深夜两点,20 米波段的底噪像退潮一样低下去,一段若有若无的 CW 从八千千米外飘进来。同一台机器、同一根天线,换到 2 米波段,隔壁城市的中继台都要挑角度才打得开。功率没变,天线没变,变的是中间那条路。
信号能跑多远,从来不是发射机一个人说了算。它由三件事共同决定:电波怎么从天线离开、路上被摊薄了多少、以及天空当天开不开门。这三件事分别对应场与波的物理、一条可以手算的公式、还有太阳和地磁的脸色。
做惯 VHF 的人容易有个错觉:距离是功率的函数,加十瓦就多通十千米。上了短波才明白不是这么回事。同样 100 瓦,白天能通两千千米,深夜可能连三百千米都费劲。决定距离的是电离层当天的状态,以及你的天线把能量送去了哪个方向。
先从电波本身说起。
一、电波是怎么离开天线的
不少人以为天线是把电流"倒"进空间的一个口子。真相比这更像接力跑。
电流在天线上来回振荡,周围就有了变化的电场。按麦克斯韦补上的那一项,变化的电场等效成一股位移电流(displacement current),它又在旁边激起变化的磁场;变化的磁场再在更远处激起新的电场。一环扣一环,电磁场自己往外走,不再需要导线牵着。这里有两个前提:一是场强一定时,频率越高位移电流越强,辐射出去的能量也越多;二是场源必须是开放系统。同轴电缆、屏蔽盒这类封闭结构把场牢牢困在里面,能量只在导体和介质之间打转,传不到远方。要说明的是,位移电流不是电荷真的在跑,它只是“变化的电场”换了个名字;它最大的功劳,是让电路里的电流和空间里的场在同一个方程里接上了头。天线能把能量交给空间,靠的正是这一项。
【MC2-0767】由场源(比如天线)产生的电场会形成位移电流,在其周边激起变化的磁场。该磁场又会在稍远处再次激起变化的电场。这个过程周而复始,形成传向远方的电磁波。关于电磁波的传播,以下描述正确的是: 正确答案:AB(在一定场强下,频率越高,位移电流越强,场源辐射的能量也越多;只有场源为某种开放系统,变化的电磁场才能向远方传播开来)
选项里"在一定能量下,频率越高,场强越强"是错的。频率只决定变化的快慢,不决定有多少能量可以摊。给定的能量分成更密的周期,每个周期分到的就少,峰值场强反而上不去。频率高有利于辐射,但不等于凭空变强,这两件事经常被混为一谈。
顺带答一个常被问的问题:既然只有开放系统才辐射,屏蔽盒里的振荡器为什么不会到处干扰别人?因为封闭结构把场约束住了。屏蔽罩干的就是这份活。反过来,机箱上一条本该焊好却裂开的缝,就足以让内部的谐波跑出来,变成邻居听到的杂散。
开放系统长什么样,看实物就懂。中波广播塔是一根竖起来的导体,半波偶极只有两根振子,八木靠引向器把能量往一个方向挤,它们都允许场跑到自由空间里去。就这么简单。反过来,双线传输线上的电场几乎全被两根导线之间的空间占住,线间距远小于波长,能量只好乖乖跟着线走。馈线要尽量短、尽量别卷成一团,道理也在这儿:卷起来的馈线自己就成了一只不太好用的线圈。
波往外走,走的是重复的变化。频率 f 表示 τ 时间里电磁场重复了多少次,所以 f=n/τ;周期 T 是重复一次所需的时间,与频率互为倒数;波长 λ 是电磁波在一个周期里跑过的距离,等于光速除以频率。三个式子都很朴素,可它们是一切天线尺寸计算的源头。
【MC3-0772】关于无线电波的频率、周期和波长,以下描述正确的是: 正确答案:ABC(无线电波的频率 f 代表τ时间内电磁场重复改变的次数 n。所以,f=n/τ;周期 T 代表电磁场重复改变的时间间隔,其与频率 f 为倒数关系。即,T=1/f;无线电波的波长λ与光速 c 成正比,但是与频率 f 成反比。因此,λ=c/f)
算波长有个偷懒办法:用 300 除以频率的兆赫数,单位是米。145 兆赫约 2.07 米,435 兆赫约 0.69 米,7.1 兆赫约 42 米,14.1 兆赫约 21 米。波段名字里的"20 米""40 米"就是这么来的。选项里说"缩短系数没什么必要"是错的:振子末端电流为零、电荷堆积,实际谐振长度比半波长略短,修剪天线时这个系数必须算进去。
