电波在电离层的传播特性
各波段电波传播方式和特点
一．电磁场基本性质：1．电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。
不随时间变化的电场称为静电场。
运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。
不随时间变化的磁场称为恒定磁场。
2. 电磁波及麦克斯韦方程：如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。
时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。
静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。
0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩g g cD E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。
但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。
电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。
在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。
因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。
当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。
4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。
1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。
1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。
同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。
1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。
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。
上层大气电离层在电磁波传播中的影响研究
上层大气电离层在电磁波传播中的影响研究电磁波是一种高频振动的无线电波，可传输信息和能量，具有重要的应用价值。
其传播受到许多因素的影响，其中之一是电离层的存在。
本文将重点探讨上层大气电离层在电磁波传播中的影响，并介绍相关的研究成果。
一、电离层的特点电离层是大气中一段离子化程度高的区域，由太阳光和宇宙射线等高能辐射使得大气分子电离而形成。
它主要位于距离地面约100公里以上的高空区域。
电离层随着时间、地球磁场、地方天气等因素的变化而发生动态变化，这对电磁波的传播产生影响。
电离层是地球空间活动的一个重要组成部分，对于卫星通信、导航、天气预报等领域都具有至关重要的作用。
二、电磁波在电离层中的传播特点电离层中的电离分子和自由电子会影响电磁波的传播。
电磁波的速度、频率和波长会随着电离层中电离程度的变化而发生变化。
具体来说，电离层中的自由电子会抵消电磁波传输过程中的一部分电场，使波速变慢，而波长则因速度减少而缩短，频率则增大。
这种现象被称为频率反转。
同时，电离层的不规则结构也会导致电磁波在传播过程中产生散射和衍射现象。
在电离层密度发生不连续性跳变的情况下，电磁波会被散射到任意的方向，从而形成所谓的散射传播。
在电离层密度发生周期性变化的情况下，电磁波会被衍射，形成波阵面交错的空间分布，从而形成所谓的多径传播。
这些现象对电磁波的传播产生了复杂的影响，极大地增加了电磁波通信系统的设计和工程实施难度。
三、电离层对电磁波传播的影响研究为了更好地理解和利用电离层对电磁波传播的影响，许多科学家进行了深入的研究。
大量的实验和模拟结果表明，电磁波的频率、波长和极化状态等参数会对电磁波在电离层中的传播产生显著的影响。
例如，美国空军高空研究实验室曾开展过一项名为“星际接触”的实验，旨在研究高频电磁波在电离层中的传播特性。
通过监测过程中电磁波在空间中的波前形态和电磁波功率强度变化，研究人员得到了电离层对电磁波传播的重要参数，如有效反射高度、散射系数和互相关数等。
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。
