K9LA关于传播的纯理论文章----传播的物理学意义：折射、吸收和极化 [复制链接]

如果有人问你“160米波段的传播和6米波段的传播不同么”这个问题，我想你的答案肯定是“是的，它们的传播不同”。不过请注意，即使在这么大的频率范围内，传播还是有很多共同点的。一个共同点就是从160米到6米的电磁波都遵循同样的物理定律。因此，如果你能理解从160米到6米波段内折射、吸收和极化的变化规律（这三个要素决定了电波能否从A点到达B点，还决定了接收到的电波的信号强度），你将会更深刻的理解从1.8MHz到50MHz频率范围内的传播特性。

折射
我们所做的绝大多数QSO都是通过折射完成的，还有些则是通过反射和散射完成。我们将主要讨论折射，因为它在通联中被用的最多。电磁波折射的基本定理是对于给定电子浓度条件下，折射量与频率的平方成反比。换句话说就是，随着频率的降低，电波将弯曲的更厉害。

我们可以通过射线追踪的方法来检测这一理论。图一表示的是在太阳活动高峰期时，以2°仰角对较高频电波在白天进行的射线追踪。

图片:Physics of Propa 1.jpg

当追踪射线的频率从49MHz降到28MHz时，通过图一可以证实频率越低射线弯曲的越多，即增加的弯曲量使得射线折射的更快（折射位置在电离层的高度更低）。因此追踪射线频率降低时，其折射点高度也随之降低。同样的随着频率的降低，追踪射线的单跳的距离也随之降低。

需要注意的是21MHz和14MHz两个频率的状况。在追踪射线的频率为21MHz时，电离层E区域对其产生了很多的折射，因此21MHz频率的单跳距离超过42MHz频率的单跳距离。而在追踪射线频率为14MHz时，电离层E区域的电离程度足以支持其反射回地面，从而导致其单跳的距离更短。

图二同样是射线追踪，只是表示的是低波段频率在夜晚的状况。所有的追踪射线发射仰角为5°。

图片:Physics of Propa 2.jpg

我们同样可以发现，随着追踪射线频率的降低，追踪射线的最大高度和单跳距离都在减小。注意10.65MHz频率在我所选实验条件下（5°仰角，夜晚，正常的太阳活动）穿越了电离层。

还要注意下两个最低频率（1.9MHz 和0.15MHz）没有达到E区，因此它们的单跳距离也极短。仔细研究下160米波段的话，可以得到有趣的发现。图三表示的160米波段的实验，发射仰角从0°到20°，步进为2°。

图片:Physics of Propa 3.jpg

基于所选的测试条件（1.9MHz,夜晚，正常太阳活动），发射仰角大于等于6°时，单跳发生的区域从E区域转为F区域。而发射仰角小于6°时，单跳仅在E区域产生。这可以简单理解为夜晚也存在足够多的E区域电离（夜晚典型的E区域反射临界频率约为0.4 MHz），从而导致低仰角发射的1.8MHz追踪射线折射回地面（根据最大可用频率和临界频率的正割定理决定）。

吸收

电磁波吸收的基本定理是在给定的电子浓度条件下，吸收量与频率的平方成反比。也就是说，随着频率的降低，吸收量增加。在夜晚进行1500公里单跳的射线追踪，另外在白天进行3400公里单跳的射线追踪，测量这两种条件下的吸收量可以得到表一的结果。所有数据基于F区域的单跳。

图片:Physics of Propa 4.jpg

表一的数据证实了频率越低，吸收越多的定理。不过请注意，表中左侧数据中0.15MHz的吸收量，与1.9MHz相比它的吸收量降低了很多。原因是0.15MHz的射线无法达到1.9MHz的射线所能达到的电离层高度，事实上其根本很难达到吸收区（即夜晚的低层E区域）。因此，当你听到低于1.8MHz频率的业余无线电长距离通联的报告时，你就能明白这其实不是什么神奇的事情，只是物理定律在起作用而已(我并没有贬低实现这一通联所做的努力，包括操作员需要提高自己的天线效率、克服人造噪音的干扰等等)。

