第十一章__电波在电离层中的传播
天线与电波传播（第二版）（宋铮）第8-14章第12章
表中的半厚度是指电子密度下降到最大值一半时之间的 厚度，临界频率是指垂直向上发射的电波能被电离层反射下 来的最高频率。各层反射电波的大致情况如图12-1-3所示。
第12章 天波传播 图12-1-3 长、中、短波从不同高度反射
第12章 天波传播 表12-1-1 电离层各层的主要参数
第12章 天波传播
第12章 天波传播
图12-2-5 入射角θ0与射线仰角Δ的关系
第12章 天波传播
临界频率是一个重要的物理量， 所有频率低于fc的电 波， 都能从电离层反射回来。
而f>fc的电波， 若入射角大于式(12-2-4)， 或者f小于式 (12-2-6)最高频率， 则能从电离层反射下来， 否则穿出电离 层。
Ne2 m( 2 2 )
(12-1-6) (12-1-7) (12-1-8)
第12章 天波传播
当考虑地磁场的影响时，电子不仅受到入射电场的作 用，还要受到地磁场的作用，其作用力为
FB ev B0 (12-1-9)
FB称为洛仑兹力。式中，v为电子的运动速度； B0为地磁场 的磁感应强度。由上式可知，当电子沿入射波电场方向运动 时，若电场方向与地磁场方向一致，则FB=0，地磁场对电子 运动不产生任何影响。若电场方向与地磁场方向垂直，则FB 值最大，电子将围绕地磁场的磁力线以磁旋角频率
θ0一定时，电波频率越低，越易反射。 (2) 电波在电离层中的反射情况还与入射角θ0有关。当
电离层无线电波传播
电离层无线电波传播dianliceng wuxian dianbo chuanbo电离层无线电波传播radio wave propagation in the ionosphere无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早先着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。
基本理论电离层由自由电子正离子负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。
带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。
由于自由电子的质量远小于离子的质量,一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。
但如电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，离子的影响也不能忽略。
由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的（见磁离子理论）。
电离层的形成和结构特性是受太阳控制的，因此它既随时间又随空间变化。
在这样复杂的介质中，分析无线电波传播问题必须建立相对简化的物理模型并根据电波的频率采用相应的理论和方法。
对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数，实验证明相当有效。
为人们普遍接受的磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-哈特里公式,它是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又被称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。
对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。
折射和反射电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。
因为电离层的折射指数小于1,电波在电离层中受到向下折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。
在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率就等于电子的等离子体频率。
《电波传播》PPT课件
0.2
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
/ (°)
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
0 0
H3.0
V3.0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
/ (°)
(a)
(b)
干土的反射系数
精选课件ppt
25
当Δ很小时，将 r 2H1H2 代入下式
F02
1 3
F12
（5）
，根据定义，有
F00.577F10.577
d1d2
d
（6）
由上式可见，当距离d一定时，波长愈小，则传播主区
的半径愈小，菲涅耳椭球区也就愈长，最后蜕化为一直线，
这就是几何光学中“光线沿直线传播”的证明
精选课件ppt
1144
地面对电波传播的影响
地质的电特性：介电常数，电导率，磁导率 地球表面的物理结构：地形起伏、植物以及人为建
(12)
精选课件ppt
28
【例】 某通信线路，工作波长λ=0.05m，通信距离 d＝50km,发射天线架高H1=100m。若选接收天线架 高H2=100m，在地面可视为光滑平面地的条件下， 接收点的E/E1=？今欲使接收点场强为最大值，调整 后的接收天线高度是多少（应使调整范围最小）？
解 地面反射波与直接波之间的相位差为
| E/ E1 | | E/ E1 |
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 d/ 104 m
(a)
1.8 1.6
1.4 1.2