常用频段可以顺手记住几个:6 米波段约 50 兆赫,2 米约 145 兆赫,70 厘米约 435 兆赫。波长越短,同样的增益就需要越多的振元,机械公差也越紧。这就是为什么 2 米八木可以手搓,而 23 厘米以上的天线多半得买成品,或者找人用数控机床加工。
电磁波在空间里传播时,电场 E 与磁场 H 之间有一个固定的搭配比例。这个比值,就是波阻抗(wave impedance)。
【MC2-0785】关于电磁波的波阻抗 Z,以下描述正确的是: 正确答案:AB(在电磁波的传播过程中,电场 E 和磁场 H 在空间的比值称为波阻抗 Z;随电磁波传向远方,Z 逐渐趋于常数。此时 E 和 H 可以相互推算而出)
真空里传得足够远之后,波阻抗趋于一个常数,约 377 欧姆,也就是 120π。在天线近旁,E 与 H 相位不一致,比值随位置剧烈起伏,谈不上常数;进了远场区(大致几个波长以外),两者同相且互相垂直,知道一个就能推出另一个。所以场强仪量出 E,就能换算出功率密度。两个干扰项来自另外的概念:馈线接上馈电点遇到的阻碍是馈电点阻抗,不是波阻抗;能量被折回的那部分叫反射,用驻波比(SWR,Standing Wave Ratio)衡量。波阻抗属于"场",馈线阻抗属于"路"。
377 欧姆这个数不是量出来的,是算出来的:它等于自由空间磁导率与介电常数之比的平方根,也就是 120π。拿它换算很方便,功率密度等于电场强度的平方除以 377。做电磁兼容测试、算安全距离时,用的都是同一套数。
二、路径损耗:一道可以手算的账
电波出了天线就不认人了。它按球面摊开,能量密度随距离的平方往下掉,收发两点之间就被记成一份路径损耗。自由空间路径损耗(free space path loss)有一条既能背、也能手算的公式:L = 32.4 + 20log(d) + 20log(f),其中 d 用千米,f 用兆赫,L 的单位是分贝。
先纠正一个说法:自由空间里能量一点没少,只是被摊开了。同一份功率,在 1 千米处落在一平方米上的量,到 10 千米处只剩百分之一。所谓损耗,其实是接收天线的有效面积有限。它只截住了其中一片。公式里没有发射机、也没有接收机,只有距离和频率,原因就在这儿。
频率越高损耗越大,这话第一次听会觉得别扭:频率高不是好事吗?关键在于波长。同样一副天线,工作频率越高,能网住的那片面积相对波长就越小,收到的功率自然少。工程上的常规做法,是用高增益定向天线把这笔账补回来。
看这条公式的尾巴就知道脾气。距离或频率每翻一倍,20log(2) 约等于 6 分贝,损耗就多出 6 分贝;距离乘 N,损耗增加 20log(N) 分贝,而 20log(N) 正好等于 10log(N²),所以从功率比的角度讲,损耗"增大到 N² 倍"。频率那一项也是同样的结构,与距离平起平坐。
做题时有个习惯值得养:先把两个场景里变了的那一项找出来,其余一概不动。变了距离就只管距离项,变了频率就只管频率项,功率的增减另外记一笔。三项互不干扰,这也是这条公式最友善的地方。
【MC2-0774】自由空间中的无线电波随传播距离的增加逐渐发散减弱,形成路径损耗。该损耗可以描述为 L=32.4 + 20log(d) + 20log(f)(其中,损耗 L 的单位为 dB,距离 d 的单位是 km 而频率f 的单位为 MHz)。关于 L,以下描述正确的是:(“X^M”表示“X 的 M 次方”) 正确答案:AB(当频率一定时,距离增加到 N 倍,L 增大到 N^2 倍;当距离一定时,频率增加到 N 倍,L 增大到 N^2 倍)
常数 32.4 是把单位凑成人话的结果。它等价于 20log(4π/c),把光速三亿米每秒、千米和兆赫的换算一起塞了进去。工程上更常说的是两句口诀:距离翻倍 -6dB,频率翻倍 -6dB。有这两句垫底,剩下的题基本都是加减法。
分贝这套东西的价值,就在于把乘除换成加减。天线增益、馈线损耗、路径损耗、接收灵敏度,四个数各是几个分贝,一路加起来就知道链路能不能成立。链路预算表看着唬人,本质是一列加法。
