第十組天波傳播

（優(yōu)選）第十組天波傳播目前一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)電離層概況電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖1―1地面上空大氣層概況目前二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖1―2大氣的分層現(xiàn)象目前三頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)對(duì)每層氣體而言，氣體密度是上疏下密，而太陽(yáng)照射則上強(qiáng)下弱，因而被電離出來(lái)的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個(gè)不同的高度上，每一個(gè)最大值所在的范圍叫做一個(gè)層，由下而上我們分別以D、E、F1、F2等符號(hào)來(lái)表示，電離層各層的主要數(shù)據(jù)如表1―1。目前四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)

表1―1電離層各層的主要參數(shù)目前五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)表中的半厚度是指電子密度下降到最大值一半時(shí)之間的厚度，臨界頻率是指垂直向上發(fā)射的電波能被電離層反射下來(lái)的最高頻率。各層反射電波的大致情況如圖1―3所示。圖1―3長(zhǎng)、中、短波從不同高度反射目前六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)D層是最低層，因?yàn)榭諝饷芏容^大，電離產(chǎn)生的電子平均僅幾分鐘就與其它粒子復(fù)合而消失，因此到夜間沒(méi)有日照，D層就消失了。D層在日出后出現(xiàn)，并在中午時(shí)達(dá)到最大電子密度，之后又逐漸減小。由于該層中的氣體分子密度大，被電波加速的自由電子和大氣分子之間的碰撞使電波在這個(gè)區(qū)域損耗較多的能量。D層變化的特點(diǎn)是在固定高度上電子密度隨季節(jié)有較大的變化。目前七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)E層是電離層中高度大約在90～150km間的區(qū)域，可反射幾兆赫的無(wú)線電波，在夜間其電子密度可以降低一個(gè)量級(jí)。

F層在夏季白天又分為上下兩層，170～200km高度為F1層，200km高度以上稱F2層。在晚上，F(xiàn)1與F2合并為一層。F2層的電子密度是各層中最大的，在白可達(dá)2×1012個(gè)/m3，冬天最小，夏天達(dá)到最大。F2層空氣極其稀薄，電子碰撞頻率極低，電子可存在幾小時(shí)才與其它粒子復(fù)合而消失。F2層的變化很不規(guī)律，其特性與太陽(yáng)活動(dòng)性緊密相關(guān)。目前八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)電離層的變化規(guī)律電離層概況天波傳播和電離層的關(guān)系特別密切，只有掌握了電離層的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，才能更好地了解天波傳播。由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機(jī)變化，電離層是一種隨機(jī)的、色散、各向異性的半導(dǎo)電媒質(zhì)，它的參數(shù)如電子密度、分布高度、電離層厚度等都是隨機(jī)量，電離層的變化可以區(qū)分為規(guī)則變化和不規(guī)則變化兩種情況，這些變化都與太陽(yáng)有關(guān)。目前九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)1）．電離層的規(guī)則變化太陽(yáng)是電離層的主要能源，電離層的狀態(tài)與陽(yáng)光照射情況密切相關(guān)，因此電離層的規(guī)則變化有以下4種：（1）日夜變化。日出之后，電子密度不斷增加，到正午稍后時(shí)分達(dá)到最大值，以后又逐漸減小。夜間由于沒(méi)有陽(yáng)光照射，有些電子和正離子就會(huì)重新復(fù)合成為中性氣體分子，D層由于這種復(fù)合而消失；E層仍然存在，但其高度比白天低，電子密度比白天小；F1層和F2層合并稱為F層且電子密度下降。到拂曉時(shí)各層的電子密度達(dá)到最小。一日之內(nèi)，在黎明和黃昏時(shí)分，電子密度變化最快。目前十頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（2）季節(jié)變化。由于不同季節(jié)，太陽(yáng)的照射不同，故一般夏季的電子密度大于冬季。但F2層例外，F(xiàn)2層冬季的電子密度反而比夏季的大，并且在一年的春分和秋分時(shí)節(jié)兩次達(dá)到最大值，其層高度夏季高冬季低。這可能是由于F2層的大氣在夏季變熱向高空膨脹，致使電子密度減小的緣故。F1層多出現(xiàn)在夏季白天。（3）隨太陽(yáng)黑子11年周期的變化。太陽(yáng)黑子數(shù)與太陽(yáng)活動(dòng)性之間有著較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，人們常常以黑子數(shù)的多少作為“太陽(yáng)活動(dòng)”強(qiáng)弱的主要標(biāo)志。黑子數(shù)目增加時(shí)，太陽(yáng)輻射的能量增強(qiáng)，因而各層電子密度增大，特別是F2層受太陽(yáng)活動(dòng)影響最大。黑子的數(shù)目每年都在變化，但根據(jù)天文觀測(cè)，它的變化也有一定的規(guī)律性，太陽(yáng)黑子的變化周期大約是11年，如圖1―4所示。因此電離層的電子密度也與這11年變化周期有關(guān)。