天波是什么?关于天波的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:13:06

在无线电通信中,天波或跳跃指的是从电离层(高层大气的带电层)反射或折射回地球的无线电波传播。天波传播不受地球曲率的限制可以用来在地平线之外的洲际距离上进行通信。它主要用于短波频段。

由于天波传播的存在,来自遥远的调幅AM广播电台、短波电台或甚高频调频电台或电视台的信号在偶尔的E传播存在的条件下(主要是在两个半球的夏季)——有时可以像本地电台一样被清晰地接收到。大多数长距离短波(高频)无线电通信(3到30 MHz之间)都是利用天波传播。自20世纪20年代初以来,业余无线电爱好者(或称“爱好者”)利用天波进行长距离通信,其发射功率被限制在比广播电台更低的水平。

天波传播不同于:

  • 地波传播,无线电波在地球表面附近传播而不被大气反射或折射——低频时的主要传播模式。
  • 视距传播,无线电波以直线进行传播,这是高频率下的主要传播模式。

说明

天波传播有两种模式:通过水平定向波的长距离通信(DX)和通过近垂直定向波的局部通信(近垂直入射天波——NVIS)。

水平天空

电离层是高层大气的一个区域,海拔大约从80公里到1000公里,中性空气在这里被太阳光子和宇宙射线电离。当高频信号斜射入电离层时,它们作为散射波从电离层反向散射。 如果中层电离对于所选的频率足够强,散射波可以从底层向地面射出——就像从镜子中倾斜反射一样。然后,地球表面(地面或水)将下行波漫反射回电离层。

地球对不同波长电磁辐射(包括无线电波)的大气透射率(或不透明度)变化图

在浅入射时,损耗相当小,因此无线电信号可以在地球和电离层之间有效地进行两次或更多次“弹跳”或“跳跃”(多跳传播),就像扔石头在水中“跳跃”一样。因此,即使只有几瓦的信号有时也能在几千英里之外被接收到。这就是短波广播能够在全世界传播的原因。

如果电离不够大,散射波最初会向下偏转,随后向上偏转(在层峰值之上),使得它在离开层的顶部时产生微小的偏移。天波传播发生在由地面和电离层构成的波导管中,每个波导管都用作反射器。通过一次“跳跃”,可以达到3500公里的传输距离。跨大西洋的天波通信大部分是通过两三次跳跃实现的。

具有相同电离程度的等离子电离层(反射面)不是固定的,而是像海洋表面一样波动。这个变化的表面通过改变反射效率造成反射信号强度的变化,从而导致短波广播中的“衰落”。

近乎垂直的天波

垂直或几乎垂直指向的天波被称为“近垂直入射”的NVIS。在某些频率下,通常在频率较低的短波区,天波会直接反射回地面。当电波返回地面时,它会扩散到更广阔的区域,允许发射天线在几百英里内进行通信。NVIS支持在阻挡了视距通信的低洼山谷地区进行局部通信。这种方法经常用于紧急通信。

其他考虑因素

频率在30兆赫以上的甚高频信号通常会穿透电离层,而不会返回地球表面。E-跳跃是一个显著的例外,包括调频广播和甚高频电视信号在内的甚高频信号在春末夏初经常反射回地球。E-跳跃除了在500兆赫以下发生的非常罕见的情况外,很少会对超高频频率产生影响。

低于大约10 MHz(波长超过30米)的频率,包括中波和短波(在某种程度上是长波)广播,在夜间通过天波传播效率最高。10MHz以上的频率(波长小于30米)通常在白天传播效率最高。低于3KHz频率的波长大于地球和电离层之间的距离。天波传播的最大可用频率实际上受太阳黑子数量的影响。

地磁风暴期间,天波传播通常会减弱——有时严重减弱。在电离层突然扰动期间,太阳照射地球一侧的天波传播可能会完全中断。

因为电离层的较低海拔层(特别是E层)在夜间基本消失,所以电离层的折射层在夜间比地球表面高得多。这导致夜间天波的 “跳跃”距离增加。

发现的历史

业余无线电爱好者被认为发现了短波波段的天波传播。早期的长途通信使用沿路径衰减的低频率表面波进行传播, 使用这种方法,传输距离越长,频率越高,信号衰减就越强。由于这些不利因素,以及产生和探测较高频率信号的困难,使得短波传播对于商业通信的实现有一定的难度。

