短波通信可以利用地波传播，但主要是利用天波传播。天波是无线电波经电离层反射回地面的部分，倾斜投射的电磁波经电离层反射后，可以传到几千千米外的地面。天波的传播损耗比地波小得多，经地面与电离层之间多次反射（多跳传播）之后，可以达到极远的地方，因此，利用天波可以进行环球通信。天波传播因受电离层变化和多径传播的严重影响极不稳定，其信道参数随时间而急剧变化，因此称为变参信道。
1、传播模式
电波到达电离层，可能发生3种情况：被电离层完全吸收、折射回地球或穿过电离层进入外层空间，这些情况的发生与频率密切相关。低频端的吸收程度较大，并且随着电离层电离密度的增大而增大。
天波传播的情形如图1所示。电波进入电离层的角度称为入射角。入射角对通信距离有很大的影响。对于较远距离的通信，应用较大的入射角，反之应用较小的入射角。但是，如果入射角太小，电波会穿过电离层而不会折射回地面，如果入射角太大，电波在到达电离密度大的较高电离层前会被吸收。因此，入射角应选择在保证电波能返回地面而又不被吸收的范围。入射角可由下式确定：
图1：天波传播示意图
以上讲的是单跳模式，即经过一次电离层反射。在天波传播中，往往存在着多跳模式，如图1(b)所示。图中，电波经过两次F层反射（两跳），称为2F模式。表1中列出了在不同通信距离时，可能存在的传播模式。
表1：短波通信不同距离可能存在的天波传播模式
在短波传播中，存在着地面波和天波均不能到达的区域，这个区域通常称为静区。如图1(b)所示。缩小静区的办法是，选用高仰角天线减小电波到达电离层的入射角，同时选用较低的工作频率，以使得在入射角较小时电波不至于穿透电离层。
2、最高可用频率（MUF）
最高可用频率（MUF，Maximum usable frequency）是指给定通信距离下的最高可用频率，是电波能返回地面和穿出电离层的临界值，如果频率高于此临界值，则电波穿过电离层，不再返回地面。MUF还和反射层的电离密度有关，所以凡影响电离密度的诸因素，都将影响MUF的值。当通信线路选用MUF作为工作频率时，由于只有一条传播路径，所以一般情况下，有可能获得最佳接收。考虑电离层的结构变化和保证获得长期稳定的接收，在确定线路的工作频率时，不是取预报的MUF值，而是取低于MUF的最佳工作频率（OWF，Optimum working frequency），一般情况下：
OWF = 0.85MUF
选用OWF之后，能保证通信线路有90％的可通率。
3、多径传播
短波传播的多径情形主要有4种，如图3-1所示。其中，图3 -1(a)的多径由天波和地波构成；图3-1（b）为单跳和多跳构成，图3-1（c）和（d）的情况是寻常波和非寻常波之间的干扰以及电离层的漫射构成的多径。多径传播主要带来两个问题，一是衰落，二是延时。这里要讨论多径延时。
图3-1：短波多径传播示意图
多径延时是指多径中最大的传输延时与最小的传输延时之差。多径延时与通信距离、工作频率和工作时刻有密切的关系。
多径延时与通信距离的关系可用图3-2表示。从图中可见，在200km~300km的短波线路上，多径延时最严重，可达8ms左右。这是由于在这样的距离上，通常使用弱方向性的双极天线，电波传播的模式比较多，而且在接收点的信号分量中，各种传播模式的贡献相当，造成严重的多径延时。电离层与地面间多次反射时，在2000km~8000km的线路上，多径延时在2ms~3ms之间。当通信距离进一步增大时，由于不再存在单跳模式，多径延时又随之增大，当距离为20000km时，可达6ms。
图3-2：短波通信多径延时与通信距离的关系
多径延时随着工作频率偏离MUF的增大而增大。工作频率偏离MUF的程度可用多径缩减因子（MRF，Multipath Reduce factor）表示。MRF的定义如下：
MRF = f / MUF
式中，f代表工作频率。显然，MRF越小，表示工作频率偏离MUF越大。图3-3是在同时考虑通信距离和工作频率时的实验结果，其曲线族的参数为多径延时。当给定通信距离和工作频率时，可以从图中查到典型的多径延时。
图3-3：多径缩减因子与通信距离的关系