极化

当我们从我们的发射天线上发送一个信号时，这个信号被送入电离层并耦合成2种类型的电波在电离层中传播，一种是常波，另一种是异常波。这两种波形的极化方式随着频率的变化而变化，变化范围则是介于50MHz的圆极化和1.8MHz近线性的椭圆极化之间。事实上我们可以把低至3.5MHz电磁波的极化方式都看作是圆极化，当两种波穿透电离层时，穿出点的极化方式被用来表述我们接收天线的极化方式。

低至3.5MHz的频率，它们的常波和异常波在电离层中的传播都非常相似。由于1.8MHz的频率和电子的旋转频率近似（根据磁场不同，电子旋转频率介于0.7MHz和1.7MHz之间），因此它的异常波吸收显著大于常波的吸收。也正是由于这个原因，通常讨论的时候才把1.8MHz排除在外（这只是一个原因，还有一个原因是1.8MHz频率的异常波折射指数与常波也不同，在电离层中传播时导致它的传播路径也不同）。

总结和意义

下述的总结关注于传播的物理学意义中的3个指标折射、吸收和极化，还列出了一些相关的意义。需要注意的是，这些总结和意义的大部分是基于给定的电子浓度条件和基于F层的研究得出的。实际上我们有2个主要影响因素（F区域和E区域），以及传播的突发性都给这些大部分的总结和意义增加了复杂性。  

物理参数

折射：频率越低、折射量越大

吸收：频率越低、吸收量越多

极化：3.5MHz---50MHz范围内为圆极化，1.9Mhz为近线性的非常扁的椭圆极化

意义

短波高波段，如10米和12米波段比较靠谱的单跳距离为F区域4000km；160米为2500km；6米波段则可以达到4500-5000km

通常来说，160米波段的单跳距离更短，且单跳的路径损耗较多；6米波段单跳距离较长且单跳路径损耗较小；低于160米波段频率的损耗则更少，这是因为这些频率的电波无法达到更高的高度，但是其单跳的距离仍然很短。

通常来说，对于北半球的中高纬度地区来说，160米波段使用垂直极化天线为佳，垂直极化天线也适用于80米和40你波段，如果使用足够高的水平极化天线，效果也会很好。一般来说，对于30米到6米波段，水平极化天线更适用；这种选择无关电离层，只关乎仰角的选择和环境中的人造噪声因素相关。

点赞！！！

  楼主功德无量 顶你

关于极化，电波发射电波首次进入电离层，到达D区域底部时，会在电离层中分为常波、o-wave和异常波、x-wave。这两种波的极性和各自的能量值的计算和讨论，需要更进一步学习。

carl 推荐了一本书，Knneth Davies的 Ionospheric Radio。

很棒的学习资料！

太好了12345678

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好。。。。。。。

好文啊，楼主多翻译几篇吧，这能帮助到很多ham，一方面是中文阅读的方便性，另一方面是楼主通过楼主的筛选，我们可以读得更精

仔细拜读，点赞！

楼主功德无量！

搬凳子学姿势

BH4SRC:关于极化，电波发射电波首次进入电离层，到达D区域底部时，会在电离层中分为常波、o-wave和异常波、x-wave。这两种波的极性和各自的能量值的计算和讨论，需要更进一步学习。
carl 推荐了一本 .. (2014-04-19 10:46) 

请教：
1，o-wave是指什么？圆极化波？
2，做实验的时候他们是怎么控制各个不同的发射仰角？

学习了很多，需要反复读，希望有更深的理解。

BA4RF:
请教：
1，o-wave是指什么？圆极化波？
2，做实验的时候他们是怎么控制各个不同的发射仰角？
.......