无线电波的传播
无线电波的传播理论分析和实验都表明无线电波是横波，即电场和磁场的方向都与波的传播方向垂直。
而且电场强度与磁场强度的方向也总是相互垂直的。
无线电波在空间传播时，必然要受到大气层的影响，尤其以电离层的影响最为显著。
电离层是由于从太阳及其他星体发出的放射性辐射进入大气层，使大气层被电离而形成的。
电离层内含有自由电子是影响无线电波的主要因素。
电离层对无线电波的主要影响是使传播方向由电子密度较大区域向密度较小区域弯曲，即发生电波折射。
这种影响随波段的不同而不相同。
波长越长，折射越显著。
30MHz以下的波被折回地面；30MHz以上的波，则穿透电离层。
另外，电波受电离层的另—影响是能量被吸收而衰减。
电离程度越大，衰减越大；波长越长，衰减亦越大。
无线电波的传播方式，因波长的不同而有不同的传播特性，分为地波、天波和空间波三种形式。
地波――沿地球表面空间向外传播的无线电波。
中、长波均利用地波方式传播。
天波――依靠电离层的反射作用传播的无线电波叫做天波。
短波多利用这种方式传播。
空间波――沿直线传播的无线电波。
它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的反射波。
超短波的电视和雷达多采用空间波方式传播。
各种波长的传播特性如下长波(见波段划分表)波长在3000M以上，中波在100—1000M。
长波段主要用作发射标准时间信号。
而中波主要用作本地无线电广播和海上通信及导航。
短波主要靠天波传播。
传送距离较远，甚至可以用作国际无线电广播，远距离无线电话和电报通信等。
超短波是波长在10M—1m的波，只能用空间波传播，其主要以直线传播为主，由于有地球曲率的影响，传播距离较短，不得不靠增加天线高度来增加通信距离。
如无线电视等。
利用对流层和电离层散射，超短波传播距离大大增加，使雷达技术得到广泛应用。
频谱的高端300兆赫以上，我们称微波，主要是穿过电离层，用于卫星通信与无线电遥感等。
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。
电离层对电波传播影响的相关问题研究
电离层对电波传播影响的相关问题研究电离层对电波传播影响的相关问题研究引言电离层是地球大气层中的一部分，包括电离层D层、电离层E 层、电离层F层等不同的离子层。
电离层对电波传播具有重要影响，尤其是在无线电通信、卫星导航等领域。
本文将探讨电离层对电波传播的相关问题，包括电离层结构、电离层异常和对电波传播的影响机制。
一、电离层结构电离层是由太阳辐射中的紫外光和X射线将地球大气层中的气体分子离解形成的。
电离层D层位于60-90公里高度之间，E 层位于90-150公里高度之间，而F层则分为F1层和F2层，分别位于150-250公里和250-1000公里高度之间。
这些离子层会随着太阳活动的变化而发生相应的电离层异常。
二、电离层异常电离层异常是指在特定的时间段和空间区域内，电离层中的离子浓度变化异常，造成电波传播中的多路径传播、衍射、散射等现象。
电离层异常包括日变化和季节变化。
日变化是指在白天和夜晚，电离层中的离子浓度会发生明显变化，导致电波传播的特性也随之改变。
季节变化是指在不同季节，电离层的结构和离子浓度会有所差异，从而对电波传播产生不同影响。
三、对电波传播的影响机制1. 多路径传播：电离层中的离子会对电波进行折射、反射等，导致电波沿多条路径传播到达接收地点，从而引起多路径传播。
多路径传播会导致传播路径的延长和主导路径的改变，影响信号的传输质量和速度。
2. 衍射和散射：电离层对电波的传播路径产生衍射和散射。
衍射是指电波在电离层边界发生弯曲的现象，使电波能够绕过障碍物传播到阻塞区域；散射则是指电波与电离层中的离子相互作用后，沿其他方向进行传播。
衍射和散射会导致信号的弱化和延迟。
3. 消光：消光是指由于电离层中的吸收和散射作用，电波强度逐渐减弱的现象。
电离层中的气体分子和离子能够吸收频率较高的电波，导致信号逐渐减弱甚至完全消失。
4. 频延：频延是指电离层对不同频率的电波传播速度的影响。
电离层会对低频电波进行较大程度的频延，而对高频电波的频延较小。
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题包括：
1. 介质特性：电离层是由高度电离的气体组成，其电磁波传输特性与常规的空气或真空介质不同。
电离层中存在的离子和自由电子可以对电波的传播速度、传播方向和极化状态产生影响。
2. 折射和反射：电离层中的离子和自由电子可以使电波产生折射和反射。
表面反射和天线朝向的角度也可以影响电波的传输。
