短波和较长的微波可作视距传播，也可作超视距传播。10吉赫以上频段的无线电波和光波，一般都只限于视距传播。　对流层传播可概略地用图1和图2表示。图1不包括云和降水的影响;图2则仅包括云和降水的影响。　对流层传播研究的发展与通信的关系十分密切。第二次世界大战后，由于远距离、高质量的多路通信的需要，促成了对流层散射传播机制的发现。这一发现不仅导致了对流层散射通信的出现，而且导致了电离层散射通信和流星余迹通信的出现。卫星通信的出现及其进一步发展的需要，促进了地空传播方面特别是在10吉赫以上频段的研究。由于对流层传播与对流层特性紧密相关，对流层传播研究与对流层探测技术也互相促进。许多技术用于对流层折射率和云雾降水的宏观结构和微观结构的探测,促进了对流层传播研究;有关对流层结构与所产生的信号特性之间的联系方面的传播研究结果，也为有关无线电探测手段的产生和完善提供了探测基础。精密雷达都采用对流层传播方式，特别是视距传播方式。尤其在微波和更高频段，雷达与目标之间的对流层效应是突出的传播问题。微波和毫米波遥感也直接或间接地利用大气吸收和云雾衰减效应。

现代对流层传播的研究，主要集中于10吉赫以上频段的电波传播问题、广播和移动通信中的传播问题以及多径效应等。毫米波在实用上具有突出的优点(见10GHz以上电波传播),因此对流层传播研究正向毫米波方向扩展。

二次辐射

大地在电磁波照射下产生传导电流和极化电流，从而引起二次辐射。在收发天线都置于极大的平地面上方时，二次辐射的效果与几何光学反射定律是一致的。收、发天线距离较远时，见图1，到达接收天线的电磁波是直射波与反射波相干涉的结果。两种波所经过的路程长度不同，地面的反射还引起附加的相移，所以两波的相位是不同的。在发射天线位置固定的条件下，接收点上两波的相位差随着接收天线的高度在相当大的范围内改变，因此接收天线处的场强沿着高度也在相当大的范围内起伏。最大值为两波强度之和，最小值为两波强度之差。

在收、发天线周围的地面相对于波长缓慢起伏时，到达接收天线的反射波可能不只一个，其反射点和路径各有不同，接收点场强沿高度的起伏规律将更加复杂。

绕射

在收、发天线的联接线与地面相交时，接收天线就落到了发射天线的视距以下。到达接收天线的电磁波不再是直射波与反射波，而是地面阴影区内的绕射波，在超短波和微波波段，地球的绕射衰减是很大的。在一般情况下，阴影区内不能接收。

大气影响

直射波和反射波在传播途径中都要受到对流层大气的影响。大气对于电磁波的影响有衰减和折射两方面。

大气的折射率与大气压力、温度和湿度有关。分析与实验表明，在正常情况下，大气折射率随着高度的上升而减小。在标准大气情况下，在几公里的高度以内，折射率与高度成线性关系。

由于折射率渐变降低，从发射天线发出的射线都要向地面弯曲。由于大气的折射，本来接收天线应处在发射天线的视距边界上，实际上却在视距以内，如同地球半径加大而射线仍按直线前进。根据几何关系可以得到视距r0与收、收天线高度h1、h2（单位m）的关系为,km。其中a是地球半径，单位是m。实际的地球半径为6．37×106m，标准大气折射所等效的地球半径为8．49×106m这个数值直到厘米波都有效，波长再短则逐渐减小，对于可见光则减到7．33×106m。

等效地球半径是在标准大气折射条件下，调整射线轨迹方程中相当于地球半径的系数，使轨迹成为直线而得到的。实际的大气折射指数并不经常按标准大气的规律分布，往往是相当复杂的，甚至折射指数在几十米高度内也不是随高度直线下降，等效地球半径的值仅仅是用以估计一般情况下接收点的场强。

大气波导传播

海面上晴朗无风时，偶然会出现折射指数随高度而下降的程度，足以使向上斜射出的射线弯回地面，见图2。由于海面对超短波和微波的反射很强，射线可以多次跳跃而达到上百公里以外，这种传播方式称为大气波导传

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