1
0.8
0.6
0.4
第3章-电离层电波传播
第3章 电离层电波传播 地磁场的影响：
FB ev B0
– 电场方向与地磁场方向一致 则FB=0，地磁场对电子运动不产生任何影响 – 电场方向与地磁场方向垂直 则FB值最大，电子将围绕地磁场的磁力线作圆周运动。
若ω=υ， 则电离层的电导率最大， ω>>υ和 ω<<υ时，电导 率很小，近似为0 。 频率越高，电导率越小。 D层：υ=106-107次/秒 E层：υ=105次/秒 F层：υ=102-103次/秒 800km：υ=1次/秒 D层电导率最大，E层次之，电离层吸收损耗主要由D层引 起，有时称D层、E层为吸收层。
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播
第3章 电离层电波传播
电离层电波传播(Ionospheric Radio Propagation)
– 无线电波在电离层中的传播 • 天波传播(Sky Wave Propagation):经电离层反射后到达接收 点的传播 • 电离层散射传播 • 流星余迹散射传播
3.1 电离层概况 3.2 无线电波在电离层中的传播 3.3 短波天波传播 3.4 中波和长波电离层传播
第3章 电离层电波传播
3.1.3 电离层的等效电参数 – 无规则热运动 – 外电场作用作简谐运动 – 碰撞导致吸收损耗 –电离层的等效电参数
•有耗等离子体的复相对介电常数 r r j 0 •如何求解εr和σ？
H j 0 E J e r E j 0
2
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播 电离层的规则变化 • 日夜变化:正午稍后时分达到最大值，到拂晓时各层的电子 密度达到最小，黎明和黄昏时分，电子浓度变化最快。夜 间D层消失，E层变低、密度减小，F层合并且浓度降低。 • 季节变化：一般夏季的电子密度大于冬季，但F2层例外。 • 随太阳黑子11年周期的变化：黑子数目增加，各层电子密 度增加，F2层受太阳活动影响最大。
10电离层电波传播解析
E B / t D
H D / t J B 0
J 和 分别是传导电流密度和自由电荷密度。
( J v ) 0 t
运动的电荷形成电流。连续性方程规定电荷密度和电流密度之间的关系，
2 2 E ( E ) E E
2 2 2 因此有， E v E / t 0
2
式中v是电磁波在介质中的传播速度， v ( 0 0 )1 / 2 /( )1 / 2 c / n ，
D 。
研究方程组 E B / t
H D / t J
/ t J 0
该方程组包含两个矢量方程和一个标量方程，一共7个标量方程。而未知数 一共有16个。因此，方程组是不完备的。 为了求解所有16个场量，必须增加9个独立方程，这些方程与传播介质性质 有关。为此，引进介质的结构关系式。介质结构关系的一般形式为，
传播介质的分类
有三个特征量表征传播介质的性质，即介电常数、磁导率 和电导率，它们一般是空间、时间和场量的函数。即，
( r ,t,k , , E, H ) ( r ,t,k , , E, H ) ( r ,t,k , , E, H )
介电常数、导磁率和电导率的性质决定介质的性质。 当介电常数、导磁率和电导率是标量时，介质是各向同性 介质； 当它们是张量时，介质是各向异性介质； 当这些系数与空间坐标无关时，代表均匀介质；
当这些系数依赖于空间坐标时，代表不均匀介质； 当这些系数依赖于空间坐标并且是空间坐标的随 机函数时，代表随机介质； 当这些系数与时间无关时，代表平稳介质； 若这些系数是时间的函数，代表非平稳介质； 若这些系数是频率的函数，代表时间色散介质； 若这些系数是波矢的函数，代表空间色散介质； 若这些系数与电磁场本身大小有关， 则成为非线性 介质。
电波主要传播方式
电波主要传播方式2008-06-05 11:25:45 作者：不详电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。
任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。
传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。
根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。
当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。
那些走直线的电波就过不去了。
只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。
地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。
其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。
因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。
天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。
无线电波也能够反射。
在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。
在电波中，主要是短波具有这种特性。
电离层是怎样形成的呢？原来，有些气层受到阳光照射，就会产生电离。
太阳表面温度大约有6000℃，它辐射出来的电磁波包含很宽的频带。
其中紫外线部分会对大气层上空气体产生电离作用，这是形成电离层的主要原因。
电离层一方面反射电波，另一方面也要吸收电波。
电离层对电波的反射和吸收与频率(波长)有关。
频率越高，吸收越少，频率越低，吸收越多。
所以，短波的天波可以用作远距离通讯。
