3.1.1 短波电波的传播特性
短波电波传播有两种基本模式：地波和天波。顾名思义，地波是沿地球表面传播，天波是电波经电离层反射回地面的一种传播方式。图3-1给出了短波通信电波不同的传播路径。
图3-1 短波传播路径
1．地波传播
地波传播是短波通信近距离传播的方式，当天线架设较低且最大辐射方向沿地面时，主要是地波传播。地波又可以分成直接波、地表面波和地表面反射波。
①地表面波：沿地球表面进行传播。由于传播过程中的扩散和吸收，最终地表面波完全被地球吸收。无线信号以地表面波形式传播的距离主要依赖于发送机功率、接收机灵敏度、天线特性和传播路径。在给定通信收发设备条件的情况下，地表面波的有效传播距离主要取决于电波频率和地表的传导性。频率越高，地面吸收造成的衰落也越大，即传播距离越近。同时，地表面波的传播距离取决于地表的传导性，由于海水的导电性最好，海洋上的电波传播损耗最小，因此，短波通信以地波方式在海面传播距离能达到300～400km，而同样的设备，在干旱、岩石、导电性差的地形条件下，传播距离可能不足30km。
②直接波：以直线方式进行传播，其信号强度随着通信距离的增加而衰减。直接波可能会被大气折射，从而扩展其传播距离略超过地平线。采用直接波方式通信时，发射和接收天线必须互相“可见”，即不能被地球曲率所遮挡，因此直接波通信有时被称为视距通信。所以，天线的高度直接决定直接波的传播距离。
③地表面反射波：指经发射机和接收机之间地面反射传播的一部分电波。
地波传播的特点是信号比较稳定，基本不受气象条件的影响。地波在传播过程中，能量逐渐被大地吸收，很快减弱，因而传播距离不远。由于地表对电波的吸收作用，电波的能量随传播的距离而衰减。工作频率越低，电波传播的损耗越小，传播距离越远。所以，采用短波地波传播时，尽可能采用低端频率，如1.5～5MHz，可以传播到较远的距离。
不同频率地波传播的场强−距离变化曲线如图3-2所示，可以看出，地波衰减随着频率的升高而增大，同时随距离迅速增加，因此短波地波传播只适用于近距离通信。
图3-2 不同频率地波传播的场强−距离变化曲线
受地形地物的影响，短波地波传播存在反射和绕射，在发射点和接收点之间可能存在多条传播路径。多径传播造成多径传播效应，导致多径衰落和多径时散。多径衰落表现为接收信号的强度起伏变化；多径时散会引起码间串扰，为了避免这种现象出现，必须采用抗多径技术才能提高数据传输速率。
2．天波传播
天波传播使超视线通信成为可能。根据时间、频率和电离层条件，信号可在地面和电离层之间一次或多次反射，通信距离可达几百到数千千米。由于电离层是不断变化的，与地波传播相比，实现远距离通信的天波传播信道很不稳定。因此，为了达成可靠的远距离短波通信，需要对电离层有进一步了解。
（1）电离层
电离层是在地球大气层中一个带电粒子或气体的特殊区域，主要分布在地面上空50～600km。电离是在太阳辐射作用下，原子和带电体电离出电子的过程。电离层电离现象很严重时，甚至可能使气体发出可见光，也就是北极光和南极光。
电离层对电波有吸收作用，当电波进入电离层时，电离层会吸收电波的能量，使电波的能量衰减。衰减的大小与电离层的电子密度和电波频率有关。电子密度越大，电离层对电波能量的吸收作用就越大，电波的衰减也就越大；电波频率越低，电离层对电波能量的吸收作用也越大。
电离层除了对射入的电波有吸收作用，还有反射作用。电波在电离层中的传播速度是电子密度的函数，电子密度越大，电波传播速度也越大。电离层的电子密度随着距离地面的高度增大而增加，因而电波在电离层的传播速度也是不断增加的，这就使得电波在电离层内传播轨迹是弯曲的，弯曲到一定程度时，电波将反射回地面。
影响电波反射的因素除了电子密度，还有电波的频率。将电波发射到电离层时，有些频率的电波完全被电离层吸收，有些频率的电波则反射回地球，还有一些频率的电波穿透电离层传到外太空。
电波进入电离层的角度称为入射角，如图3-3所示。电波从电离层反射回来的反射角与入射角相同，因此入射角决定了通信距离。通信距离远时需要相对大的入射角，而对于近距离通信，入射角就需要相对小一些。
图3-3 电波入射角
如果电波的入射角太小，即电波接近垂直于电离层方向入射，那么它可能穿透电离层，无法反射回地球；如果电波的入射角太大，那么电波进入电离层后，可能在到达较稠密的电离层上部前，就被完全吸收，而无法反射回来。因此，入射角不能太大也不能太小，要保证电波不穿越电离层，也不会被完全吸收，才能反射回地球。
（2）电离层结构
在电离层内部包含4层不同的结构，如图3-4所示。由于电离是在太阳辐射作用下发生的，因此通常高层电离层的电离程度比较大，而低层电离层的电离程度较小。在20世纪20年代，阿普尔顿最先发现的电离层命名为E层。后来，人们又相继发现D层、F层和偶发E层。
图3-4 电离层结构