目前十一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖1―4太陽(yáng)黑子數(shù)隨年份的變化目前十二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（4）隨地理位置變化。由于地理位置不同，太陽(yáng)光照強(qiáng)度也不相同。在低緯度的赤道附近，太陽(yáng)光照最強(qiáng)，電子密度最大。越靠近南北極，太陽(yáng)的光照越弱，電子密度也越小。我國(guó)處于北半球，南方的電子密度就比北方的大。目前十三頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)2）．電離層的不規(guī)則變化電離層的不規(guī)則變化是其狀態(tài)的隨機(jī)的、非周期的、突發(fā)的急劇變化，主要有以下3種：（1）突發(fā)E層（或稱Es層）。有時(shí)在E層中約120km高度會(huì)出現(xiàn)一大片不正常的電離層，其電子密度大大超過(guò)E層，有時(shí)比正常E層高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有時(shí)可反射50～80MHz的電波。因此當(dāng)突發(fā)E層時(shí)，將使電波難以穿過(guò)Es層而被它反射下來(lái)，產(chǎn)生“遮蔽”現(xiàn)象，對(duì)原來(lái)由F層反射的正常工作造成影響，使定點(diǎn)通信中斷。一般Es層僅存在幾個(gè)小時(shí)，在我國(guó)夏季出現(xiàn)較頻繁，在赤道和中緯度地區(qū)，白天出現(xiàn)的概率多于晚上，而高緯度地區(qū)則相反。另外，在黑子少的年份里，突發(fā)E層多。目前十四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（2）電離層突然騷擾(SuddenIonosphericDisturbances)。太陽(yáng)黑子域常常發(fā)生耀斑爆發(fā)，即太陽(yáng)上“燃燒”的氫氣發(fā)生巨大爆炸，輻射出極強(qiáng)的X射線和紫外線，還噴射出大量的帶電微粒子流。當(dāng)耀斑發(fā)生8分18秒左右，太陽(yáng)輻射出的極強(qiáng)X射線到達(dá)地球，穿透高空大氣一直達(dá)到D層，使得各層電子密度均突然增加，尤其D層可能達(dá)到正常值的10倍以上。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖1―5電離層騷擾時(shí)電子密度增大如圖1―5所示。突然增大的D層電子密度將使原來(lái)正常工作的電波遭到強(qiáng)烈吸收，造成信號(hào)中斷。由于這種現(xiàn)象是突然發(fā)生的，有時(shí)又稱它為D層突然吸收現(xiàn)象。目前十六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（3）電離層暴(IonosphericStorm)。太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)除輻射大量紫外線和X射線外，還以很高的速度噴射出大量帶電的微粒流即太陽(yáng)風(fēng)，當(dāng)帶電粒子接近地球時(shí)有一小部分穿過(guò)磁層頂?shù)竭_(dá)磁層。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)和地球磁場(chǎng)相互作用使地球磁場(chǎng)產(chǎn)生變動(dòng)，比較顯著的變動(dòng)稱作磁暴。帶電粒子穿過(guò)磁層到達(dá)電離層，使電離層正常的電子分布發(fā)生劇烈變動(dòng)，稱之為電離層暴，其中F2層受影響最大，它的厚度擴(kuò)展，有時(shí)電子密度下降，有時(shí)卻使電子密度增加，最大電子密度所處高度上升。目前十七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)2無(wú)線電波在電離層中的傳播在討論無(wú)線電波在電離層中的傳播問(wèn)題時(shí)，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化而又能建立起基本概念，可作如下假設(shè)：（1）不考慮地磁場(chǎng)的影響，即電離層是各向同性媒質(zhì)；（2）電子密度N隨高度h的變化較之沿水平方向的變化大得多，即認(rèn)為N只是高度的函數(shù)；（3）在各層電子密度最大值附近，N(h)分布近似為拋物線狀。目前十八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)2.1反射條件當(dāng)不考慮地磁場(chǎng)影響時(shí)，電離層等效相對(duì)介電常數(shù)為一標(biāo)量εr，若滿足ω2>>υ2條件，同時(shí)將

代入式（10―1―7），得相對(duì)介電常數(shù)目前十九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)式中,N為電子密度（1/m3）;f為頻率（Hz）。電離層的折射率n為由上式可知，在電離層中電子密度越大，折射率越小，相速也越大；并且，頻率不同，相速v也不同。因此，電離層是折射率小于1的色散介質(zhì)。目前二十頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖2―1電波在電離層內(nèi)連續(xù)折射目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)由于隨著高度的增加n值逐漸減小，因此電波將連續(xù)地沿著折射角大于入射角的軌跡傳播。當(dāng)電波深入到電離層的某一高度hn時(shí)，恰使折射角θn=90°，即電波經(jīng)過(guò)折射后其傳播方向成了水平的，它的等相位面成為垂直的。