电离层物理和电波传播27页PPT
电波传播第四章
O
最高频率用射线仰角Δ表示
Z入射角θ0与射线仰角Δ的关系
sinθ0 = sin(90D + Δ) = cos Δ
R
R+h R+h
sin2 Δ + 2h
cos2 θ0 ≈
R 1+ 2h
R
fmax ==
80.8Nmax =
cos2 θ0
80.8Nmax
(1 +
2h R
)
sin2 Δ + 2h R
n
易反
射。
θ0
• 电波频率越
低，反射的
位置越低。
f=
80.8Nn
1− (sinθ0 )2
f4
滑行传播
f1
f2
f3
f1＜f2＜f3＜f4
长波(30-300kHz) 可在D层反射下 来，在夜晚由于 D层消失，长波 将在E层反射；
中 波 (0.3-3MHz) 将在E层反射， 但在白天D层对 电波的吸收较 大，故中波仅能 在夜间由E层反 射；
对流层顶－50℃
气温随高度变化曲线 温度
D层特点： 60～90km
Z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
Z在中午时达到最大电子密度 Z对电波损耗较大 Z电子密度随季节有较大的变化。
E层：90～150km
Z可反射几兆赫的无线电波 Z在夜间其电子密度可以降低一个量级
有了折射率后可以求得射线的轨迹（与对流层一样），在电离层里同样可求轨 迹，可用同样的方法，因此可以对视距传播穿过电离层时的修正。
但在这一章我们主要考察其反射传播。因此我们考察其反射条件。
电波传播2
§5.4 天波传播
无线电波在电离层中的传播
为简化讨论，做如下假设：
电离层为各向同性媒质； 电子浓度N只是高度h的一元函数； 在各区电子浓度最大值附近，N（h）近似为抛物线 状
7
§5.4 天波传播
反射条件
不考虑地磁场影响时，εr是一个标量
εr = 1−
80.8 N 80.8N f2
（1）
通常认为磁导率为μ0 ，故电离层的相对折射率
15
§5.4 天波传播
对某一通信电路而 言，可能存在的传 播模式是与通信距 离、工作频率、电 离层状态等因素有 关的。 通常，若通信距离 小于4000km时主 要传播模式为1F 型
图5-11 多跳传播
表5-2 何种距离可能存在的传输模式
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§5.4 天波传播
对于一定的通信距离即使是单一传输模式，一般也 存在着两条传播路径，其射线仰角分别为 ∆1 和 ∆ 2 ， 低仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在 较低的高度上就从电离层反射下来，而高仰角射线 由于入射角小，则需要在较大的电子浓度处才得以 反射回来 以上现象说明，对一定的传播距离而言，可能同时 存在着几种传输模式和几条射线路径，这就是短波 通信中的多径传输效应。接收点场强则是这些射线 的场强之和
r
5
§5.4 天波传播
实际上电离层的电子浓度是随距地面的高度不 σ 同而变化的，因此其等效电参数 ε r ， 随高度变 化，电离层呈现不均匀的性质 由于气体分子的湍流以及电离源的随机变化， 使电子浓度有小尺度的起伏，因此电离层的等 效电参数具有随机过程的性质 电离层是一个色散、各向异性、随机的、时空 变化的半导电媒质。严格地说，它也是一种非 线性媒质
图5-13 天波传播路径的几何关系
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
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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
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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)
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【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
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。
《电波传播理论》课件 地表面波传播模式
Z
Z O
2020/11/29
对E1x
o 2
H1y取x的导数，得
空间波
E1x o H1y
(1)
x
2 x
地表面波
从方程 E＝0，得
E1Z
E1x ＝ E1Z
(2)
x
Z
8
又从方程 H 1
j
0
E
1,
得
E1y x
j 0E1Z
(3)
把(2)(3)式代入(1)式，得
E1Z z
0 2
( j 0E1z )
由于地球表面呈球形使电波传播的路径按 绕射的方式进行。
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3
第2节 地波传播场强的计算
偶极子天线所产生的地波垂直电场E通常表示为： E E0 A
其中，E 0 为理想导电地面上的垂直电场； A 称为衰减因子，它是频率、距离和地面电参数的 复杂函数。
一般说来，频率愈高，地面电导率愈低，地 波随距离衰减就愈快。
均匀层：对电波传播影响很小
对电波传播的影响大小取决于大气中带电 粒子的多少。
对流层折射的影响
对流层的特点 如果对流层是均匀的，介电常数是常数，那 么，无线电波的传播将沿着直线进行。但是对 流层是不均匀的，不是常数，而是随着离地 的高度和温度而变化。无线电波在对流层中的 传播可以看作是从彼此系数不同的一个介质薄 层进入另一个介质薄层，这时传播路径将发生 连续弯曲，即发生折射。
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1
第1节、地表面波传播特性
❖ 沿地球表面以绕射方式进行传播的无线电波传播模 式，称为地波传播
❖ 特点：
信号比较稳定 半导电性地球表面的影响较大 地面对地波有较大的衰减 地面上方垂直方向电场强度远大于水平方向电场强度