起点是 100 千米、145 兆赫、1 瓦、0dBi 天线,接收功率约 -115.6dBm。现在把距离拉到 500 千米,也就是五倍。
【MC1-0775】自由空间中甲乙两电台相距 100km,均使用增益为 0dBi 的天线工作于 145MHz。如果发射方的功率为 1W,则接收方可获得约-115.6dBm 的信号功率。现将两电台的距离增至 500km,则接收方的信号功率变为:【提示:自由空间中无线电波的路径损耗 L =32.4 + 20log(d) +20log(f);其中,d 为发射方与接收方之间的距离(km),f 为工作频率(MHz)】 正确答案:A(-129.6dBm)
算式写全就是:路径损耗增加 20log(500/100) = 20log5 ≈ 14.0dB,接收功率 = -115.6 - 14.0 = -129.6dBm。这类题看着要算两遍路径损耗,其实只用算差值。1 瓦是 30dBm,-115.6dBm 已经小到皮瓦量级,数值看着吓人,可题目把基准值给了你,要求出的只有变化量。
距离比是 5 还是 10,一眼就能看出该减多少分贝,不用把 32.4 再抄一遍。到了野外,天线增益和馈线损耗也照这个办法折算,一串加减做下来,能不能通心里就有数了。
再走远一些,1000 千米,正好十倍。
【MC1-0776】自由空间中甲乙两电台相距 100km,均使用增益为 0dBi 的天线工作于 145MHz。如果发射方的功率为 1W,则接收方可获得约-115.6dBm 的信号功率。现将两电台的距离增至1000km,则接收方的信号功率变为:【提示:自由空间中无线电波的路径损耗 L =32.4 +20log(d) + 20log(f);其中,d 为发射方与接收方之间的距离(km),f 为工作频率(MHz)】 正确答案:A(-135.6dBm)
十倍对应 20log(10) = 20 分贝,于是 -115.6 - 20 = -135.6dBm。注意它和上一题只差一次翻倍:10 = 5×2,分贝数正好是 14+6。对数尺度的好处就在这里,倍数拆开,分贝相加,不必重新套公式。
这个数在链路预算里露面最多。城市里想把对讲机的通话距离从 5 千米提到 50 千米,单是距离这笔账就要多掏 20 分贝,也就是把功率乘一百。没人真这么干,大家宁可把天线架高、换成定向天线。
频率也能玩同样的把戏。145 兆赫与 435 兆赫大约差三倍,20log(3) ≈ 9.5 分贝。
【MC1-0777】自由空间中甲乙两电台相距 100km,均使用增益为 0dBi 的天线工作于 145MHz。如果发射方的功率为 1W,则接收方可获得约-115.6dBm 的信号功率。现发射方将频率变为 435MHz,则接收方的信号功率变为:【提示:自由空间中无线电波的路径损耗 L =32.4 + 20log(d) +20log(f);其中,d 为发射方与接收方之间的距离(km),f 为工作频率(MHz)】 正确答案:A(-125.1dBm)
结果 -115.6 - 9.5 = -125.1dBm。145 兆赫和 435 兆赫同属 VHF/UHF,天线增益照旧,公式里只有 f 在动。题面限定自由空间,就按公式办;真实环境里 435 兆赫的馈线损耗更大、绕射能力更弱,账还会更难看一点。
业余卫星的上行常用 435 兆赫、下行用 145 兆赫,两个方向的损耗差着近 10 分贝,星上的发射功率和地面天线增益,就得按这个差额去配。
功率这边更简单。1 瓦降到 0.25 瓦,是四分之一,也就是 -6 分贝。
【MC1-0778】自由空间中甲乙两电台相距 100km,均使用增益为 0dBi 的天线工作于 145MHz。如果发射方的功率为 1W,则接收方可获得约-115.6dBm 的信号功率。现发射方将功率降低为 0.25W,则接收方的信号功率变为:【提示:自由空间中无线电波的路径损耗 L =32.4 + 20log(d) +20log(f);其中,d 为发射方与接收方之间的距离(km),f 为工作频率(MHz)】 正确答案:A(-121.6dBm)