3. 大气异常传播：电离层中的等离子体密度分布与地球表面物理区域分布的不均匀性相结合，会导致一些异常传播现象，例如超视距和多路径传播等。
4. 色散和吸收：电离层中不同频率的电波对等离子体的折射率有不同的响应，从而产生了色散现象。
同时，在高频率下，电离层的吸收也非常显著，这将限制电波的传播距离。
综上所述，电离层中电波传播的物理问题非常复杂，需要对空间中等离子体的物理特性、电磁波的传输特性、落地大气的情况等多方面进行综合研究。
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107 108 109 1010 1011 1012 电 子 密 度 /个3 / m
平 流 层 顶 － 10℃
臭
氧
层
3
O
对 流 层 顶 － 50℃
对流 层
珠穆朗玛峰
云雨
气温随高度变化曲线
温度
10.1电离层介绍
• 电离层概况
– 电离层是地球高空大气层的一部分， 它从60千米一直延伸到大约1000千 米的高度。电离区域在这个范围内， 主要是太阳的紫外辐射及高能微粒辐 射等，使得大气分子部分游离，形成 了由电子，正、负离子和中性分子、 原子等组成的等离子体
Em
A(
)e d j
(
0
)
dk d
0
z
t
Em为信号的平均振幅，它 随着时间和空间而改变
而当在 z, t不变时
也就是
dk
d
0
z
t等于常数时
Em不变，信号的传播速度
可以理解
为信号振幅平面的移动 速度。而当信号的频谱 宽度为 2时，说明
信号的能量都集中在带 宽内。信号包络的极大 值是电波能量密度最
r
180.8
N f2
在不考虑电子和其他粒子碰撞的情况下，等效介电常数为实数，所 以电离层具有理想电介质的特性。电场能量仅使电子发生震荡，并 没有任何损耗。
10.1电离层介绍
考虑电子和其他粒子碰撞
e E m d V m V j V m m V
dt
Hj0EeN j memEj0r'E
r' r j60
电磁波等相位面的前进速度称为相速度：能量的传播速度 称为群速度。电磁波在色散媒质和非色散媒质中的传播特 性是不同的。
1.电波在非色散媒质中相速度和群速度相等，在色散媒质 中两者不同。 2.信号在非色散媒质中传播不会变形，在色散媒质中会。 3.信号在色散媒质中相速度和群速度相等，在非色散媒质 中两者不同。
– 结构特点
• 电离层电子浓度的高度分布有几个峰 值区域
• 按这些峰值区域划分D、E、F1、F2 区
图5-6 电离层电子浓度的高度分布
10.1电离层介绍
D层特点： 60～90km 夜间消失，气体密度大，电子易与其它粒子复合 而消失，夜间没有日照而消失 在中午时达到最大电子密度 对电波损耗较大 电子密度随季节有较大的变化。
把电子运动方向分解为平行于和垂直于磁场方向 的两个分量，平行于磁场方向的分量不受磁力的作用， 而垂直于磁场方向的分量受到垂直于运动方向和磁场 方向的力而做圆周运动。
10.1电离层介绍
fH为电子做圆周运动的频率，称为磁旋频率，与电子运动速度无
关，与电子的带电量、质量和磁场强度有关。表达式为：
fH
e
2m
10.3各波段在电离层的传播特性
图a 天波和地波 图b 天波中的高角波和低角波 、单跳与多跳传播 图c 寻常波和非常波之间的干涉 图d 电离层的漫射
10.3各波段在电离层的传播特性
– 回波现象 – 短波天线传播在某些适当的传播条件下，即使
在很大的距离上也只有较小的传输损耗，电波 可能连续的在电离层内多次反射或在电离层与 地表之间来回反射，有可能环绕地球再次出现， 称为环球回波。在接收机中，若出现了信号回 复，犹如在山谷中出现回声那样，这往往是出 现了回波现象
B
角频率为：
H
e m
B
通常fH在地理南北极附近达到最大值，赤道附近达到最小值。
当某一频率为f的电波进入电离层后，由于地磁场的作用分为两个波
分别成为寻常波和非寻常波。
寻常波：
0 H
非寻常波： x H
寻常波和非寻常波在电离层的反射高度不一样。寻常波的损耗要比非
寻常波的小得多。
10.2电波在电离层的传播
大值所在，所以群速度 可以理解为信号能量的 传播速度。
10.2电波在电离层的传播
在色散媒质中群速度为：
Vg
1 dk
nc,
d 0
在非色散介质中：
1
c
Vg dk Vp n
d
0
10.2电波在电离层的传播
不考虑地磁场影响时，电波在电离层中的传播
折射定律：
n0 sin i0 n1 sin i1
r 1m0(N22e2)
N2e m(22)
10.1电离层介绍
当有2 2时
r
1
Ne2
m0
1
2
令02
Ne2
m0
2f02,
f0
则
Ne2 m2
80.8N为等离子体频
r
1
02 2
1-
f02 f2
10.1电离层介绍
考虑地球的地磁场
