短波传播基础

短波传播基础 文：Dennis J. Lusis, W1LJ/DL 译：BD6ABP de BY6DX 在业余无线电的众多话题中，可能没有其它话题能像电磁波传播这样吸引人，也没有其 它话题能像电波传播这样困扰着新手了。传播，就是指信号是如何从一个电台传到另一个电 台的。无论你怎么看待传播这一问题，它对于我们所做的每一个 QSO——不管是本土的聊 天，还是与稀有的 DX 电台通联——总是一个最基本的问题。了解无线电波如何传播的基础 知识会使你对这一业余爱好越发感兴趣并乐在其中。本文将向你介绍短波传播的主要模式。 而 VHF 和 UHF 传播则是完全不同的主题了。 地波与天波 不管你使用哪种天线，从天线发射出的无线电波可以大致分为两类——地波与天波。简 单地说，地波就是没有离开底层大气直接从发射机到达接收机的电波（图 1）。举个例子， 在HF波段，当你与邻近城市的电台进行联络时就是利用地波传播。远达 50 英里的业余无线 电通联都可以利用地波。1然而，业余无线电台能够建立全球范围的通联，靠的是天波。 顾名思义，天波就是不沿着地球面传播的波；天波向天空传播，离开地球表面（图 1）。 看到这里，你可能会问，我们怎么能利用向宇宙空间传播的信号进行联络呢？毕竟我们的接 收机都是在地球上的呀！原因其实很简单——电波总会以某种办法回到地表被我们的接收天 线捕获。是什么东西“说服”了我们的信号，使它返回地面呢？幸运的是，在上层大气中， 有一个区域可以很好地（有时也不是太好！）完成这一任务。这一个区域被称为“电离层”， 而正是因为它的存在我们必须注意理解 HF 传播的基本机制。 图 1 地波与天波的一个例子 电离层的性质 电离层得名于“离子”这一术语。离子是一自由电子或其它带电的微粒。在大气层中， 在离地面大约 25 到 250 英里之间的区域会发生电离现象。在这一区域里气压很低，离子在 发生碰撞重新形成不带电的原子之前，可以自由地行进一段相当长的时间。当无线电波进入 电离层时，电波的传播路线会由于“折射”现象而被改变（图 2）。在适合的条件下，电波 可以有足够的转向回到地表，这样电波就可以被地面上的电台接收到了。 大气电离的主要原因是由于来自太阳的紫外线辐射。因此，太阳的活动情况对传播起着 非常重要的作用。稍后我们还会讨论我们所关心的几个太阳活动指标。 图 2 在一定的条件下，入射电离层的电磁波可以被折射回来，路径发 生改变。这样在地面上就可以听到入射电离层的信号。可能这个信号 来自几千英里外的发射天线。 离子“蛋糕层” 通过对电离层的进一步了解，我们知道电离层是由几层一定浓度的离子层一层一层叠起 来的，每一层都与地表的曲面同心。在每一层中，中心处的密度最大，越往边缘密度越低（图 3）。但是，电离层的电离度是一直变化着的，这既有一日内的变化，也有季节间的变化，同 时太阳的活动状况以及其它一些因素也会引起电离层电离度的变化。这些变化直接导致了 HF 传播的不停变化，这经常使很多老练的操作员都感到沮丧。 每一层都不相同 虽然电离层中的每个子层都是由自由的离子组成，但各层之间的相似性（起码对于我们 的目的来说）就只有这一点了。这个“蛋糕”的每一层都有独特的性质，而且你可能会对它 们对传播的影响感到惊讶。 电离层的最底层称为 D 层。这一层位于距地表 37 到 57 英里处（图 3）。D 层只存在于 白天，通常在日落后 30 分钟内消失。由于它离地表很近，所以 D 层位于大气层中密度相对 较高的位置。在这一层中，离子经常会发生碰撞并重新组合成中性的粒子，因此，这一层在 黑暗中会迅速消失。 D 层对火腿们来说不是特别有用。这一层并不折射或传递信号，而是吸收了信号中的很 大一部分。穿过浓密的 D 层的电磁波会碰到相当多的离子，并使它们运动起来。因此，电 磁波中的很大一部分能量都在转换为动能或热能的过程中消耗掉了。 因为长的波前会比短的波前让更多的离子获得动能，我们可以推论在 D 层中，随着信 号频率的降低，更多的信号能量会被吸收（图 4）。