接收功率 = -115.6 - 6 = -121.6dBm。路径上多记 6 分贝,和口袋里少掏 6 分贝,在接收端是同一回事。往后看到增益、损耗、功率混在一道题里,先把它们统统换成分贝,剩下的就是加减。
顺手记下分贝的几组换算:功率减半 -3dB,降到四分之一 -6dB,降到十分之一 -10dB,降一百倍 -20dB;反过来,翻倍 +3dB,四倍 +6dB,十倍 +10dB。这几对数字在后面还会反复露面,背下来比每次按计算器快。
接下来一组题把功率翻译成信号报告。收信机的 S 表(S-meter)从 S1 到 S9,每格 6 分贝,所以"掉一格"意味着信号弱了四倍。S9 以上不再报格,直接写成 S9+10、S9+20 这类形式。有了这个刻度,前面算出来的分贝数就能翻成人话。
按国际业余无线电联盟的旧约定,S9 大致对应 50 微伏的输入电压,在 50 欧姆系统上约合 -73dBm;往下每格 6 分贝,S1 已经接近 -121dBm。这只是个参考基准。实际机器的 S 表有的并未校准,有的干脆是数字信号处理算出来的估测值,跨机器比较时要留个心眼。
同样是 100 千米,这时收的是 S8;距离拉到 500 千米,路径损耗增加约 14 分贝。S 表每格 6 分贝,14 ÷ 6 约 2.33 格,S8 向下退两格多,落在 S5.67 附近。
【MC1-0779】自由空间中的甲电台在 145MHz 联络相距 100km 的乙电台并获得信号报告 S8。如果两电台的距离增至 500km,则信号报告变为:【提示:收信机信号强度指示从 S1 至 S9 每级增加 6dB】 正确答案:A(略低于 S6)
所以答案是"略低于 S6"。这种"略高/略低"的选项,就是替不整除准备的:14 分贝不是 6 的整数倍,只能在相邻两格之间选边。以后见到 20log(5)=14、20log(3)=9.5 这类数字,先记住它们离哪一格更近。
这类题里"略低于"和"略高于"是关键词,位置选错就白算了。14 分贝比两格(12 分贝)多出 2 分贝,所以从 S8 落到 S6 以下;折成格是 2.33,那 0.33 说明还没退满下一格。
距离再翻一倍,落到 1000 千米。
【MC1-0780】自由空间中的甲电台在 145MHz 联络相距 100km 的乙电台并获得信号报告 S8。如果两电台的距离增至 1000km,则信号报告变为:【提示:收信机信号强度指示从 S1 至 S9 每级增加 6dB】 正确答案:A(略低于 S5)
20 分贝是 3.33 格,S8 减 3.33 等于 S4.67,比 S5 低三分之一格,答案"略低于 S5"。对比上一题:距离从 5 倍变成 10 倍,报告从略低于 S6 掉到略低于 S5,只差一格多一点。这就是为什么把功率翻四倍,对方通常也只给你报高出一格。
同一张表上,从 5 倍到 10 倍只多了一倍,折算 6 分贝,正好一格;距离再往上翻到 20 倍,也只是再加 6 分贝。想把报告拉下来两格,距离得乘 10。
换频率的情形有点像,但方向不同。145 兆赫改成 435 兆赫,损耗增加约 9.5 分贝。
【MC1-0781】自由空间中的甲电台在 145MHz 联络相距 100km 的乙电台并获得信号报告 S8。如果双方改用频率 435MHz,则信号报告变为:【提示:收信机信号强度指示从 S1 至 S9 每级增加6dB】 正确答案:A(略高于 S6)
9.5 除以 6 约 1.6 格,S8 退到 S6.4 上下,所以是"略高于 S6"。频率从 145 兆赫升到 435 兆赫,波长从 2 米缩到 0.7 米,同样的距离上扩散损耗更大。UHF 想打远,靠的是增益和高度,不是频率本身。
要验证这件事并不难:同一台发射机在 2 米和 70 厘米上各测一次,差十分贝上下很正常。不过真实世界里 70 厘米在城市里的穿透和绕射比 2 米差,到底谁通得远,还得看环境。
