海上无线信道电磁波传播

李宏敏 高书强

摘要：高频无线电在生活中应用广泛。比如船舶在海洋上航行，需要通过高频无线电来传播。当HF天波频率低于最大可用频率（MUF），HF天波在电离层和地球表面之间的一次或多次反射，就能进行远距离无线电通信。本文中，我们分析了高频无线电在电离层、空气以及不同平面上的反射损耗特性，得到高频无线电的传播规律。

关键词：HF天波；无线电通信；反射损耗；海上信道模型

1.高频无线电反射损耗分析

电离层可以被看成是球面分层结构，电子密度在每一个薄层内均匀分布。则当高频电波入射电离层时，经多次折射后返回地面。我们发现，高频电波在电离层的衰减效果仅与穿过等离子体的高频电波的角频率和入射角有关。高频无线电在地球表面反射是瞬间完成的，损耗也是瞬间产生的。不同表面上的由于反射类型不同（镜面反射与漫反射）、介电常数、表面粗糙程度等不同造成反射系数不同，从而造成反射损耗的差异。

特别对于山地和崎岖地带，高山自身对反射波的阻隔是主要损耗因素。一方面反射损耗的计算不能只考虑表面反射系数，另一方面此时绕射波相对而言不能忽略。最后我们得到四种不同情况下，传播能量随距离的变化曲线。

通过matlab仿真计算，对四种无线电波传输环境的分析，我们得到了相应的结论：HF无线电波传播过程高山与崎岖地形的陆地损耗最大，平坦陸地反射损耗次之，湍流海平面反射损耗较小，平静海平面反射损耗最小。

2.海上无线电信道传播模型

我们首先建立自由空间模型、电离层模型、海洋信道模型，分别计算出自由空间基本传输损耗、电离层吸收损耗、海洋反射损耗，从而计算出高频电波在经过一跳后的功率，并计算出其在平静海面所能传输的最大跳数。在自由空间模型中，我们考虑高频电波以球面波形式辐射。在电离层模型中，我们先考虑电离层中粒子碰撞对高频电波损耗的影响，再计算高频电波在电离层中的损耗路径。在海洋信道模型中，我们先考虑信道参数——海面粗糙程度、Fresnel反射系数与镜面反射系数，再建立镜面反射模型与漫反射模型。接下来，我们利用上述三个模型，计算出高频电波在平静海洋与湍流海洋进行一跳后的强度，并得到了“不同海洋面的反射对于HF无线电波强度的影响较小”的结论。

我们发现在原先的模型中，只对无线电波在传播介质中的损耗进行了分析，并未就发射跳数及有效传播路径的最大值进行分析。

3.影响船舶无线电通信的因素分析

实际航行时，需要考虑通信盲区以及船舶能保持通信的航行最远距离。分析发现，发射端天线的角度、高度以及高频无线电频率能影响无线电传播距离。

发射端天线的高度对无线电传播距离没有影响，但是高度越大，通信盲区会略微减小。

发射端天线的角度也同样应当合理选择。如果频率选择太高，无线电波会穿透电离层，无法反射；如果频率选得过低，由于电离层衰减常数与频率的平方成正比，电波将会在电离层衰减过大，无法保证船舶正常的接收信号。

参考文献：

[1]黄芳.海上无线电波传播特性与信道建模研究[D].海南大学，2015.

[2]仪青帝.海域电磁波传播模型研究[D].海南大学，2015.

[3]白亚军.电离层对高频电波传播的影响研究[D].西安电子科技大学，2014.

作者简介：

李宏敏（1996.12-）女，汉族，本科生，研究方向：通信工程专业 411302199612093728

高书强（1979.04-）男，汉族，郑州大学实验师，研究方向：计算机应用技术