在电离层中，D层是最底层，出现在地球上空60～90km处，最大电子密度在80km处。D层只在白天出现，当太阳光在其顶峰时期电离作用达到最大，而后在傍晚时分迅速消失，故夜间不再对短波通信产生影响。在大多数情况下，D层电子密度不足以反射短波，所以短波以天波传播时将穿过D层。在穿过该层的这个过程，电波将遭到严重的衰减，且频率越低，衰减越大。因此，D层也称为吸收层。
E层出现在地球上空90～150km处，最大电子密度发生在110km处，白天基本不变。在线路设计和计算时，通常都以110km作为E层的高度。与D层一样，E层出现在太阳升起时，在中午电离作用达到最大值，之后逐渐减小。夜间E层无法反射短波信号。E层可以反射高于1.5MHz的频率。此外，在120km高度处的电离层偶尔会有很高的电子浓度，称为偶发E层，记为Es层。偶发E层电子浓度很高，反射效果很好，能传播短波和超短波频段的电波。但由于其出现是偶发性的，因此无法为时效性要求高的系统所用。
对于短波通信来说，F层是最重要的。在一般情况下，远距离短波通信都选用F层作为反射层。与其他层相比，F层的高度最高，反射传播的距离最远，习惯上称F层为反射层。F层在白天有两层，即F1层和F2层。F1层位于地球上空150～200km处，F2层位于地球上空200～1000km处。
需要注意的是，F层的高度在不同季节、一天内的不同时刻都会发生变化。F1层只在白天出现，且冬季基本消失，对短波通信并不重要。F2层在中午时电离程度最大，与其他层不同的是，在F2层高度上的空气非常稀薄，离子和电子复合非常缓慢，在日落后尽管电离程度逐渐减小，但并不会完全消失。
在白天，利用F层反射进行天波传播要求频率足够高，可以穿透D层和E层而不被完全吸收，但同时又要求频率不能过高，否则有可能会穿透F层无法反射回地面。到了夜间，仍可利用F2层实现天波传播，但是夜间F2层的电子密度较白天还是降低了一个数量级，能反射的频率远低于白天的频率。如果使用同样的频率，就会穿透F层到达外太空。
可见，电离层的高度和电子密度随昼夜、季节、年份的不同而变化，因此短波通信选用的工作频率也要相应地改变。白天电离层电子密度较大，可用较高的工作频率，夜间电离层电子密度较小，宜用较低的工作频率，一昼夜需数次改变工作频率，才能保障通信顺畅。特别是在拂晓和黄昏时，电离层电子密度变化较大，更需及时改变频率，否则将导致通信中断。
（3）电离层变化规律
电离层的变化分为规则变化和不规则变化。由于太阳辐射强度是周期性变化的，电离层也随之周期变化。可根据太阳辐射强度的周期性，预测电离层变化，选择合适的工作频率。电离层的规则变化包括日夜变化、季节变化、11年周期变化和随地理位置变化。
①日夜变化。由于太阳照射强度的不同，白天的电子密度比夜间大，中午又比早晚大，在日落以后电子密度减小至第二天日出前降至最低。到日出以后，各层的电子密度又开始增加，到正午前后达到最大值。
②季节变化。在不同的季节，太阳的照射不同，一般夏季的电子密度大于冬季。但F2层例外，冬天的电子密度反而比夏季大，其原因至今还不清楚。春季和夏季的日照时间较长，电离层的电离程度较高，导致天波穿过D层和E层的吸收效益增强。而秋季和冬季的日照时间较短，到达D层和E层的太阳辐射较少，其电离程度较低，吸收效益减弱，到达F层时信号强度反而得到了提升。
③11年周期变化。太阳的活动性一般以太阳一年的平均黑子数来代表，黑子的数目每年都在变化，变化周期大约是11年。黑子数目增加时，太阳所辐射的能量增加，因而各层的电子密度增大。在太阳黑子活动性较低时期，由于E层和F层电离太弱，不足以反射信号，因此高于20MHz的频率往往无法使用。然而在太阳黑子活动高峰期，30MHz的信号都能实现反射。
④随地理位置变化。不同地点上空受太阳辐射的程度存在差别，赤道附近太阳照射强，南北极弱。赤道附近上空的电子密度大，而南北极最小，因此电离层的特性随地理位置不同而变化。
电离层除了上述几种规则变化，有时还发生一些电离状态随机的、非周期的、突发的急剧变化，称这些变化为不规则变化。
①偶发E层。它是发生在E区高度上的一种常见的较为稳定的不均匀结构。Es层的出现是偶然的，一旦形成则在一定时期内非常稳定。在中纬度区域，Es层在夏季出现较多，白天和晚上出现的概率相差不大。从全球来看，远东地区Es层出现的概率较大。
②电离层暴。太阳黑子数增多时，太阳辐射的电磁波和带电微粒都极大地增强，正常的电离层状态遭到破坏，这种电离层的异常变化称为电离层暴或电离层扰动。电离层暴通常在太阳耀斑爆发20～40小时发生。太阳耀斑致使D层强烈电离，导致其吸收了大部分的短波信号。此外，电离层暴发生时，常使得F2层的临界频率大大降低，如果不改变工作频率，那么原来可用的电波会穿透F2层，导致通信中断。电离层暴持续几小时到几天。