電離層波傳播-第二章課件

2022/12/201Email：電離層波傳播2022/12/202第二章磁離子理論磁離子理論是研究均勻各向異性色散介質(zhì)中電波傳播的理論。等離子體電磁特性的理論描述：宏觀描述：——流體力學模型（MHD）把等離子體當成導電流體介質(zhì)來描述；微觀描述：——單粒子模型假定組成等離子體的每個粒子在外場作用下的運動方程相同。統(tǒng)計描述：粒子速率分布函數(shù)的時間演化方程2022/12/203§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)第二章磁離子理論§2.2A-H公式§2.3色散曲線2022/12/205§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)二結(jié)構(gòu)關(guān)系磁等離子體自由空間是標量或張量，通常是空間、時間和場量的函數(shù)：標量/張量——各向同性/異性介質(zhì)與空間坐標無/有關(guān)——均勻/不均勻介質(zhì)與頻率有關(guān)——時間色散介質(zhì)與波矢有關(guān)——空間色散介質(zhì)與電磁場有關(guān)——非線性介質(zhì)2022/12/206§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)三平面電磁波對于均勻、各向同性、無源介質(zhì)：6因此有：電磁波在介質(zhì)中的傳播速度折射指數(shù)自由空間中的光速上式稱為波動方程，表明脫離電荷、電流而獨立存在的電磁場以波動形式運動著，其解包含各種形式的電磁波。1.波動方程2022/12/207§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)三平面電磁波2.時諧波7亥姆霍茲方程是一定頻率下的電磁波基本方程，其解代表電磁波場強在空間中的分布。——電磁波以某一特定頻率作正弦振蕩（單色波）時諧電磁場的復(fù)數(shù)形式：（亥姆霍茲方程）2022/12/208§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)三平面電磁波亥姆霍茲方程對于無界空間的解。8電磁場復(fù)數(shù)形式：3.平面電磁波：平面電磁波特性：橫波，E、H都與傳播方向垂直；E和H互相垂直，E、H、k滿足右手定則；E和H同相，振幅比為振幅相位振幅恒定，波面為無限大平面2022/12/2010§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)三平面電磁波105.波矢量為復(fù)數(shù)：平面電磁場復(fù)數(shù)形式：（振幅沿k’’方向衰減）——介質(zhì)中電磁波的色散方程（相位沿k’

方向變化）由折射指數(shù)定義：

對于各向異性介質(zhì),折射指數(shù)一般與波傳播的方向有關(guān)，給定的傳播方向上有兩個波傳播。2022/12/2012§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)四相速度和群速度12平面電磁波無頭無尾，振幅恒定，波振面為無限大平面，它不能傳遞信號能量。嚴格意義上的平面電磁波并不存在。復(fù)波（波包）振幅隨時間變化，波振面有限，波包可由不同傳播方向、不同頻率的平面簡諧波疊加而成。（波包無畸變的在介質(zhì)中傳播的速度）2.群速度：2022/12/2014§2.1電磁波傳播理論基礎(chǔ)四相速度和群速度14（波包無畸變的在介質(zhì)中傳播的速度）2.群速度：波包的振幅

在具有頻率色散的無耗介質(zhì)中，群速度等于能量傳播速度,能量傳播方向稱為射線方向；

各向同性介質(zhì)中，相速度和群速度方向相同；

各向異性介質(zhì)中，相速度和群速度方向通常不相同；2022/12/2015單粒子模型：15§2.2Appleton-Hartree（A-H）公式假定組成等離子體的每個粒子在外場作用下的運動方程相同，忽略粒子熱運動的影響。一.無磁場僅電場作用時設(shè)在電場的擾動下，電荷獲得速度——牛頓運動定律電子運動引起的電流密度：（