地磁场将对电离层带来很大影响，地球的磁场是 由地球飞快的自转和地核中的所形成的涡电流所产生 的，磁场场的的南北极和地理的南北极有一定夹角， 并且处在不断变化中，地磁场的强度也在不断变化。
N / (个 / m3 )
10.1电离层介绍
JJDJC JD0 E t j0E
EE D ej(tkur) JC eVN
J j 0 E e, N H V j 0 E eN
10.1电离层介绍
在不考虑电子和其他粒子碰撞
eE mdVjVm
dt
H j0 E e N je m E j0 rE
第10章 电波在电离层中的传播 特性
第10章 电波在电离层中的传播特性
• 10.1电离层介绍 • 10.2电波在电离层的传播 • 10.3各波段在电离层的传播特性
10.1电离层介绍
km 104
磁层 卫星
103
电离 层 102
平流 层
10
热 层 － 90℃
10.2电波在电离层的传播
• 慢行现象 • 寂静区
1
2
3
1 ＜ 2 ＜ 3
电离 层
电离 层
电离层 地面波 静区
地面波 r1
静区 r2
(a)
(b)
10.3各波段在电离层的传播特性
• 短波 衰落 衰落是接收信号强度的一种无规则变化。衰
落时的信号强度可有几十到几百倍的变化。 短波传输中的衰落现象是不同的几条电波 射线在接收点干涉的结果。
相速度随频率改变的现象叫做色散。媒质参数随频率变化的现象称为媒质色散。
假设信号的频谱宽度为 2, 信号的场强可以表示为 ：
E z, t A( )e j(tkz)d
2 , 将k ( )展开为泰勒级数：
k
(
)
k
( 0
)
dk
d
0
(
0
)
取前两项可以得到
E z, t Eme d j0tk (0 ) z ()
E层：90～150km 可反射几兆赫的无线电波 在夜间其电子密度可以降低一个量级
10.1电离层介绍
F层：170～200km为F1层，200km以上称F2层。 在晚上，F1与F2合并为一层。 F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达 2×1012个/m3，冬天大，夏天小。 F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存 在几小时才与其它粒子复合而消失。 F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相 关。
10.3各波段在电离层的传播特性
接收 发射
发射
接收
(a)
(b)
（a）反向回波； （b）正向回波
10.3各波段在电离层的传播特性
• 中波传播（300KHz－3MHz）
– 地面波和天波传播 – 地面波传播，与长波相比，由于波长短，地面
损耗大，且绕射能力差，所以传播的有效距离 比长波近，但比短波远，一般为几百千米 – 中波在电离层临界频率以下，故可以反射，通 常在E区反射 – 白天靠地面波传播，晚上既有地面波也有天波 传播
n
r
1
80
.8 N f2
(
z)
入射角 in 90 反射条件为：
f 80 .8 N ( z)
10.2电波在电离层的传播
可以发生反射的频 电率 离与 层的电子密度 比成 ，正 即频率越高 要求的电子密度越 反大 射， 的位置也就越高。 定义当 NNma时 x 垂直入射能够反 的射 最回 高频率为临界 。频 fc 80.8Nm,当入射角不 90为 时有fmax(i) fc seci,可以发现当 不垂直入射时，最 射高 频反 率高于垂直入 临射 界的 频率。但入 射波与地面相切时 会， 引一 起地面吸收， 入所 射以 波要有一定 的仰角。
10.1电离层介绍
1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。D层消失，E层减小，F合 并
• 季节变化。夏季的电子密度大于冬季，F2层反常。 • 随太阳黑子11年周期的变化。
300
200
太阳黑子数
100
0 1900
1910
1920
1930
1940
1950 年份
1960
1970
1980 1990
2000
• 随地理位置变化。低纬度大于高纬度
10.1电离层介绍
• 电离层的不规则变化 突发E层；电离层骚扰；电离层暴乱
高 度 / km
4 00
电离层骚扰 时
正常情况 3 00
FF
2 00
100 D
E E
D
0 1 08 1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2 1 01 3
10.3各波段在电离层的传播特性
• 长波传播（30KHz－300KHz）
– 在大气波导内来回反射
• 长波传播特点：
– 传播损耗小 – 场强有较明显的日变化 – 场强的季节变化不明显 – 传播情况稳定