這時(shí)電波軌跡到達(dá)最高點(diǎn)。在等相位面的高處相速大，而在等相位面的低處相速小，這就會(huì)形成電波向下彎曲的傳播軌跡，繼續(xù)應(yīng)用折射定律，射線沿著折射角逐漸減小的軌跡由電離層深處逐漸折回。由于電子密度隨高度變化是連續(xù)的，因此電波傳播的軌跡是一條光滑的曲線。將n0=1，θn=90°代入上式，可得電波從電離層內(nèi)反射下來(lái)的條件式：目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)式中Nn是反射點(diǎn)的電子密度。上式表明了電波能從電離層返回地面時(shí)，電波頻率f、入射角θ0和反射點(diǎn)的電子密度Nn之間必須滿足的關(guān)系。目前二十三頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)2.2電離層的吸收與工作頻率的確定在電離層中，除了自由電子外還有大量的中性分子和離子的存在，它們都處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)受電場(chǎng)作用的電子與其它粒子相碰撞時(shí)，就將從電波得到的動(dòng)能傳遞給中性分子或離子，轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象稱為電離層對(duì)電波的吸收。電離層吸收可分為偏移吸收和非偏移吸收。目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)電離層對(duì)電波的吸收與電波頻率、電波入射角及電離層電子密度等有關(guān)，其基本規(guī)律總結(jié)如下：（1）電離層的碰撞頻率越大或者電子密度越大，電離層對(duì)電波的吸收就越大。這是由于總的碰撞機(jī)會(huì)增多則吸收也就越大。一般而言，夜晚電離層對(duì)電波的吸收小于白天的吸收。目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（2）電波頻率越低，吸收越大。這是由于電波的頻率越低，其周期（T=1/f）就越長(zhǎng)，自由電子受單方向電場(chǎng)力的作用時(shí)間越長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)速度也就越大，走過(guò)的路程也更長(zhǎng)，與其它粒子碰撞的機(jī)會(huì)也越大，碰撞時(shí)消耗的能量也就越多，因此電離層對(duì)電波的吸收就越大。所以短波天波工作時(shí)，在能反射回來(lái)的前提下，盡量選擇較高的工作頻率。目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖3―4目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)在保證可以反射回來(lái)的條件下，盡量把頻率選得高些，這樣可以減少電離層對(duì)電波能量的吸收。但是，不能把頻率選在fMUF，因?yàn)殡婋x層很不穩(wěn)定，當(dāng)電子密度變小時(shí)，電波很可能穿出電離層。通常選擇工作頻率為最高可用頻率的85%，這個(gè)頻率稱為最佳工作頻率，用fOWF表示，即fOWF＝85%fMUF目前二十八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)（3）一日之內(nèi)適時(shí)改變工作頻率。由于電離層的電子密度隨時(shí)變化，相應(yīng)地，最佳工作頻率也隨時(shí)變化，但電臺(tái)的工作頻率不可能隨時(shí)變化，所以實(shí)際工作中通常選用兩個(gè)或三個(gè)頻率為該電路的工作頻率，選用白天適用的頻率稱為“日頻”，夜間適用的頻率稱為“夜頻”。顯然，日頻高于夜頻。對(duì)換頻時(shí)間要特別注意，通常是在電子密度急劇變化的黎明和黃昏時(shí)刻適時(shí)地改變工作頻率。目前二十九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)3.衰落與分集接收目前三十頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)衰落現(xiàn)象衰落(Fading)現(xiàn)象是指：接收點(diǎn)信號(hào)振幅忽大忽小，無(wú)次序不規(guī)則的變化現(xiàn)象。衰落時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度有幾十倍到幾百倍的變化。通常衰落分為快衰落和慢衰落兩種。慢衰落的周期從幾分鐘到幾小時(shí)甚至更長(zhǎng)，是一種吸收型衰落，主要由電離層電子密度及高度變化造成電離層吸收的變化而引起的?？朔ヂ涞挠行Т胧┲皇窃诮邮諜C(jī)中采用自動(dòng)增益控制。目前三十一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)圖3―5干涉性衰落由于電離層電子密度N及高度不斷變化，使得多條路徑傳來(lái)的電波不能保持固定的相位關(guān)系，因此接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)振幅總是不斷地變化著，這種變化是隨機(jī)的，而且變化很快，故稱為快衰落。波長(zhǎng)越短，相位差的變化越大，衰落現(xiàn)象越嚴(yán)重。目前三十二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于八點(diǎn)克服干涉性快衰落方法之一是采用分集接收(DiversityReceiving)。顧名思義，“分集”二字就含有“分散”與“集合”的兩重含義，一方面將載有相同信息的兩路或幾路信號(hào)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)特性相互獨(dú)立的途徑分散傳輸，另一方面設(shè)法將分散傳輸后到達(dá)接收的幾路信號(hào)最有效地收集起來(lái)，以降低