而发射功率减到四分之一,是整整 6 分贝,刚好一格。
【MC1-0782】自由空间中的甲电台在 145MHz 联络相距 100km 的乙电台并获得信号报告 S8。如果甲电台将发射功率减少到原来的 1/4,则信号报告变为:【提示:收信机信号强度指示从 S1 至S9 每级增加 6dB】 正确答案:A(S7)
S8 直接掉到 S7,没有"略"字。功率腰斩是 -3dB,剩下半格,报告里就常常出现"信号在 S7 和 S8 之间"这种说法。在 HF 上这个对比很直观:想用功率换一倍距离,得把瓦数乘四。
这一问的答案之所以干脆,是因为 6 分贝正好一格。凡是 2 的整数次幂的功率比,都能整除成整格:四分之一是一格,十六分之一是两格,六十四分之一是三格。记住 4、16、64 这三个数,比每次套公式省事。
另一道题把功率换成 100 瓦降到 25 瓦,做的是同一笔账。
【MC1-0783】某业余电台以 100 瓦发射功率工作时,对方报告信号强度 S8。现该台将发射功率降至 25瓦,则对方给出的信号报告应为:【提示:收信机信号强度指示 S1 至 S9 每级增加 6dB】 正确答案:A(S7)
还是四分之一、还是 6 分贝、还是 S7。题面换成两个真实电台,算法一点没变。顺带说一句,S 表并不精密,不同机器上 S9 对应的微伏数能差好几倍,它更像是双方约定俗成的一个粗略印象,比较两台设备的天线时才需要认真对待。
两个真实电台之间的报告,还受对方设备的影响。对方的 S 表偏乐观,你降一半功率他可能根本没看出来;一台校准得很严的机器,会把两格清清楚楚报给你。做 QRP 通联最有意思的部分,就是拿报告去反推对方系统的灵敏度。
最后一组把倍数放大:80 瓦降到 5 瓦。
【MC1-0784】某业余电台以 80 瓦发射功率工作时,对方报告信号强度 S8。现该台将发射功率降至 5瓦进行 QRP 实验,则对方给出的信号报告应为:【提示:收信机信号强度指示 S1 至 S9 每级增加 6dB】 正确答案:A(S6)
80 除以 5 是 16,10log16 ≈ 12 分贝,正好两格,S8 变 S6。这类题最怕凭感觉猜"功率小了这么多肯定听不见",实际算下来只掉两格,仍然是一次能用的 QRP 联络。把两格换算成话音,大概就是"信号偏弱,但抄收不费劲"。
从一百瓦级掉到个位数瓦,直觉会喊"肯定听不见了",账面却只少两格。真正让 QRP 变难的,是功率降下来之后你在噪声里占的位置更小,对方的接收环境一差就抄不全,而不是信号强度掉到了不可用的程度。
三、同样的功率,架法不同收得也不同
公式只管路上的账,天线决定出发时的方向和姿势。同一个功率,架法不一样,对方收到的效果能差出好几格。
天线干的事有两件:把能量集中到某个方向,以及把能量送到合适的仰角。前者靠增益,后者靠高度和形式。这两件事比堆功率更值得花心思,功率翻一倍只有 3 分贝,一副偶极换成三单元八木,轻松就有 6 到 8 分贝。
HF 上做两千千米的联络,天线用水平偶极还是垂直偶极,效果并不像 VHF 那样可以预期。电波在电离层里来回反射,极化方向会被扭转、打乱;到了接收点,来的既不是纯水平极化,也不是纯垂直极化,而是两者混杂、还在缓慢变化的一团。
【MC1-0798】甲、乙业余电台相距 2000 千米,均使用 1/2 波长水平偶极天线进行 HF 通联。现其中一方改用 1/2 波长垂直偶极天线,则改变前后的通信效果有什么不同? 正确答案:A(通信效果的变化不确定,取决于天波反射过程中电波极化的随机变化)
在天波这条路上,答案选"变化不确定"。在 VHF/UHF 上,极化匹配是硬指标,差 90 度能差 20 分贝以上;到了短波天波,这条规矩就松了。远距离短波真正要抠的是发射仰角和频率选择,而不是把两端的振子都摆成同一个方向。
这也解释了为什么短波上很少有人认真讨论极化。一副水平偶极和一副垂直天线收到的信号强度,可能今天差 10 分贝、明天反了过来。反过来,在 VHF 上做地面波联络,两端都立着,一旦有一端卧倒,强度立刻掉一大截。