另外，电磁波进入 D 层的角度对能量的 吸收程度也有影响。垂直入射的电磁波路程最短，因此吸收也最小；以低仰角发射的电磁波 在 D 层中传播的路径要长得多，因此吸收会大些。由于 D 层中这些因素的影响，白天中 160、 80 和 40 米波段只适于短距离通信。 在晚上，D 层消失，这些波段经常可以进行几千英里的 DX 通信。而在 20 米及以上波 段，D 层的日间吸收并不显著，这是高波段上白天也可以进行 DX 通信的部分原因。 D层上面的电离层是E层，这也是支持无线电波传播的最低一层电离层。E层位于距地表 62 到 71 英里处，其性质与D层相似。例如，E层电离度最高的时候出现在当地时间下午前 后，而电离度会在日落后迅速下降。在E层电离度最高的时候（中午），这一层会吸收低波 段电磁波的部分能量，但没有D层吸收得多。还有一个有趣的现象值得注意：X射线和进入 大气层的流星也会引起E层的电离。另外，在E层中，也会发生VHF传播，称为“偶发E层传 播”。但这已超出本文的讨论范围，有兴趣的读者可以查阅解释这一现象的相关资料。2 HF 波段的 DX 通信除了偶然会通过 E 层外，我们几乎完全依赖最外面的 F 层。在离地 表 100 到 260 英里处，稀薄的大气使离子的重组比在其它层中慢得多。正因为这样，F 层可 以在整个晚上都保持高度电离。和其它层一样，F 层的电离度在正午前后达到最大，大约本 地日出前一小时电离度最小。 关于F层有一点很有趣：它会趋向于分成两层，即F1层和F2层。这一分裂在白天出现， 并使在下面的F1层拥有很多E层的性质。因此，日间的传播主要由F2层支持。晚上，F1层散 开，而F2层的高度稍微下降。 图 4 在其它所有条件相同的情况下，低频率电磁波比高 频率电磁波受到更强的 D 层吸收。较大的波前必须在 D 层中传播更远的距离。 图 3 电离层中各子层的对地高度。图中 所示的距离并不是绝对的，而是会根据 文中所述发生改变。 折射：关键的要素 我简要地提到过折射是天波返回地面的机制。这一现象最关键的一点是电磁波弯曲的角 度。这主要受两个因素所影响——离子的浓度和波长（或频率）。在其它条件一样的情况下， 电离度高的时候电磁波会弯曲得更厉害。另外，弯曲程度也会随波长的增加而增加（或换另 一种说法：弯曲程度会随频率的增加而减小）。这两个因素同时作用，最终决定了一列电磁 波能否返回地面。 看看图 5 的例子。图 5A 中的 F 层的电离度较低，这是夜间的典型情况。在这种条件下， 28MHz 的信号没能折射足够的角度，不能返回地面。但是，3.5MHz 的电磁波的波长较长， 因此折射得较厉害，于是可以返回地面。 在图 5B 中，电离层的电离度较高，比较像正午的情况。现在，由于电离度足够高，两 列波都被折射回地面。注意 28MHz 的电磁波的弯曲程度不如 3.5MHz 的电磁波，因为 28MHz 的电磁波波长较短。 图 5 图 A 中，较低的电离度并不足以使 28MHz 的电磁波折射回地面； 但这已足够使 3.5MHz 的电磁波折射回来。在 B 中，较高的电离度使 28MHz 的电磁波可以折射回来。 现在你应该理解电离层折射的基本原理了。是时候介绍一个与日常操作有关的简单而有 用的因子了。“最高可用频率”（muf）定义为在当前条件下两指定点之间可以进行通信的最 高频率。例如，在某个晚上，纽约和芝加哥之间的 muf 可能为 3.5MHz，而在同一时刻，纽 约与丹佛之间的 muf 可能为 28MHz。为什么会这样呢？要回答这个问题，我们必须把另一 个因素纳入我们的讨论——仰角。 我们已经知道电磁波的折射程度由两个要素决定：波长和电离度。但在一个固定的频率 和一定程度的电离度之下，电磁波可以以不同的角度入射 F 层。而这会如何影响传播呢？ 让我们深入地一下。 图 6A 显示了 28MHz 信号典型的可能发生的传播情况。