VHF/UHF波段电波的传播

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VHF/UHF波段电波的传播

(英)Ian Poole

无线电波的传播是一个迷人的话题。在VHF/UHF频段，无线电波有着多种不同的传播方式。在平坦的地面上，VHF/UHF电波只能传播几十千米远。然而，业余无线电爱好者在传播方面的丰富知识和经验，可以使他们完成非常遥远的远距离通信。许多远程通信爱好者在电波传播上似乎有第六感觉，他们能捕捉到远方的电台信号并与他们通联，而没有经验的操作者可能什么也没听到。如何正确运用电波不同的传播方式是成功的完成远距离通信的一个关键，这在每一个频段上都是适用的。

大气层

了解电波传播如何出现是非常必要的。不同的传播方式出现在大气层的不同高度，对流层和电离层是无线电波传播的主要区域，绝大多数的电波反射和折射都发生在这二个区域内。

在这二种传播路径中，首先要注意的是电波在电离层中的反射。电离层高度从距地面60千米至700千米，太阳辐射使这个高度的部分气体分子电离成自由电子和正离子，所以这个区域叫做电离层。电离层中的自由电子影响着无线电波的传播。

电离层从低到高依次是D层、E层和F层，白天太阳辐射使F层分离为F1、F2二层(见图1)。其中高度最低的D层对无线电波有吸收作用，特别是对低频和中频信号有较大的吸收。由于白天D层的存在使得中波广播电台信号被吸收，夜晚D层消失，我们便能收到更远的广播信号了。E层和F层的反射（更恰当的应是折射）可使无线电波返回到地面，这种传播方式能使无线电传播到非常远的地方。令人遗憾的是VHF/UHF频段的无线电波通常穿过电离层而无法反射回地面。                                          图1

大气层中还有其它一些传播方式引起VHF/UHF爱好者的兴趣：流星余迹，短暂而强烈电离的Es层和极光。

电离层出现在大气层的外侧，电离层传播有许多有趣的记录。比如太阳的活动状况影响制约着E层和F层的传播情况。

另一个影响无线电波传播的区域是对流层。对流层的高度从地面向上延伸至10千米，对无线电波产生影响的通常是2千米以下大气层。VHF/UHF频段的无线电波通常在对流层中传播的距离近的多，不能象经电离层反射那样传播的很远。虽然如此，对流层传播仍是VHF/UHF通联的重要途径。

视距传播

通常情况下VHF电波沿视距传播。尽管有时我们能听到很远的信号，但这种通联是不确定的。不管怎样，无线电波和光都属电磁波，它们有着相同的特性。

对传播的主要影响是折射，这个结果很容易用光线来说明。当光线通过不同折射率的媒质时，传播方向将发生改变。如图2所示，这也很容易说明当一根棒斜插入水中时看上去变得弯曲了。

                                                              图2

在空气中的光线也会受到折射的影响而产生弯曲。传说在沙漠中迷途的旅行者朝水塘走去，而实际上水塘并不在那里。

这种现象称为海市蜃楼。其原因是光线在被沙地加热的空气中弯曲，使我们看到远方隐约闪烁的景物。

类似的现象也能在夏天看到，接近地面的空气被炽热的地面加热，使地面上的景物产生闪烁，这是由于空气折射率不同引起了光线的偏转，无线电波也具有相同的性质。

贴近地面的空气折射率比高空中要大，这表明无线电波将沿着趋向于地球曲率的方向前进，这样便能收到比视距传播更远的信号了。

传播预测与天气

通常情况下大气中的温度随着高度的增加而下降，当干燥的热空气覆盖在潮湿的冷空气上方时，大气中出现了逆温层，这就形成了理想的传播条件。

对流层中的空气折射率变化很大时，无线电波可以折返回地面，甚至可以形成信号损耗很小的大气波导。这种大气波导可能出现在地面或更高的高度。

对流层传播中的距离扩展在VHF低频段不是很明显，在144MHz、430MH以及其它高频段上，有时结果非常的惊人，传播距离可以达到2000千米以上。

决定VHF/UHF电波传播的是天气，二者间存在着密切的联系。通过分析气象图的情况可以了解VHF的传播与天气的关系。

预测传播在某段时间内出现是有可能的。VHF/UHF频段上的多种信标台给操作者提供了很好的指示，通过监听信标台可以了解每天传播的基本情况。监视相近频段上的电视信号也可以提供很好的指示作用。接收到远地电视信号预示着有了更好的传播。

突发E层

另一个引人注意的传播现象是可以反射150MHz以上信号的突发E层。突发E层也称为Es层， 它是出现在E层高度上的电离程度非常强的电离云，如图3。比正常E层电离强烈的Es层可以反射VHF频段的信号，它可以使电台通联的距离相当远。

当突发E层电离程度逐渐增加，首先受到影响的是靠近HF较低的VHF频段。随着电离程度的增强，Es反射能达到最大的频率。不同频段上Es层开通的时间是不一样的。在高频段开通的机会很少，持续时间也很短，长的可能有1个小时，短的只有几分钟。                图3