多径延时还与工作时刻有关。比如，在日出和日落时刻，多径延时现象最严重、最复杂，中午和子夜时刻多径延时一般较小而且稳定。多径延时随时间的变化，其原因是由于电离层的电子密度随时间变化，从而使MUF随时间变化。电子密度变化越急剧，多径延时的变化也越严重。
4、衰落
在电离层内短波传播过程中，由于电离层电特性的随机变化，引起传播路径和能量吸收的随机变化，使得接收电平呈现不规则变化。短波通信中，即使在电离层的平静时期，也不可能获得稳定的信号。接收端信号振幅总是呈现忽大忽小的随机变化，这种现象称为“衰落”。连续出现持续时间仅几分之一秒的信号起伏称为快衰落。持续时间比较长的衰落（可能达一小时或者更长）称为慢衰落。
1）慢衰落主要是吸收型衰落。它是由电离层电子密度及高度的变化造成电离层吸收特性的变化而引起的，表现为信号电平的慢变化，其周期可从数分钟到数小时。日变化、季节变化及11年周期变化均属于慢衰落。吸收衰落对短波整个频段的影响程度是相同的。在不考虑磁暴和电离层骚扰时，衰落深度可能低于中值l0dB。
要克服慢衰落，应该增加发射机功率，以补偿传输损耗。根据测量得到的短波信道小时中值传输损耗的典型概率分布，可以预计在一定的可通率要求下所需增加的发射功率。通常，要保证90%的可通率，应补偿的传输损耗约为-130dB；若要求95%的可通率，则应补偿可能出现的95%的传输损耗。
值得注意的是，太阳黑子区域常常发生耀斑爆发，此时，有极强的X射线和紫外线辐射，使得白昼时电离层的电离增强，会把短波大部分甚至全部吸收，以致通信中断。通常这种骚扰的持续时间为几分钟到1小时。
2）快衰落是一种干涉型衰落，它是由随机多径传输引起的（见图3-1）。由于电离层媒质的随机变化，各径相对延时亦随机变化，使得合成信号发生起伏，在接收端看来，这种现象是由于多个信号的干涉所造成，因此称为干涉衰落。干涉衰落的衰落速率一般为10次/min~20次/min，故为快衰落。干涉衰落具有明显的频率选择性。试验证明，两个频率差值大于400Hz后，它们的衰落特性的相关性就很小了。遭受干涉衰落的电场强度振幅服从瑞利分布。大量的测量表明，干涉衰落的深度可达40dB，偶尔达80dB。
增加发射功率也可以补偿快衰落。但是，单纯通过增加功率来补偿快衰落是不经济的。例如，表4-2给出了可通率与发射功率间的大约关系。所以，通常除了为补偿快衰落留有一定的功率余量外，主要采用抗衰落技术，例如分集接收、时频调制和差错控制等。
表4-2：可通率与发射功率间的关系
此外，短波信道还会发生极化衰落。由于地磁场的影响，发射到电离层的平面极化波，经电离层后，一般分裂为两个椭圆极化波，当电离层的电子密度随机起伏时，每个椭圆极化波的椭圆主轴方向也随之相应的改变，因而在接收天线上的感应电势有相应的随机起伏。可见，极化衰落也是一种快衰落。不过，极化衰落的发生概率远比干涉衰落的小，一般占全部衰落的10%~15%左右。为了避免极化衰落，可采用不同极化的天线进行极化分集接收。
5、相位起伏（多普勒频移）
信号相位起伏是指相位随时间的不规则变化。引起信号相位起伏的主要原因是多径传播。此外，电离层折射率的随机变化及电离层不均匀体的快速运动，都会使信号的传输路径长度不断变化而出现相位的随机起伏。根据实测结果得出：信号衰落率愈高，信噪比愈低，相位起伏愈大。
当信号的相位随时间变化时，必然产生附加的频移。无线信道中的频率偏移主要是由于收发双方的相对运动而引起的。由传播中多普勒（Doppler）效应所造成的发射信号频率的漂移称为多普勒频移。必须指出，就是只存在一根射线，也就是单一模式传播的条件下，由于电离层经常性的快速运动，以及反射层高度的快速变化，使传播路径的长度不断的变化，信号的相位也会随之产生起伏不定的变化。若从时间域的角度观察这一现象，这将意味着短波传播中存在着时间选择性衰落。多普勒频移在日出和日落期间较严重，在电离层平静时期的夜间，不存在多普勒效应，而在其他时间，多普勒频移大约在1Hz~2Hz的范围内。当发生磁暴时，频移最高可达6Hz。以上给出的2Hz~6Hz的多普勒频移，是指单跳模式而言的。若电波按多跳模式传播，则总频移值按下式计算，式中n为跳数；Δf为单跳多普勒频移；Δf tot为总频移值。
Δf tot ＝ n Δf
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