波長(zhǎng)不同的電磁波有不同的傳播特性,這里只介紹無(wú)線電波的傳播。通常,無(wú)線電波有三種傳播方式:地波、天波和沿直線傳播的波。
地波沿地球表面附近的空間傳播的無(wú)線電波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物,根據(jù)波的衍射特性,當(dāng)波長(zhǎng)大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時(shí),波才能明顯地繞到障礙物的后面。地面上的障礙物一般不太大,長(zhǎng)波可以很好地繞過(guò)它們。中波和中短波也能較好地繞過(guò),短波和微波由于波長(zhǎng)過(guò)短,繞過(guò)障礙物的本領(lǐng)就很差了。
地球是個(gè)良導(dǎo)體,地球表面會(huì)因地波的傳播引起感應(yīng)電流,因而地波在傳播過(guò)程中有能量損失。頻率越高,損失的能量越多。所以無(wú)論從衍射的角度看還是從能量損失的角度看,長(zhǎng)波、中波和中短波沿地球表面可以傳播較遠(yuǎn)的距離,而短波和微波則不能。
地波的傳播比較穩(wěn)定,不受晝夜變化的影響,而且能夠沿著彎曲的地球表面達(dá)到地平線以外的地方,所以長(zhǎng)波、中波和中短波用來(lái)進(jìn)行無(wú)線電廣播。
由于地波在傳播過(guò)程中要不斷損失能量,而且頻率越高(波長(zhǎng)越短)損失越大,因此中波和中短波的傳播距離不大,一般在幾百千米范圍內(nèi),收音機(jī)在這兩個(gè)波段一般只能收聽(tīng)到本地或鄰近省市的電臺(tái)。長(zhǎng)波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x要遠(yuǎn)得多,但發(fā)射長(zhǎng)波的設(shè)備龐大,造價(jià)高,所長(zhǎng)波很少用于無(wú)線電廣播,多用于超遠(yuǎn)程無(wú)線電通信和導(dǎo)航等。
天波依靠電離層的反射來(lái)傳播的無(wú)線電波叫做天波。什么是電離層呢?地球被厚厚的大氣層包圍著,在地面上空50千米到幾百千米的范圍內(nèi),大氣中一部分氣體分子由于受到太陽(yáng)光的照射而丟失電子,即發(fā)生電離,產(chǎn)生帶正電的離子和自由電子,這層大氣就叫做電離層。
電離層對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波表現(xiàn)出不同的特性。實(shí)驗(yàn)證明,波長(zhǎng)短于10m的微波能穿過(guò)電離層,波長(zhǎng)超過(guò)3000km的長(zhǎng)波,幾乎會(huì)被電離層全部吸收。對(duì)于中波、中短波、短波,波長(zhǎng)越短,電離層對(duì)它吸收得越少而反射得越多。因此,短波最適宜以天波的形式傳播,它可以被電離層反射到幾千千米以外。但是,電離層是不穩(wěn)定的,白天受陽(yáng)光照射時(shí)電離程度高,夜晚電離程度低。因此夜間它對(duì)中波和中短波的吸收減弱,這時(shí)中波和中短波也能以天波的形式傳播。收音機(jī)在夜晚能夠收聽(tīng)到許多遠(yuǎn)地的中波或中短波電臺(tái),就是這個(gè)緣故。
沿直線傳播的電磁波微波和超短波既不能以地波的形式傳播,又不能依靠電離層的反射以天波的形式傳播。它們跟可見(jiàn)光一樣,是沿直線傳播的。這種沿直線傳播的電磁波叫空間波或視波。
地球表面是球形的,微波沿直線傳播,為了增大傳播距離,發(fā)射天線和接收天線都建得很高(圖3),但也只能達(dá)到幾十千米。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí),要設(shè)立中繼站。由某地發(fā)射出去的微波,被中繼站接收,進(jìn)行放大,再傳向下一站。這就像接力賽跑一樣,一站傳一站,把電信號(hào)傳到遠(yuǎn)方(圖4)。直線傳播方式受大氣的干擾小,能量損耗少,所以收到的信號(hào)較強(qiáng)而且比較穩(wěn)定。電視、雷達(dá)采用的都是微波。
現(xiàn)在,可以用同步通信衛(wèi)星傳送微波。由于同步通信衛(wèi)星靜止在赤道上空36000km的高空,用它來(lái)做中繼站,可以使無(wú)線電信號(hào)跨越大陸和海洋。
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