第13章__电波传播
电道的传输损耗：
发射天线输入功率与接收天线输出功率（满足 匹配条件）之比，即
Pin 4 r 2 1 L ( ) 2 PL A Gr G L L L0 LF Gr GL dB
在路径传输损耗 Lb 为客观存在的前提下，降 低传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增 益系数。
因此，频率越低，绕射能力越强。
衰减损耗、衰落 媒质效应 反射、折射、散射 极化偏转 干扰和噪声 时域、频域畸变 这些媒质效应对信息传输的质量和可靠性常常产 生严重影响，因此各种媒质中各频段电磁波的传播效 应是电波传播研究的主要对象。
电波
电波传播的基本特性
电波传播的基本特性即移动信道的基本特性 ——衰落特性
D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为
Ae 4
2
所以该接收天线的接收功率为
2 PL Sav Ae ( ) Pr 4 r
于是自由空间传播损耗为
Pr 4 r L0 10lg 20lg dB PL
或 L0 32.45 20lg f ( MHz ) 20lg r( km)
划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此 当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在 变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定 义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。
如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性， 不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一
个以收、发两点为焦点的旋转椭球。
A
2F1
A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌 地物、传播方式等因素有关。
基本传输损耗：Lb L0 LF 自由空间传播损耗
dB
衰减损耗
如果发射天线的输入功率为Pin，增益系数为 Gr，接收天线的增益系数为GL，则相应的功率密 度和最佳接收功率分别为
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∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩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。
电离层物理与电波传播2
时间常数
在复杂的问题中，估计和比较两种不同的过程的时间常数，可以判断哪 种过程起控制作用。 比如，在电离层中，化学过程和扩散过程都具有潜在的重要性。不过， 在某些高度上，化学过程比输运过程慢得多，对这样的区域，可以只考 虑输运过程而忽略化学过程，在顶部电离层，情况大致如此；反之，化 学过程输运过程的时间常数相比，化学过程的时间常数短得多，可以只 考虑化学过程而忽略程输运过程，在 E 层和 F1 层，情况大致是如此。 影响电离层中化学反应速率的因素有多种。一般地讲，参与反应的成分 和密度与反应速率直接有关。此外，参与反应的成分的运动速率和温度 或碰撞频率也影响反应速率。获得反应速率定量的信息相当困难。
z 是约化高度， z ( h hm,o ) / H 。 将 ne( z )对 z 求导数，忽略 的高度变化，可以得到，当
ez cos
时，电子密度取极大值 nm nm,o cos1 / 2 ，
可见，电子密度极大以 cos1 / 2 的形式随天顶角变化。一个具有 这样性质的层称作 -Chapman 层。 在电离层中，E 层和 F1 层的属性最接近 -Chapman 层。
q=(1+)eNeNe=(1+)eNe2 由此可见，存在负离子时，生成率平方根仍然正比于平衡态电子密度， 仅仅数量上有变化。因子(1+)(e+i)常常称为等效复合系数。=0 对应不存在负离子的情况。
E 层和 F1 层
E 层电子密度峰值大约出现在 105 到 110km 高度。
E 层的形成与穿透较深、吸收不是很强的那部分太阳辐射有关。在
电离层物理与电波传播1
式中 q 表示电离生成率， 是密度为 n 的中性成分的吸收截面，
I 是太阳辐射强度， nI 表示单位时间和单位体积内中性大气粒子 吸收的总能量， 是电离效率，即被吸收的辐射能量的多大部分 有效用于电离过程。
为了得到电离生成函数，ຫໍສະໝຸດ hapman 首先作如下四个简化 假设： 1、 大气层是平面分层的，在水平面内没有任何变化。 2、 大气由单一成分构成，随高度指数分布且具有恒定
和 qo I eH
qo 是天顶角 0 时的最大生成率。显然， qo 与 qm 的关系为
qm qo cos
Chapman 生成函数
如果气体密度分布满足 n no exp( h / H )，则 nm no exp( hm / H )
代入 Hnm sec 1，则
D 区和 F1 区在夜间消失。E 区在夜间变得很弱。F2 区在白天和 夜间都存在，不过，在夜间电子密度数值比白天小。
电离层垂直结构示意图
电离密度的时间变化*连续性方程
在太阳辐射作用下，大气层的部分中性气体发生电离，生成 大量自由电子-离子对，从而形成电离层。
电离过程所涉及的主要中性气体成分是 O2、N2 和 O。
参考书目：
1、 J.A. 拉特克利夫，电离层与磁层引论，科学出版社，吴雷， 宋笑亭译，1980。
2、 Kelley, M.C., The Earths Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynomics, ACADEMIC PRESS, INC., 1989.
• 电离层的发现成为空间物理学发端的标志。 在电离层的发现和无线电波传播理论的 发展中，Appleton的贡献最为突出。