以高仰角发射的电磁波入射电 离层后不能折射回地面，而是进入太空中。而随着仰角的下降，当仰角在达到一定的角度后 电磁波可以折射回地面。这个角度称为“临界角”，所有发射仰角低于或等于这个角度的电 磁波都可以折射回地面。 临界角也直接与一个被称为“跳跃距离”或“跳跃区域”的现象有关。如图 6 所示，这 一区域（或距离）是任何常规的天波都无法到达的。跳跃距离的长短随临界角而变化。表 1 列出了各个波段的平均跳跃距离。 表 1 MF 和 HF 业余频段的平均跳跃距离 波段（米） 正午*（英里） 午夜*（英里） 160 0 0 80 0 0 40 50 300 30 300 600 20 500 1000 15 800 （只有白天有天波传播） 10 1200 （只有白天有天波传播） *路径中点处的当地时间 图 6B 显示了电离层对低波段（3.5MHz）信号的折射作用。图 6B 的其它条件与图 6A 都一样，我们可以看到 3.5MHz 信号临界角比 28MHz 信号高得多，而跳跃距离则短得多。 在 3.5MHz 波段，我们可以在纽约与芝加哥的电台进行 QSO。而在 28MHz，由于跳跃区域 过长的关系，这个 QSO 就无法进行。为什么我们所要通联的两个地方的 muf 会不一样这个 问题的现在应该很清楚了！ 多跳传播 图 6 频率、临界角 与跳跃距离之间的 关系示意图。解释见 文。 为简单起见，我在前面只提到了电磁波只被电离层折射一次“跳”了一下的情况。但 F2层有相当的高度，单跳可能达到的最大距离只有大约 2500 英里。因此，超过这个距离的 通信需要折射多次，这被称为“多跳传播”。图 6B显示了返回地面的电磁波又被反射到电离 层，然后再被折射回地面。这一现象可以出现好几次，于是电磁波就可以绕着地球传播了。 因为在每一跳中都会损失相当多的能量，所以采用低仰角辐射更为可取些。低仰角辐射比高 仰角辐射所需的跳跃次数少一些。Hutchinson在QST杂志中发表的一篇极好的文章中阐述了 决定辐射仰角的因素。3 多跳传播损耗中的另一因素是信号是被陆地还是水反射回电离层。可能你已经猜到， 水的反射比陆地反射好得多。在多跳传播中，电磁波会在水面上高效率地反射。是不是很奇 怪为什么来自海边电台的信号总是很强呢？4 太阳起着重要作用 我们知道太阳在短期和长期的传播变化中起着主要的作用。大体地说，原因很简单：太 阳活动的变化影响着太阳电离辐射的输出。这又影响着我们大气层的电离度。从逻辑上说， 要预测传播的状况，我们必须研究太阳的活动。和天气预测相类似，我们不能 100%准确地 预测传播状况。但是，我们可以用不同的太阳活动因子来比较好地预测各个频段的状况。 到目前为止，你一定深信太阳黑子与传播状况有密切的关系。这些灰黑色的斑点已被证 明与太阳的电离辐射输出有直接的关系。在某一时刻，可见的太阳黑子越多，我们就可以预 计将会出现越多的离子。 好在，太阳黑子的行为一直都被研究着，并在过去的 200 年内有良好的记录。现在，我 们知道太阳黑子（或其中的黑子群）以恒定的速度从太阳的东面移动到西面。这一运动是由 于太阳的自转而引起的。太阳大约 27.5 天自转一圈。 可能太阳黑子的性质中最为显著（起码对火腿们来说）的就是其 11 年的黑子活动周期 了。记录显示，太阳黑子活动的峰值每 11 年出现一次，误差为前后一年。随着这个峰值的 出现，平均muf会升高，HF传播状况总体上也会好些。上一次峰值出现在 1980 年春天（译 者：请注意本文的写作时间为 1983 年），当时在白天 10 米波段对全世界开通，而且经常维 持到夜晚。甚至有时连 6 米信号也可以通过F2层传播，这说明电离层的电离度很高。 太阳黑子的数目与太阳通量 太阳黑子数目与太阳通量是测量太阳活动程度的两个主要参数。太阳黑子数目的观测 （虽然不是实际的太阳黑子数目）每天都会被记录下来，并计算月平均值和年平均值。一个 月的“平滑太阳黑子数”是该月前六个月与后六个月数目的中值。