电磁波传播科学的开拓1864年,J.C麦克斯韦(JamesC.Maxwell)首先提出了电磁场理论,20多年后,H.R赫兹(HeinrichR.Hertz)电磁波实验成功,启发人们积极探索利用电磁波实现无线通信的途径。一些著名的科学家和数学索对地波传播理论进行探索,如A.索末菲尔特(A.Sommerfeld)建立了无线电波沿平地面传播的基础理论,B.范特波尔(B.VanderPol)和W.沃森(W.Wotson)建立了无线电波绕导电球形地面传播的基础理论。此后,有不少科学家对绕地球面传播的理论作出了重大的发展。一些发明家和工程师发明了电子管,研制了无线电收、发设备,进行了地波传播的研究和试验,发现地波场强随距离增大而迅速衰减,而且顿率越高衰减越快,地波通信只能是较近距离的。 20世纪的第一个年代.G.马可尼(GuglielmoMarconi)进行了横跨大西洋的无线电传播和通信试验并获得成功。使有的科学家意识到,在地球大气层上空可能有一由游离电子组成的层状结构使无线电波返回地球。20世纪20年代,一些科学家用不同方法观测到了存在于大气层上空的游离电子层,并测得了它的分层情况,命名为电离层,开创了电离层物理和电磁波在电离层中的传播这一学科领域,并为建立远距离短波无线电通信以及广播提供了科学依据。 在第二次世界大战期间,交战双方都努力从事雷达和微波技术的研究和开发,极大地扩展了无线电波频谱的应用,提出了新的传播问题。如雷达定位用的无线电波经过大气层要发生射程的微小弯曲和速度的微小改变,这些影响在远距离、高精度的要求下必须加以考虑。除定位外,还要求它具有侦察目标特性的功能以及具有抗干扰的能力。为了侦察目标特性,往往使用多个频率或较宽频谱(包括具有特殊分布形状的频谱)的信号,或使用扫频和波束扫描技术以增加信息量,并可结合应用成象技术使之具有成象功能,如综合孔径雷达。还可利用雷达来探测云层乃至月球的表面等。此外,为了探测地下和水下目标和侦察隐身飞机,又发展了较低频率的单脉冲雷达。由于对农业生长、矿产资源分布、海洋面上的污染、灾害性气候等一系列环境和生态问题的侦察要求,又迅速推进了遥感技术的发展。新的雷达技术和遥感技术开拓了电磁波传播一个新的方向问题,即所谓逆问题或称反演问题。 微波和超短波技术的发展提供了各种方式的通信: ①利用短波电离层传播进行通信,是较简易实用的,但由于电离层是色散媒质,频带较窄,不适合于传递电视信号和快速数字信号,太阳发生耀斑爆发时电离层会出现突然骚扰,使短波通信中断。继而会发生电离层暴,使电离层层状结构受到一定破坏,严重影响短波通信。 ②由于微波频率高,对流层基本上是非色散的,电离层对它的影响一般可以忽视,所以频带可以很宽,可传送多路电视信号和数字信号。微波一般只能在视线距离范围内传播,为了增长通信距离,可用分段中继方法。 ③对于超短波,除可作视线距离范围内的通信外,可利用对流层内湍流运动产生的折射率随机不均匀性进行前向散射通信,通信距离一般在200~300km之间,它的频带宽度比短波电离层通信的大,虽有衰落,通信是经常可靠的,它的缺点是通信距离可变范围较小,所用的功率较大。 电离层的发现,使人们意识到在电离层底部和地球表面之间形成一个同心球面波导,长波和超长波信号可以从一处传播到另一处。理论和实践都证明,衰减较小,除日出和日落时间外相位相当稳定,适合用于播送标准时间信号和作双曲线导航,也可从地面用强长波或超长波发射台向升至离海面不很深处的潜艇发射指令和信息。 随着空间活动的发展,对电磁波传播提出了更多的研究课题。问题之一是如何克服地球的阻挡以保持地球站与轨道飞行器尤其是载人飞船或航天飞机之间的经常无线电联络。唯一的直接途径是利用电离层对短波无线电波的折射。对于地面上两点间的传播距离大于电离层F2层一次跳跃的最大距离(约为4000km)时,一般认为传播方式将为两跳或更多次跳,但实践证明,远距离电路的实际最高可用频率(MUF)总是高于按多次跳传播方式所预测的MUF值,频率预测专业人员都使用一种称为控制点法的经验方法,办法是沿发和收两点间的连线上,在离两端2000km处各取一点称为控制点,根据在这两控制点上空电离层的情况,预测出以这两控制点为中心的4000km一跳的MUF值,这两个值中较低的一个即为整个电路的MUF,不管整个电路长度究竟超过4000km多少。这说明两点,一是时整个电路来讲,发、收两端控制点上空的电离情况是关键的;二是用控制点法保证了离发、收两点的距离不到2000km某处的上空,必有射线正好沿着水平方向传播。