这种电离云相对尺寸较小，水平尺寸变化相当大，从几十米直到200千米，它们的形状也在变化。Es层的产生具有明显的随机性，这就是Es名称的由来。Es形成的原因可能是大气层上方某种风的影响。在Es层出现期间，无线电波的信号强度变化非常快，可能一分钟内信号还很强，而下一分钟信号完全消失。由于天线相对带宽较窄，这种现象在高频段特别显著。

观测表明，突发E层与E层处在同一高度， Es层的反射使通信距离最远能达到2000千米。在低频段电波可能在二个不同的电离云间反射形成“双跳”。由于2米波段开通时间较短，也就很少出现这种情况。

电离层低损耗的反射可能会使信号很强，用小功率电台加上简易的天线就能实现远程通信。在2米波段使用大功率电台是不适宜的，应尽可能降低电台的发射功率。

预测Es层什么时候出现非常困难。在北半球，Es层开通最多的时候主要是在夏季的5 月至8月，9月份也比较多。南半球则是在每年的11月至2月。在Es层出现的季节中，一般是VHF频段的无线电波受到影响。注意这仅适用于温带地区。赤道和南北极与温带地区是不同的。

Es层出现的频度每天有二个峰值，一个是刚过中午，另一个则在晚上7点左右。下午传播稍许下降，从晚上一直到早晨Es出现的相当少。

电离层传播

许多变化来自太阳辐射的影响，主要因素是太阳黑子的变化。经过观测发现，太阳黑子的活动明显的呈11年周期改变，F层的电离程度也随之出现周期的变化，它能够反射6m甚至4m波段的无线电波，通常是通过F2层传播的。

高度为400千米的F2层一次反射传播距离可达3000-4000千米，多次反射可以完成全球通信。事实上电离层可以反射比这些频率更高的电波信号，白天传播通常可以持续数个小时，日落后F层的高度有所下降。

极光

从太阳喷发出的大量物质进入太阳系，由此产生强烈的辐射。这些喷出物对无线电传播有着很大的影响，特别是在短波段。这些辐射也使极区内的传播明显增强。VHF/UHF爱好者对此很感兴趣并利用到无线电波的传播上。

在极光活动期间，极区周围电离层的电离程度显著增强，使得反射VHF波段信号成为可能，某些时刻甚至能反射1000MHz的电波信号。这种传播方式出现在靠近极区的地方，一般要求电台的纬度超过55度。

使用这种方式通信时天线的最大的辐射方向必须指向极光区，通常把听到的这种信号称为背散射。电波的传播路径如图4所示。这表明最适合的通联方向不是电台的连线方向。

经过极区电离层反射的信号失真严重，这种现象叫做“颤振”。由于电离层不稳定，电离层的状态在不断的变化，导致这种颤振变化很快，甚至有时能听到50-60Hz低频嗡嗡声。这种影响使得用说话方式通信非常困难，一般选择CW方式。

除此之外，由于极光的物理变化形成了附加的多普勒频移，总的频移是由使用的频率决定。2m波段的频移大约有500Hz。                                                    图4

流星散射

不同尺寸的流星连续不断的落入地球大气层，虽然许多流星的大小如同沙粒，但流星在大气层中燃烧时还是留下了足够大的流星余迹，这给流星散射通信带来了可能。

流星余迹的电离程度完全由流星的大小来决定，任何地点都存在着间隔几秒钟的持续的流星碎片，由于电离程度非常强烈，流星余迹能够反射频率最大到150MHZ的无线电信号。这表明通常情况下2m波段是流星散射通信最高的使用频率。

流星余迹出现在约100km的高度（与E层处于同一高度），利用流星散射产生的通信距离可达到2000km。

流星散射通信非常特别，需要特殊的操作程序及大功率电台和定向天线。这是因为流星余迹持续时间很短并且出现在很小的区域内，通联双方须预先选定好时间、频率，调整好天线的方向，通常使用高速莫尔斯电码进行通信。

尽管流星进入地球大气层是无规则的，但在一年的某些时间里流星的数量有很大的增加。这种阵雨般的流星是由于集中的空间碎片处于地球运行的轨道上所形成的。在流星雨期间的某个晴朗的夜晚， 可能会看到许多流星，这时用流星散射方式通信就比较容易了。

月面反射

月面反射通信，又称为EME。它是指利用月面的反射进行通信的一种方式。当我们向月球发射无线电波时，在地球上能接收到月球表面反射回来的微弱的电波信号。

采用这种方法需要克服许多困难，主要是存在很大的传播损耗。首先是通信距离远，从地球到月球的距离约400000千米，信号来回总的路程约800000千米。第二个因素是从地球上对着月球的角度相当小，即使使用高增益的天线阵也只有很少的一部分功率到达月球，并且只有小部分被月面反射。这些因素使得在2m波段总的传播损耗高达260dB。使用2m波段以下的频段传播损耗要小一些，但所需的高增益天线的制作非常困难。

考虑到这些困难，月面反射通信则需用大功率电台（一般大于500W），使用高灵敏度接收机和高增益天线，更进一步则要求天线具有跟踪月球的功能。由于莫尔斯电码频宽狭窄，有利于抄收，EME通信一般采用CW方式，有时也使用SSB通联。

尽管存在着很大的困难，这种方法能完成长距离通信，可能还没有其它的方法能达到这么远的通信距离。这种通信方式需要二个电台在相同时间里都能看见月球。