业余无线电爱好者于1921年12月首次成功的进行了跨大西洋测试 ,工作在波长200米的中波带(1500千赫)——这是业余无线电爱好者当时能获得的最短波长。1922年,数百名北美业余爱好者的信号在欧洲被听到,至少30名北美业余爱好者听到了来自欧洲爱好者发送的信号。北美和夏威夷之间的第一次双向交流始于1922年,同样是在波长为200米的频率下。虽然在小于200米的波长上进行通信在技术上是非法的(但由于当局起初错误地认为这种频率对于商业或军事用途是无用的,所以并没有进行处罚),业余爱好者在第一次世界大战后不久就开始用新获得的真空管对这些波长的通信进行试验。

1923年,第二届全国无线电会议将存在极大干扰的150-200米波段的上边缘分配给业余爱好者 。迫使业余爱好者转向越来越短的波长;然而,业余爱好者可使用的无线电波被限制在波长超过150米(2MHz)的范围内。一些幸运的业余爱好者获得了150米以下实验通信的特别许可,他们在1923年完成了100米(3MHz)上的数百次长距离双向通信,包括1923年11月在110米(2.72MHz)上的第一次跨大西洋双向通信。

到1924年,许多额外特许执照的业余爱好者经常在6000英里(约9600公里)或更远的地方进行越洋通信。9月21日,加州的几名业余爱好者与新西兰的一名业余爱好者完成了双向通信。10月19日,新西兰和英国的业余爱好者完成了将近半个地球的90分钟双向通信。10月10日,第三届全国无线电会议同意美国业余爱好者 可以使用80米(3.75MHz)、40米(7MHz)和20米(14MHz)的三个短波波段。这些被分配到世界各地,而10米波段(28MHz)是由华盛顿国际无线电报会议于 1927年11月25日在创建的。15米波段(21MHz)于1952年5月1日在美国向业余爱好者开放。

马可尼

1923年6月和7月,古格里莫·马可尼(Guglielmo Marconi)的传输在夜间利用波长97米的无线电波完成,从康沃尔(Cornwall)的波尔杜无线站(Poldhu Wireless Station)到他在佛得角群岛(Cape Verde Islands)的游艇艾利特(yacht Ellette)。1924年9月,马可尼利用32米波在白天和夜间从波尔德胡(Poldhu)向他在贝鲁特的游艇进行传输。马可尼于1924年7月与英国邮政总局(GPO)签订合同,安装从伦敦到澳大利亚、印度、南非和加拿大的高速短波电报电路,作为帝国无线链的主要组成部分。英国-加拿大短波“无线电波服务”于1926年10月25日投入商业运营。从英国到澳大利亚、南非和印度的无线电波服务于1927年投入使用。

短波波段的长距离通信比长波波段的可用频谱多得多;短波发射机、接收机和天线的价格比长波所需的几百千瓦发射机和巨型长波发射天线便宜几个数量级。

短波通信在20世纪20年代开始迅速发展, 类似于20世纪末的互联网。到1928年,超过一半的长途通信已经从越洋电缆和长波无线服务转移到短波“跳跃”传输,越洋短波通信的总量大大增加。尽管一些现有的越洋电报电缆和商业长波通信电台一直使用到20世纪60年代,但是短波也结束了当时对新的越洋电报电缆和大型长波无线电台的数百万美元投资需求。

1927年,有线电视公司开始亏损,一场严重的金融危机威胁到对英国战略利益至关重要的有线电视公司(VCC)的生存。 英国政府于1928年召开了帝国无线和有线电视会议,以“审查由于无线电波服务与有线电视服务的竞争而出现的情况”。会议建议获得政府批准,并于1929年,将帝国的所有海外电缆和无线资源合并成一个新成立的帝国和国际通信有限公司。该公司的名称于1934年改为电缆和无线有限公司。