水平偶极的仰角由架设高度决定,这一点常被忽略。挂到半波长高,主瓣仰角大约在三十度附近,适合中距离;挂到四分之一波长,主瓣翘得更高,管的是几百千米以内。垂直天线走的是另一条路,它靠地面做镜像,仰角天然偏低,适合几百到几千千米,代价是需要地网或者像样的地面条件。
反过来,近距离也可能比远距离更难。100 到 200 千米这一段,常规高架天线的仰角太低,电波贴着地平线打向电离层,落地时已经越过对方头顶,中间留出一圈听不到东西的静默区(skip zone)。这一段的通信,需要近乎垂直上天的电波。行内管它叫 NVIS(Near Vertical Incidence Skywave,近垂直入射天波)。它不是什么新玩法,应急通信里用了几十年,因为受灾现场的联络半径恰好就在这个尴尬的距离上。
【MC3-0753】开展野外通联活动或演练紧急情况下的通信程序时,爱好者们可能会发现,联络 100 至200 千米范围内的 HF 电台要比联络 300 至 500 千米外的更为棘手。好在有很多技术可用来解决这个问题,比较简单的有: 正确答案:ABC(尝试使用较低的频段。例如白天 40 米,夜晚 80 米;使用架设高度较低的水平偶极天线或端馈斜拉天线;在偶极天线的下方装反射器,将主瓣调整至正上方)
三个办法都对症。改用更低的频段,白天 40 米、夜里 80 米,低频段本来就不容易穿透电离层,仰角问题相对缓和;把天线架低,水平偶极挂到四分之一波长以下,或者干脆用端馈斜拉线,主瓣自然翘到头顶;在偶极下方加一根反射器,把能量往上推。第四个选项里那种一米以内径的磁场耦合谐振环形天线是窄带、低效率的近场天线,解决不了这个问题。
这套办法还有个副产品:近距用低频段加低天线,能量主要往天上走,反而不容易干扰几百千米外的其他电台。野外应急演练拿 40 米和 80 米做省内联络,走的也是同一个逻辑。
四、看天吃饭:太阳、地磁与波段脾气
路径损耗算得再准,也只是自由空间里的账。真实短波要靠电离层反射,而电离层是太阳养出来的。太阳打个喷嚏,波段就换一副脸色。
先看地球的几何。两个电台之间沿地表有两条大圆路径(great circle),一条是常走的短路径,另一条绕过地球背面,长度往往在两万千米以上。走长路径时,信号得绕到对方的另一侧才能到达,中途经过的日照区和黑夜区与短路径完全不同。
【MC1-0807】如果你尝试用“长路径”联络某个业余电台,你的定向天线应当指向: 正确答案:A(该台短路径方向的反方向)
所以想试长路径,定向天线要指向短路径的反方向。实际操作里长路径常出现在早晚灰线附近,信号弱,衰落有时反而更平缓。判断该走哪条路,看对方的大圆方位角,或者用软件把两条路径都画出来。
长路径和短路径的最佳时间也不一样。同一对电台,短路径常在午后表现最好,长路径要等到两端同时接近灰线的时候才打开,窗口通常只有一两个小时。
灰线(gray line)指的是地表昼夜分界的那条带。沿着它,一端刚入夜、另一端刚破晓,路径上的 D 层吸收恰好最弱,F 层还留着白天的电子密度,于是 160 米和 80 米在早晚会突然打开,把平时通不到的距离送上门来。追长路径的人,多半都在掐着这条线的时间表。
聊传播,先要有一个能报数的大盘指标。做预测时软件会问你太阳通量取多少,这个数字随手填是要出错的,合理范围的下限在 50 左右。
【MC1-0809】尝试进行传播预测时,太阳通量的最低值可以取为 50 左右。其最高值可以取为: 正确答案:A(300)
上限取 300。太阳活动低谷年这个数字常在 70 上下徘徊,高峰年摸到 250 以上是常事,50 到 300 的区间能覆盖绝大多数日子。填得离谱,算出来的最高可用频率(MUF,Maximum Usable Frequency)也跟着离谱,预测就白做了。
这几个数字要放在太阳活动周的坐标上才有意义。第 25 太阳活动周的高峰大致落在 2024 到 2026 年之间,这几年冬天 10 米波段也能开,算是一段难得的窗口期。等低谷年再来,多半只能守住 20 米和 40 米。
