西安电子科技大学：《电波传播概论》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四部分 地面波传播（主讲：李仁先）

Xidian University 第四部分地面波传播 主讲：李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh CN/index.htm

第四部分 地面波传播 主讲： 李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh_CN/index.htm

电波传播概论 Xidian University 沿地球表面的无线电波传播称为地面波传播，简称地波传 播(Propagation of Ground Wave),其特点是信号比较稳定。 当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的电波是沿着半导 电性质和起伏不平的地表面进行传播的。 ◆一方面由于地表面的半导电性质，使电波的场结构发生 变化并引起电波吸收； ◆另一方面由于地球表面呈现球形使电波传播的路径按绕 射的方式进行。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 沿地球表面的无线电波传播称为地面波传播, 简称地波传 播(Propagation of Ground Wave), 其特点是信号比较稳定。 当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的电波是沿着半导 电性质和起伏不平的地表面进行传播的。 ◆一方面由于地表面的半导电性质，使电波的场结构发生 变化并引起电波吸收； ◆另一方面由于地球表面呈现球形使电波传播的路径按绕 射的方式进行

电波传播概论 Xidian University ◆地面波传播还与电波 -120 -110 的极化有关，理论计算 -100 和实验均证明地面波不 -90 宜采用水平极化波传播。 -80 >10Mz 由图可见，水平极化波 -70 5 MHz 2 MHz 的衰减因子A远大于垂 -60 直极化波的衰减因子A。 -50 -40 这是因为电场水平极化 -30 10 MHz 时，电场平行于地面， 5 MHz -20 2 MHz 传播中在地面引起较大 -10 的感应电流，致使电波 产生很大衰减。 0102030405060708090100 r/km 水平极化和垂直极化波的地面衰减 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 ◆地面波传播还与电波 的极化有关，理论计算 和实验均证明地面波不 宜采用水平极化波传播。 由图可见，水平极化波 的衰减因子Ah远大于垂 直极化波的衰减因子Av。 这是因为电场水平极化 时，电场平行于地面， 传播中在地面引起较大 的感应电流，致使电波 产生很大衰减。 水平极化和垂直极化波的地面衰减

电波传播概论 Xidian University 地面波传播的场分布 波前倾斜现象 波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾 斜的一种现象，地面波传播的重要特点之一。 H E. (a)电场方向 (b)坡印廷夫量方向 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 4 一、地面波传播的场分布 波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾 斜的一种现象，地面波传播的重要特点之一。 (a)电场方向 (b)坡印廷矢量方向 波前倾斜现象

电波传播概论 Xidian University 波前倾斜现象的解释1 设直立天线沿x轴放置，辐射垂直 极化波，电波能量沿z轴传播，辐 射场为E1和H1。当某瞬间E!位于 A点，在地面上必然会产生感应电 荷。当波向前传播时，便产生了沿 Z方向的感应电流。由于大地是半 导电媒质，有一定的地电阻，故在 Z轴方向产生电压降，也即在z方向 产生新的水平分量E2。由于边界 电场切向分量连续，即存在E, 这样靠近地面的合电场E,就向传播 方向倾斜。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 波前倾斜现象的解释1 设直立天线沿x轴放置，辐射垂直 极化波，电波能量沿z轴传播，辐 射场为Ex1和Hy1。当某瞬间Ex1位于 A点，在地面上必然会产生感应电 荷。当波向前传播时，便产生了沿 z方向的感应电流。由于大地是半 导电媒质，有一定的地电阻，故在 z轴方向产生电压降，也即在z方向 产生新的水平分量Ez2。由于边界 电场切向分量连续，即存在Ez1， 这样靠近地面的合电场E1就向传播 方向倾斜

电波传播概论 Xidian University 波前倾斜现象的解释2 从能量的角度看，由于地面是半导电 媒质，电波沿地面传播时产生衰减， 这就意味着有一部分电磁能量由空气 层进入大地内。坡印亭矢量的方向不 再平行于地面而发生倾斜，出现了垂 直于地面向地下传播的功率流密度S1, 这一部分电磁能量被大地吸收。由电 磁理论知道，坡印亭失量是与等相面 即波前垂直的，故当存在地面吸收时， 在地面附近的波前将向传播方向倾斜。 显然，地面吸收越大，S1越大，倾斜 Re(E×H) 将越严重。只有沿地面传播的S分量 才是有用的。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 波前倾斜现象的解释2 从能量的角度看，由于地面是半导电 媒质，电波沿地面传播时产生衰减， 这就意味着有一部分电磁能量由空气 层进入大地内。坡印亭矢量的方向不 再平行于地面而发生倾斜，出现了垂 直于地面向地下传播的功率流密度Sx1， 这一部分电磁能量被大地吸收。由电 磁理论知道，坡印亭矢量是与等相面 即波前垂直的，故当存在地面吸收时， 在地面附近的波前将向传播方向倾斜。 显然，地面吸收越大，Sx1越大，倾斜 将越严重。只有沿地面传播的Sz1分量 才是有用的。 1 1 1 1 Re( ) 2 S E H = 

电波传播概论 Xidian University 地面波的场分量 天线沿x轴放置，电磁 波的传播方向为z方向。 y0z平面为两媒质的分 界面，x>0的上半无限大 空间的媒质为空气，x<0 7y1 的下半无限大空间的媒 质为大地 由于地面是半导电媒质， 低架直立天线辐射的垂 直极化波将在传播方向 上存在电场分量。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 地面波的场分量 由于地面是半导电媒质， 低架直立天线辐射的垂 直极化波将在传播方向 上存在电场分量。 天线沿x轴放置，电磁 波的传播方向为z方向。 yOz平面为两媒质的分 界面, x>0的上半无限大 空间的媒质为空气, x<0 的下半无限大空间的媒 质为大地

电波传播概论 Xidian University 利用边界条件，有 E1=E2 Hn Hy2 Ex=E,Ex2 B1=Bx2=0 D1n-D2m=O0表面 其中，6为相对复介电常数 Bu=B2n =E E1=E2 080 H,-H2,=(J 物理与光电工程学院电波传播研究所 表面×分)i

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 利用边界条件，有 1 2 1 2 1 2 1 2 0 r z z y y x x x x E E H H E E B B  =   =   =  = =   其中，  r 为相对复介电常数 0 60 r r r j j       = − = − ( ) 1 2 0 1 2 1 2 1 2 0 ˆ ˆ n n n n t t t t D D B B E E H H J n t − =  = = − =   表面 表面

电波传播概论 Xidian University 为了简化分析，通常使用M.A.列翁托维奇近似边界条件 即，若地面满足： E,=6,-j60o>1 则在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足 E2≈ Hy2 EoE 利用边界条件，上式可写成 H EoEr 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 为了简化分析，通常使用M.A.列翁托维奇近似边界条件 即，若地面满足： r 60 1 r    = −  j 则在界面大地一侧的电、磁场水平分量之间满足 2 0 2 0 x y r E H     2 2 z y E H 利用边界条件，上式可写成 1 0 1 0 z y r E H    

电波传播概论 Xidian University 又因为在空气中有 E 46 H H 808 两式相除，可得 E E1= Ea √e-j60na 根据边界条件，可得 E2= E Ex 8,-j60几o 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 1 0 1 0 z y r E H     又因为在空气中有 1 0 1 0 x y E H    两式相除，可得 1 1 1 60 x x z r E E j E    = − = 根据边界条件，可得 1 1 2 60 x x x r r E E j E    = − =