一種海陸間短波通信損耗的計算模型*

唐 昊，韓東洪，邱昌雯

（1.重慶郵電大學 計算機科學與技術學院，重慶400065；2.南京審計大學會記學院，江蘇 南京 211815）

0 引 言

隨著海洋漁業(yè)、軍事演習的頻繁發(fā)展，海洋網(wǎng)絡通信的需求不斷增加。短波是3～30 MHz范圍內(nèi)的無線電波。短波可以通過地波沿地面?zhèn)鞑?，也可以通過電離層反射以天波的方式傳播[1]，具有良好的抗毀性和較小的傳輸損耗，因此短波被廣泛應用于海路間通信[2]。

電離層具有反射無線電波的能力。當具有一定頻率的無線電波以一定角度傳播到電離層時，它將被電離層反射回地面，反射回地面的無線電波也可以再次射向電離層以實現(xiàn)多次反射。當無線電波的頻率超過電離層的MUF時，無線電波不能被反射，而是通過電離層進入太空[3]。

電離層和海平面對短波的傳播有很大的影響。一方面，電離層總是呈現(xiàn)出經(jīng)緯度復雜的空間變化，并且隨著白天，夜晚，季節(jié)等變化而變化。另一方面，由于風和其他因素，海洋將不會保持平靜。海水的電磁梯度、局部介電常數(shù)和滲透率都會隨著洋流的湍急程度改變。

1 海陸間通信模型的建立

電離層可以分為很多層，無線電波從發(fā)射點射入電離層之后可以通過多種模式反射到海面。為方便計算，我們只考慮無線電波通過電離層的E層反射的傳播模式。當無線電波的頻率超過電離層的MUF時，將直接射入太空而不被反射。為了保證無線電的正常傳播，我們采用最佳可用頻率作為無線電波的傳播頻率。最佳可用頻率為f=0.85fMUF（fMUF為最高可用頻率）。在這個模型中我們將計算100W的hf信號經(jīng)過一次跳躍后的信號強度，我們考慮它會有一系列的損耗，包括自由空間傳輸損耗、電離層吸收損耗、額外系統(tǒng)損耗和海洋反射吸收損耗，下面我們將介紹各種損耗。

1.1 自由空間基本傳輸損耗

無線電波在空氣中傳播時候的能量損耗[4]：其中，Lbf為自由空間中的基本傳輸損耗，r為無限電波發(fā)射點與接收點的距離。

1.2 電離層吸收損耗

電離層損耗是無線電傳輸損耗的第二個因素。對于短波，主要是指短波通過時，由d、e、f層引起的吸收損耗。

電離層的吸收損耗可以通過以下公式得到[5]：

其中,α為衰減系數(shù)，

其中，μ0為磁導率，ε0為介電常數(shù)，εi祄i為電離層的相對介電常數(shù)，σ為電導率，ω為角速度，可由ω=2πf計算的到，通常因此上述公式可以變形為：

1.3 額外的系統(tǒng)損失

額外的系統(tǒng)損失包括遷移吸收、極化損耗、電離層非鏡面反射損耗等。附加系統(tǒng)損耗難以計算，是一個綜合估計。它是通過大量電路測量的波傳播損耗數(shù)據(jù)減去若干特定損耗得到的[6]。

額外的系統(tǒng)損失LP與發(fā)射點的本地時間t有關。

1.4 海洋反射吸收損耗

平靜海面可以當成一個無限大的光滑平面。光滑海面對電波的反射主要是鏡面反射，可以使用海面對電波的反射系數(shù)來表征。為了得到海面對電波的反射系數(shù)我們需要知道海面復介電常數(shù)ε～，它由海水相對介電常數(shù)εr，海水率σ和電波波長λ構成，表達式為：

根據(jù)CCIR，εr=70，σ=5S/m我們由平面波斜射到理想介質(zhì)分界面上的反射定律，可得在光滑海面上的水平極化波和垂直極化波的Fresnel反射系數(shù)公式為：

其中，θ為掠入射角。將式（1）代入上面兩式可求得水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)。然后再根據(jù)反射系數(shù)可以求出海平面的信號損耗LO。

1.5 一次跳躍后的信號強度

Hf無線電一次跳躍的各種損耗為L,根據(jù)上述分析，我們可以得到：

我們假設Pt為無線電的發(fā)射功率，Pr無線電傳播任意跳動時經(jīng)過海面反射的功率，并以dBm為單位，進一步的到無線電的接收功率Pr：

2 考慮湍急海面對計算模型的修正

2.1 湍急洋流的電磁特性

光滑海面對電波的反射主要是鏡面反射,而湍急海面對電波的反射除了鏡面反射分量還有散射分量，它會減弱電波在鏡面反射方向的能量。下面就分兩步研究湍急海面對反射系數(shù)的影響。首先研究湍急海面電磁特性，為反射特性的研究提供基礎。

海面電磁特性影響海面對電波的反射系數(shù)，它與海水的溫度，鹽度，電磁波頻率等多素有關。湍急海面的溫度、鹽度與平靜海面相差不大，而在f＜1106.207 MHz[7]時，海水的相對介電常數(shù)和電導率幾乎不受電磁波頻率的影響，所以湍急海面的電磁特性可以參照平靜海面的特性εr，σ的值。

2.2 反射特性

湍急的海面會改變電波的散射分量，從而導致海面的反射系數(shù)發(fā)生變化。我們根據(jù)反射系數(shù)的計算方法對兩種極化方式的反射系數(shù)進行仿真和分析。

對于水平極化波，反射系數(shù)隨掠入角的變化曲線如圖1。從圖1可以看到隨著掠入角的增加，反射系數(shù)的幅值也逐漸減小但變化較小。

圖1 水平極化波

對于垂直極化波，反射系數(shù)隨掠入角的變化曲線如圖2所示。從圖2可以看到隨著掠入角的增加，反射系數(shù)的幅值先減小后逐漸增加。

圖2 垂直極化波

2.3 粗糙修正因子

我們引入一個粗糙修正因子對靜態(tài)海面反射系數(shù)進行修正。

其中，R′為粗糙海面反射系數(shù)，ρ為粗糙修正因子，R為光滑面反射系數(shù)。 國際無線電顧問委員會（CCIR）給出了粗糙修正因子ρ[8]的表達式為：

其中，c為光速，f為電波頻率，h為海面均方根高度，它可根據(jù) Phillips（1966）海浪模型給出

其中w為海面附近高度的風速，單位為m/s。根據(jù)以上公式我們可得修正因子ρ，進而可以通過 2.2節(jié)和2.3節(jié)的模型可以得到粗糙海面的反射系數(shù)。

3 結(jié) 語

根據(jù)我們的研究結(jié)果，我們可以看到短波通信的質(zhì)量受到電離層變化，海洋湍流等因素的影響，根據(jù)我們海陸間短波通信損耗的計算模型，可以對天線輸出功率的確定起到一定的指導作用。未來，短波依舊可以憑借自身的優(yōu)勢，如成本低，生存能力強，通信距離長等優(yōu)點，在微機，移動通信和微電子產(chǎn)行業(yè)的新型技術的促進下，繼續(xù)在現(xiàn)代通信中繼續(xù)發(fā)揮著更加廣泛的作用。