另一个必须看的数字来自地磁场。地磁扰动直接决定高纬度路径通不通,而它最常用的描述就是各种指数。
【MC1-0810】反映地磁活动程度的常见指标是 A 指数和 K 指数。K 指数的取值范围是: 正确答案:A(0-9)
K 指数的取值是 0 到 9 的整数,描述某地磁场在三小时里的扰动幅度;A 指数是把 K 换算成便于做日平均的线性量,数值范围大得多。K 到 5 就是地磁暴的门槛,数值越大,极光吸收越严重,跨极路径先遭殃,接着中纬度也会受牵连。动手做 DX 之前扫一眼 K 和 A。这一步比通联失败之后再去怀疑自己的天线划算得多。这些数据每天都在网上更新,出门前花十秒钟看一眼,比到现场再感叹“今天传播真差”有用得多。
还有两个常被顺带提到的量:太阳风速度和行星际磁场的方向。它们不是预测软件的必填项,但用来判断极光会不会压到中纬度时挺有用。
把这些指标用起来其实很朴素:F107 高、K 值低,就往 15 米、10 米上找机会;F107 低,或者 K 到了 5 以上,就老老实实守 40 米和 20 米。行星际磁场转向南的时候,能量更容易灌进极区,跨极路径基本报废,这时候改走低纬度路径反而更稳。
前面反复提到的太阳通量,正式缩写是 F107。
【MC1-0814】业余无线电爱好者在预测 HF 传播时经常用到一个缩写为 F107 的参数。其意义是: 正确答案:A(太阳 10.7cm 波长射电辐射通量指数)
它的意思是太阳 10.7 厘米波长射电辐射通量指数。挑这个波长不是随手一指:10.7 厘米落在微波段,太阳的射电辐射在这里稳定、便于长期监测,而且与远紫外辐射(真正把大气电离的那部分)的变化趋势高度相关。地面上的射电望远镜天天在测,数据免费公开,这也是它成为业余传播预测通用语言的原因。
要分清一点:F107 是射电通量,不是光学亮度,也不是紫外强度。它能当代表,是因为三者变化同步,用一个地面就能测到的微波数字,替下了要靠卫星才量得准的远紫外。
F107 变大,说明太阳的远紫外辐射更强,电离层被喂得更饱,电子密度上升。
【MC1-0815】业余无线电爱好者在预测 HF 传播时经常使用缩写为 F107 的参数,其值大体都在 50-300的范围内。如果该数值增大,则: 正确答案:A(安静太阳的辐射强度增加,电离层密度变大。这些都有利于 F 层反射 DX 信号)
电子密度上去,各层的临界频率抬高,最高可用频率跟着抬高,F 层能反射的频段向高处扩展,DX 条件转好。反过来,F107 掉到 70 附近时,20 米以上常常整个白天都没什么动静,只能退回 40 米甚至 80 米。太阳活动周的起落,就是靠这个数字来感受的。
这里要分成两件事看。电离层密度高,有利于 F 层把信号反射到更远;密度过高时,白天低频段的吸收也重,40 米在正午反而安静下来,得等到傍晚才恢复。传播条件好,不等于每个频段都好。
把常用频段的脾气摊开看,其实是一张时间表。80 米要靠夜里 D 层消失才有机会,白天基本没戏;40 米最稳,白天管几百千米,夜里能跨洲;20 米是 DX 主力,太阳活动好时能整天工作;15 米跟着太阳通量走,好年景热闹,差年景几乎不开;10 米最挑,只有通量高、条件又对的时候才短暂打开。当天该守哪个频段,看时间、看 F107,再听五分钟底噪,比翻资料快。
再往高频走,大气本身开始挑频率。氧分子在 60 吉赫附近、水汽在 22 吉赫与 183 吉赫附近都有强吸收峰,120 吉赫左右同样是一片衰减很大的区域。
【MC1-0816】我国《无线电频率划分规定》指出,122.25-123GHz 业余频段用于业余业务,但是不包括卫星业余业务。这是因为: 正确答案:A(60、120、183GHz 左右存在大气吸收频带,电波衰减大,不适合地面至空间的卫星业余通信)
122.25 到 123 吉赫这一段虽然划分给了业余业务,却明确排除了卫星业余业务:地面到卫星的路径要穿过整层大气,落在吸收带上衰减太大,做了也没有意义。这不是能力问题,也不是天线尺寸或者宇宙射线的问题,纯粹是物理条件不允许。