这一数目也称为“Wolf 数”——以其提出者命名；或称为“苏黎世平滑太阳黑子数”，因为直到最近，国际上太阳 黑子数的记录都存放在那里。5典型的平滑太阳黑子数范围是从太阳活动 11 年周期中最小值 的个位数到 1957－1958 年的极大的太阳黑子高峰时的超过 200。 太阳通量数给出了电离条件的另一个参数。这一数字代表了在 2800MHz频段发现的太 阳噪声的数量。研究表明，在这个频率上，噪声的幅度与电离层中的F层的电离度密切相关。 从 1947 年起，这个参数就一直被记录下来。你可以在每个整点后 18 分钟通过收听WWV传 播公告获得每日的太阳通量数。解释太阳黑子数与太阳通量数的已经超出了本文的讨论 范围。有兴趣的朋友可以参阅其它参考资料。6,7 传播预测 理解传播的基本原理可以帮助你避免在对信号的路径判断上出现重大的错误。传播状况 的正常波动可能不会引起你的注意，但这可能会使你错过与 DX 朋友进行预约的通联。关于 这一点，进行一点传播预测可能会很有用。像天气预报那样，传播预测也不是 100%准确的， 但起码可以“在风暴前”给出一点警告。 传播预测实在是一门很棘手的科学。因此，新手们最好从已有的预测中熟悉一下。值得 再次提起每个整点后 18 分钟的 WWV 传播公告。每个月 QST 杂志都会在“How’s DX?”栏 目中给出容易使用的图表。这些图表与 WWV 数据一起组成了对你的操作计划十分有用的 工具。 W1AW的公告服务中还有其它传播公告。公告的时间表可以在隔月的QST杂志上（见目 录）（译者：本文刊登自QST杂志，所以看原文的读者只要往前翻就可以看见目录）或写信 给ARRL通信部得到。想进行DX通信的火腿可以考虑加入几个很好的DX公告板中的一个。 8－10除了有关国外DX电台位置的信息外，这么公告板还提供最新的传播预测帮助你“捉住稀 有电台”。 快乐地搜索 我希望这篇文章可以帮你消除一些关于传播的困惑。随着你不断地操作，在各个波段上 积累起经验，传播状况对变成“老一套”的东西，对你来说很容易驾驭了。但请记住，只要 你觉得传播状况是想当然的不足以事情的时候，它就会突然发生很大的变化，使你感到惊讶。 这可以称为“墨菲定律”或“母亲的本性”——这正是传播状况永远的研究都是这么有趣的 原因！ 注： 1公里＝英里/1.609（译者：原文把除法误为乘法）。 2 M. S. Wilson, “Midlatitude Intense Sporadic-E Propagation,” QST, Dec. 1970 and March 1971. 3 C. L. Hutchinson, “Getting the Most out of Your Antenna,” QST, July 1983, p.34. 4这一对多跳传播的解释未免过于简单化。对其它几个可能的理论的解释见《ARRL天线手册》， 14 版，1982 年，p.1-8。 5现在太阳黑子数的记录与编辑都在比利时的太阳黑子指数数据中心（Sunspot Index Data Center, 3 avenue Circulaire, B 1180 Brussels, Belgium）。 6 G. Hall, ed., The ARRL Antenna Book, 14th ed.(Newington: ARRL, 1982), Chapter 1. 7 E. Tilton, “The DXer’s Crystal Ball,” QST, June, August and September 1975. 8 The DX Bulletin, 306 Vernon Ave., Vernon, CT 06066. 9 The Long Island DX Bulletin, P.O. Box 173, Huntington, NY 11743. 10 QRZ DX, P.O. Box 4072, Richardson, TX 75080.