此外，反射和吸收与白天还是黑夜也有关。
白天，电离层可把中波几乎全部吸收掉，收音机只能收听当地的电台，而夜里却能收到远距离的电台。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2）天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1．电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
在太阳紫外线强烈照射下，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成了自由电子和离子，即电离层。
由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。
电波的传送——精选推荐
电波的传送①:电波的传送方式由发射台的天线所发射的电波分成三部分:1.直射波(直接射向接收台).2.大地反射波(经由地面再反射给接收台).3.空间波(经由上空再折射给接收台).如上所述,1和2合并时统称"地表波".地表波产生时,频率越高损失就越大. 另外,由一部分频率的电波经由上空再折射回地面上,传给接收台的称为空间波.②:电离层是什么?所谓电离层是因高空的气体分子与原子被阳光的紫外线分解,形成如云状般的电子分层.电离层在白天时自底而上分成D,E,F层.在夜晚时D层会消失,E层的密度会降低.F层在白天时分成是F1和F1,夜晚时F1与F1合并成一层.③:HF(短波)的传送方式受到F层反射的短波,白天时通过E层的损失跟夜晚相较下,行程较短.经由电离层反射下来,再从地面反射到上空的电波只有短波.短波可以经无数次折返,发射到任何遥远的地方,甚至可以环绕地球数周,并可以听到清晰的回波.反之,位于地表波和反射波之间的地区,是电波无法传送到的地带,又叫死区.短波主要以电离层的反射为传送方式,电离层的变动将会影响电波的传播,信号容易产生衰落是其特点.④:VHF(超短波)的传送方式超短波是电离层无法反射的,大部分在地表波行程内通信的电波.在频率高时,地表波的损失较大.但减短波长可以使用高性能天线.超短波的异常传播将有下列情况, 使电波可传送到更远: 1.散射E层-----多发生在夏季的白天,在电离层E层下面,超短波的电波会反射下来.2.散射传播----超短波碰到大气层的乱流时,电波会散射开来,一部分反射到地面.3.其它--------山地回折,山地反射和无线电波道等也会散射超短波.⑤:UHF以的传送方式 UHF频段以上的电波传送方式与"光"相似.受到大气层的影响不大,遇雨时的损失较大频率从几十赫（甚至更低）到30000千兆赫左右（波长从几万千米到0.1毫米左右）整个频谱范围内的电磁波，称为无线电波。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ez, t Eme
Em
j 0t k 0 z
其中，Em为信号的平均振幅，
0
0
A e
dk j 0 z t d 0
d
Em随着时间和空间的改变而改变。但在
当将电离层看成理想介质时
Zm
nn n3
n2 n1 n0
N z n r 1 80.8 2 f
N Nm
n1 n2 nn
根据折射定律，有
i1 i0 i1 n1
n0 n1 i1 i0
当 n随高度增加时，路径向上弯曲； 当 n随高度减小时，路径向下弯曲。
n0 sin i0 n1 sin i1
dV eE m mV 在正弦稳态场中， E jVm mV e dt eE V jm m
e H j0 E Ne jm m E
2 Ne 1 j0 1 j E jm 0 2 Ne j 2 j0 1 2 E jm 0 Ne 2 Ne 2 j0 1 j 2 2 m 0 m 0 2 2 ' j0 r E
n0=1
电波在单电离层中的传播路径
nn n3 n2 n1 n0
路径方向的改变发生在in=90°的时候
2) 电波从电离层反射回来的条件
n0 sin i0 n1 sin i1 nn sin in
N z 令 in 90 则 sin i0 nn 1 80.8 2 f
大约８０
大约 ２１０１１
大约１１０
２ ～ ４ １０１１
８～２０１ ０１１
大约１８０ ２００～３ ５０ １０～１０３ １００～２ ００
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４ １０ ２０～２５ 约５０
• 电离层的变化：
（１）电离层的规则变化：电离层的周期性重复变化 • • • 一天中昼夜的周期性重复 季节性的周期变化 以约１１年为周期的太阳活动性的变化
当某一频率 f 的电波进入电离层后，由于地磁场的作 用会分解成两个波，分别称为寻常波和非寻常波。
寻常波的频率：
0 H
f0 f f fH f f fH
非寻常波的频率：
0 H
f0
若考虑地磁场的影响，电离层为各向异 性的媒质。
第二节 电波在电离层中的传播
1. 电波在电离层中的传播速度
1) 电波传播的相速和群速
• • 相速：电波等相位面传播的速度 群速：能量传播的速度
2) 电波在色散媒质和非色散媒质中传播的不同
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C Vg V p n 电波在色散媒质中传播时，相速与群速不相等。 b. 信号在非色散媒质中传播时不会变形； 信号在色散媒质中传播时将变形。 c. 在非色散媒质中，信号的传播速度等于相速； 在色散媒质中，信号的传播速度不等于相速。 信号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度
D层 夏季白天高度 （ｋｍ） 冬季白天高度 （ｋｍ） ８０～９０ ６０～９０ E层 ９０～１６０ ９０～１６０ F1层 F2层
１７０～２ ２２５～４ ２０ ５０ １６０～１ １７０以上 ８０