吸收带的分布,也解释了为什么毫米波业余通信基本停留在地面视距或者实验室性质的活动。120 吉赫以上不是不能玩,而是必须接受链路短、天线要对得极准,而且只能挑干燥天气做。
天气也会插手。雨滴的尺度在毫米量级,波长比它长得多的电波基本绕得过去,波长接近雨滴尺寸时,散射和吸收就变得厉害起来。
【MC1-0817】以下频段受降雨影响最为严重的是: 正确答案:A(极高频 EHF(毫米波))
受降雨影响最严重的是极高频 EHF(毫米波)。10 吉赫以上雨衰开始明显,20 吉赫以上一场大雨就能吃掉十几分贝,这也是卫星电视和点对点微波链路在雨天必须留出大把余量的原因。HF 短波几乎不怕雨,LF 长波更不怕。
雨衰的严重程度还跟雨强和路径长度有关。同一条链路,毛毛雨和暴雨能差出几十个分贝,所以设计微波链路要按当地降雨率的统计值留余量,而不是照平均值算。
植物同样挡信号,而且挑频率。按 ITU 的建议,植被对无线电波的吸收大体随频率单调上升。
【MC1-0818】根据 ITU 的建议,植被在一定程度上吸收无线电波。大体规律是: 正确答案:A(频率越高,吸收越多)
道理不难想:枝叶和树干的尺度对米波、分米波只是些小障碍,对厘米波、毫米波却接近甚至超过波长,散射和吸收一起上来。所以 2 米波段在树林里还能通,到了 23 厘米就明显吃亏,再往上的微波更要避开树线。选点架台时,把天线顶到林冠之上,往往比加十瓦功率管用。
这条规律反过来给低频段加了分:同一片树林,80 米波段几乎不受影响,40 米也只是略有衰减。当然,天线架在林子底下,吸收只是一方面;振子离地太近导致仰角变高、地面损耗变大,是另一回事,得分开算。
五、偶尔的惊喜
VHF 一向被说成视距传播,正常也就几十千米。可总有人在 2 米波段上收到上千千米外的信号,还得反复确认自己没听错呼号。
【MC1-0717】如果你收到了一个上千千米外的 VHF 信号,最可能的原因是: 正确答案:A(信号经电离层的突发 E 层反射而来)
最常见的解释是电离层里的突发 E 层(Es,Sporadic E):夏季白天,90 到 120 千米高度上会冒出一些电子密度异常高的薄层,把 50 兆赫甚至 144 兆赫的电波反射回地面,一跳就是一两千千米。除此之外,对流层波导(tropospheric ducting)能让信号顺着大气层里的"管道"跑出几百千米,流星余迹散射(meteor scatter)则靠流星烧蚀留下的电离尾迹把信号短暂折向远方。三种机制都真实存在。题目问的是"最可能",答案给突发 E 层,因为它的出现频率和单跳距离最像那种莫名其妙的远台。
想亲手碰一次,可以盯住夏季的 6 米和 2 米信标,或者到 FT8 的常用频点上守听。突发 E 层来得快去得也快,同一片区域可能只开十几分钟,抓不到也不必气馁,它本来就不按计划来。
三种机制里,流星余迹散射的门槛最高,也最有意思。流星其实整天都在烧,但能用的余迹只有短短几秒,双方得约定好极短的发射窗口,靠软件自动对齐节奏。有人真的用这种办法做过上千千米的 2 米联络。
所以 VHF 上听到远台,先别急着怀疑设备。
结语
电波能跑多远,一半写在公式里,一半写在太阳和天气的脸色上。路径损耗那几道题,说到底就是把分贝当零钱花:距离翻倍、频率翻倍、功率腰斩各对应多少,心里有数就不会算错。S 表也是同一套账,只是换成了对方能听懂的说法。
传播从来不是背下来就完事的知识,而是每天都要重新观察的东西。早上看一眼 F107,顺手再瞄一眼 K 指数,然后开台听一听。听半小时得到的结论,比任何预测都实在。
最该背下来的几个数字,可以顺手串一遍:每格 6 分贝,距离翻倍 -6dB,频率翻倍 -6dB,F107 取 50 到 300,K 指数 0 到 9。它们各自对应一小块物理,连起来就是"信号能跑多远"的完整答案。
下一篇聊聊 DX 与竞赛里的那些坐标和时间:稀有台怎么追、分区和网格是什么、比赛怎么打,以及时间在业余无线电里为什么这么要紧。