離子運動可忽略）電子質(zhì)量電子濃度2022/12/2016§2.2A-H公式一.無磁場僅電場作用時16麥克斯韋方程組

（約去）——色散方程的簡單變形1.∥(電場縱極化)：（等離子體振蕩頻率）等離子體縱向振蕩；

群速度為零，無能量傳播。2022/12/2017§2.2A-H公式一.無磁場僅電場作用時17

——色散方程的簡單變形1.∥(電場縱極化)：（等離子體振蕩頻率）等離子體縱向振蕩；

群速度為零，無能量傳播。2.⊥(電場橫極化)：此為忽略磁場影響時的等離子體折射指數(shù)；折射指數(shù)依賴于電波頻率；頻率遠低于等離子體頻率電波不能傳播；2022/12/2018§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時181.若僅磁場作用：

粒子將在垂直磁場的平面內(nèi)繞磁力線旋轉(zhuǎn)磁旋頻率：回旋半徑：在電離層中，離子的作用通?？梢院雎?。2022/12/2020§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時202.考慮碰撞效應(yīng)：Appleton參數(shù)：（忽略熱運動）碰撞效應(yīng)定義復(fù)數(shù)質(zhì)量mU：當時，考慮碰撞效應(yīng)；當U=1時，未考慮碰撞效應(yīng)；3.極化效應(yīng)：電極化矢量：2022/12/2021§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時214.直角坐標系的分量式：Appleton參數(shù)：2022/12/2023§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時235.偏振特性：分量式：作業(yè)5：設(shè)，，試用Ex分量表示在直角坐標系下的矢量表達式。2022/12/2024§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時245.偏振特性：——磁離子理論的偏振方程2022/12/2026§2.2A-H公式二.磁場和電場共同作用時26若不考慮碰撞：——Appleton-Hartree公式

電磁波在等離子體中傳播的色散關(guān)系式式中±號表明磁化等離子體是各向異性介質(zhì)，對每一頻率同時存在兩種傳播模式。若不考慮磁場：若磁場和碰撞都忽略：消散反射傳播共振2022/12/2027若忽略碰撞，27§2.3色散曲線——電磁波在均勻色散介質(zhì)中的傳播Y>1Y<1——折射指數(shù)平方隨X變化曲線2022/12/2028§2.3色散曲線28一.縱傳播（波矢與外磁場方向平行）折射指數(shù)：偏振因子：以相同頻率沿同一方向傳播的兩特征波，具有不同傳播速度和不同偏振狀態(tài)；兩特征波都是圓偏振的橫波，一個是左旋波，一個是右旋波；反射條件：共振條件：Y>12022/12/2030§2.3色散曲線30一.縱傳播（波矢與外磁場方向平行）2.Y>1時：哨聲模波反射點(2).折射指數(shù)始終大于1；(1).波傳播速度較慢；逆時針右旋偏振。順時針左旋偏振。L折射指數(shù)小于1，隨電子密度增加而減小；波傳播速度較快；電子密度增加，折射指數(shù)增大；R2022/12/20§2.3色散曲線一.縱傳播（波矢與外磁場方向平行）3.準縱傳播：哨聲模波傳播路徑近似沿著磁力線——磁力線引導傳播。哨聲模波是一種折射指數(shù)遠大于1的甚低頻電磁波；該近似對甚低頻很容易成立。當

時準縱近似：若要求，上式只能取負號——哨聲模波的色散關(guān)系31Y>1RLY<1LR2022/12/20§2.3色散曲線二.橫傳播（波矢與外磁場方向垂直）折射指數(shù)：折射指數(shù)與磁場無關(guān)此特征波沿磁場線偏振電場矢量在z-x平面橢圓旋轉(zhuǎn)

反射條件：反射點反射點反射點

共振條件：3232OOXXX共振反射點反射點Y>12022/12/20§2.3色散曲線三.斜傳播

曲線位于以縱傳播和橫傳播特例曲線為邊界的陰影區(qū)域；3333Y<1反射點RLLROOX

反射條件：XX共振反射條件與無關(guān)，所有曲線都在相同的三個位置通過零點；

共振條件：與有關(guān)，取值范圍為：反射點反射點反射點反射點Y>12022/12/20§2.3色散曲線三.斜傳播1.尋常模（O）