白天最大电子密 度（个／ｍ３）
最大电子密度所 在的高度 （ｋｍ） 碰撞次数 （个／ｓ） 半厚度 （ｋｍ）
大约 ２．５１０９
f c f max ，
即入射角越大，可用频率范围越宽。
3) 地球曲率对反射条件的影响
由于地球有曲率存在，所以i0达不到90°。当电波沿 地表面切线投射时，电波达到最大入射角i0max。
0 i0 i0 max
i0 Z R i0max
f c f max f max i0 max
取前两项，得
dk 0 z t kz t k 0 d 0 dk t k 0 z 0 z d 0 dk t 0t 0t k 0 z 0 z d 0 dk 0t 0 t k 0 z 0 z d 0 dk 0t k 0 z 0 z t d 0
第十一章 电波在电离层中
的传播
第一节 电离层介绍
1. 电离层的结构和特点 • 电离层： 指80~700km高度范围内自由电 子密度较高区域。 • 电离层的分层结构及其特点：
根据大气中自由电子密度的分布情况，电离层由 下至上分为D、E、F三层。在夏季的白天，F层又分 为F1和F2层。
• 各电离层分层的特点
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
1 n 5 1 R12 Rk Rn6 Rn6 12 k n5 2
（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不
可预测的不规则变化 • Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。对 于电波传播来讲，有利有弊。
对于一般的无线电波，有 2 2
Ne 2 r 1 m 0 2 Ne 2 m 2
Ne 2 Ne 2 2 (2f 0 ) 2 有频率的量纲，所以令 0 m 0 m 0 f 0 80.8 N
f 0 称为等离子体频率
0 f0 r 1 2 1 2 f
N z sin i0 1 80.8 2 f 80.8N z sec i0 f
∴斜投射时，电波能够反射的最高频率为
f max i0 80.8N m sec i0 f c sec i0
结论： • 对于同一个入射角，频率越高，反射高度越高， 通信距离越远； • f > fmax 时，电波穿透电离层； • 当 f 接近 fmax 时，通信距离最远； • 对于平面地面， 0 i0 90,
3) 电波在电离层中传播的速度
假设信号的频谱宽度为2△ω， ω0为载频，则信号可表示为：
E z, t
0
0
A e j t kz d
如果 2 0 ，则可以将传播常数 k 展开为台劳级数：
dk 0 k k 0 d 0
2
2
3. 地磁场对电离层的影响
• 地磁场产生原因：地球的自传在地核中所形成 的涡旋电流 • 地磁场的特点：1) 磁场南北轴线与地球南北轴线 间有一夹角，并在不断变化中； 2) 磁场强度也在不断变化。 • 电离层中的自由电子在地磁场的作用下，将作螺旋 运动
电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作fH
e fH B 2.84 10 8 B 2m
E
其中，
' r j 60
Ne 2 r 1 m 0 2 2
Ne 2 m 2 2
s / m
r , 与频率有关，所以电离 层是一种色散媒质；
同时由于N在电离层中不是一个常 数，所以电 离层又是一种非均匀媒 质。
f f0
f f0
Vg
N z n 80.8 2 f
2
nC
f f0
nC N z N z 1 80.8 2 80.8 2 f f
nC
f f0
C V p k n C V p Vg nC C 2 n
n 1 Vp C, Vg C
当入射角 i0 0时，即电波垂直地面发射时，反射条件为
f f0 z 80.8N z
由此可见，频率越高，要求反射处的电子密度越大。所 以，当 N Nm 时，可得到垂直投射的电波能够反射回 来的最高频率，称为临界频率，记作fc
f c 80.8N m
当 i0 0 时，
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：
J J D JC H j0 E eVN E JD 0 j0 E t J C eVN
1）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所 作的功全部转化为电子的动能，则 dV eE m 在正弦稳态场中， E jVm e dt e H j0 E Ne eE jm E V jm 2 Ne j0 1 2 m E 0 j0 r E
Ne 2 N 式中， r 1 2 代入e和m的值，得 r 1 80.8 2 m 0 f 0 电离层具有理想电介质的特性
2）考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所作的功 部分转化为电子的动能，部分转化为电离层的热能
设电子与其它粒子单位时间内的碰撞数为，并认为电 子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则
f f0
1 1 2 n f 1 80.8 N z / f 1 80.8 N z 2 f 3 2 2
f f0
n 80.8
N z 2 f
C 1 1 80.8 N z f2
C N z 1 n 80.8 2 f n
i0 max sin
信号在电离层中的群速恒小于光速，而相速则大于光速
2. 不考虑地磁场的影响时，电波在电离层中的传播
1) 电波在单电离层中的折射
单电离层自由电子密度 分布的规律 Z
Zm
N Nm
将单电离层分层，使得每一薄层中的自由电子密度近似相等 设第n层的自由电子密 度为Nn，则当Z<Zm时，有
Z
N1 N2 Nn
∵电离层是色散媒质 Vg Vp 且n r 1 80.8