大神，

o-wave是作者所说的常波 ordinary wave
X-wave是异常波 extraodinary wave

作者的文章没有说明实验方法，或许他的实验素材，也是来自其它机构。

文中的曲线图能理解成是电磁波在大气层中的传播轨迹吗？

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不太理解电子使电磁波发生折射的机理。觉得至少应该是使得电磁波向电子密度低的区域偏转，这样电磁波才有可能被电离层“挡住”。

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真正外语好，又具备相关专业知识的HAM友应该去读外语原文，才可能理解作者想讲什么。消化吸收后再用通俗的中文表达出来（所谓“由外而内，再由内而外”），像我这样的门外汉才可能理解。

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第15楼BD7IHN于2015-03-19 22:58发表的:
真正外语好，又具备相关专业知识的HAM友应该去读外语原文，才可能理解作者想讲什么。消化吸收后再用通俗的中文表达出来（所谓“由外而内，再由 ..

这是中科院里的蛤蟆干的活。  

原理机制，就是纯理论的东西。先知其然吧，所以然要花时间学呀！

即使是中文文章，没专业基础，理解起来也吃力的！

发的时候就是希望抛砖引玉！

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BH4SRC:这是中科院里的蛤蟆干的活。[表情]  
原理机制，就是纯理论的东西。先知其然吧，所以然要花时间学呀！
即使是中文文章，没专业基础，理解起来也吃力的！
....... (2015-03-20 12:28) 

“图一表示的是在太阳活动高峰期时，以2°仰角对较高频电波在白天进行的射线追踪。”、“图二 频率与夜晚时的射线追踪”，你觉得他在说什么？什么叫Ray-Tracing？射线追踪？有多少人知道什么叫射线追踪？

好在有图在那里，看看纵坐标和横坐标，按我的理解，其实就是不同频率的电磁波在大气层中的传播轨迹。同样的发射角条件下，频率越高的电磁波（可能因为能量越高），在更大的电离层高度处被折返。电离层在离地300公里左右的地方密度是最大的（这在另一篇文章中有曲线图说明），所以如果电磁波越过这一区域的话，最终将会穿过电离层，而不是被折返回地面。这样的陈述是不是更通俗易懂？

如果是被一些不知所云的新名词围绕，然后因为所谓的原文直译，导致语法古怪，我很可能以为他在说什么高深难懂的事情，其实不是那样的了。不是针对具体个人了，只是发表自己的一些感慨。

BD7IHN:如果是那样的话，这位中科院的蛤蟆干活不认真了，只是完成任务式的草草应付。具体说就是翻译的时候，自己并没完全理解，导致再表达出来的内容不知所云。举个例子说，“图一表示的是在太 .. (2015-03-22 12:27) 

你看不懂并不代表别人看不懂，这已经是我见过的最容易理解的文章了。

感谢，感恩。

BA4RF:
你看不懂并不代表别人看不懂，这已经是我见过的最容易理解的文章了。
感谢，感恩。

好吧，我不应该随便对自己不熟悉的领域做出评价，我应该更慎重一点。我应该感谢他做的工作，让我可以接触这些信息。我收回那段评价，希望他不会介意。

百度百科里确实有“射线追踪算法”这个概念。
http://baike.baidu.com/link?url=fupDeShJgAUyXMSp9XOZJIddxg0DDMUyq6RfQmSYqcuGYcGGWxUiqTUfqrDtLNuXV9eS_J7KkDpMcBXhC3Oxga

不过，你说“这已经是我见过的最容易理解的文章了”，我还是有点意外的

如何理解图一中显示的14MHz两跳的高度和距离都相同这一情况呢？这意味着什么？

或者我应该首先坦诚说出自己的疑惑。按我自己原来的理解，电离层是处于不均匀、不对称状态的，所以电磁波在大气层中的传播路线应该是根据电离层状态的不同而呈现不规则状态的，前后两跳出现同样轨迹的几率很小。文中没有提及电磁波能量方面的描述，似乎这个因素不在考虑之列。既然电磁波可以呈现前后相同的两跳，那是否意味着它可以继续第三、第四、……一直跳下去呢？无论用多少瓦功率发射电磁波，它都会达到相同的高度和跳跃距离？比较直观的事实是，有的时候，用1000瓦功放发射出去的信号，对方可以收到的情况下，用100瓦发射出去的信号，对方收不到。