第十一章 電波在電離層中的傳播課件

第十一章電波在電離層中

的傳播第十一章電波在電離層中的傳播第一節(jié)電離層介紹1.電離層的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

電離層：指80~700km高度范圍內(nèi)自由電子密度較高區(qū)域。

電離層的分層結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)：

根據(jù)大氣中自由電子密度的分布情況，電離層由下至上分為D、E、F三層。在夏季的白天，F(xiàn)層又分為F1和F2層。第十一章電波在電離層中的傳播

各電離層分層的特點(diǎn)D層E層F1層F2層夏季白天高度（ｋｍ）８０～９０９０～１６０１７０～２２０２２５～４５０冬季白天高度（ｋｍ）６０～９０９０～１６０１６０～１８０１７０以上白天最大電子密度（個(gè)／ｍ３）大約２．５１０９大約２１０１１２～４１０１１８～２０１０１１最大電子密度所在的高度（ｋｍ）大約８０大約１１０大約１８０２００～３５０碰撞次數(shù)（個(gè)／ｓ）１０６～１０８１０５～１０６１０４１０～１０３半厚度（ｋｍ）１０２０～２５約５０１００～２００第十一章電波在電離層中的傳播

電離層的變化：（１）電離層的規(guī)則變化：電離層的周期性重復(fù)變化一天中晝夜的周期性重復(fù)季節(jié)性的周期變化以約１１年為周期的太陽活動(dòng)性的變化一般用太陽黑子數(shù)R12表征太陽的活動(dòng)性第十一章電波在電離層中的傳播（２）電離層的反常變化：電離層的非周期性的、不可預(yù)測(cè)的不規(guī)則變化Ｅｓ層的出現(xiàn)

強(qiáng)烈的電離區(qū)，不定期出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為幾小時(shí)。對(duì)于電波傳播來講，有利有弊。電離層騷擾

太陽黑子耀斑爆發(fā)輻射出的極強(qiáng)的紫外線和x射線使電離層的D層電離程度加劇，增加對(duì)電波的吸收損耗，可使通信中斷。但持續(xù)時(shí)間只有幾分鐘。電離層暴亂

太陽黑子耀斑爆發(fā)噴出的大量帶電粒子使電離層的電子分布發(fā)生劇烈變動(dòng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，危害最大。第十一章電波在電離層中的傳播２．電離層的電特性

由于電離層中粒子之間的平均距離遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，所以，電離層可看成一種媒質(zhì)，具有等效電特性參數(shù)

r和。當(dāng)電波通過電離層時(shí)，在電離層中的麥克斯韋方程：第十一章電波在電離層中的傳播1）如果不考慮電子與其它粒子的碰撞，電場(chǎng)力所作的功全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，則電離層具有理想電介質(zhì)的特性第十一章電波在電離層中的傳播

2）考慮電子與其它粒子的碰撞，電場(chǎng)力所作的功部分轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，部分轉(zhuǎn)化為電離層的熱能

設(shè)電子與其它粒子單位時(shí)間內(nèi)的碰撞數(shù)為，并認(rèn)為電子在發(fā)生碰撞時(shí)，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)移給別的粒子，則第十一章電波在電離層中的傳播第十一章電波在電離層中的傳播其中，第十一章電波在電離層中的傳播對(duì)于一般的無線電波，有有頻率的量綱，所以令稱為等離子體頻率第十一章電波在電離層中的傳播3.地磁場(chǎng)對(duì)電離層的影響地磁場(chǎng)產(chǎn)生原因：地球的自傳在地核中所形成的渦旋電流地磁場(chǎng)的特點(diǎn)：1)磁場(chǎng)南北軸線與地球南北軸線間有一夾角，并在不斷變化中；

2)磁場(chǎng)強(qiáng)度也在不斷變化。電離層中的自由電子在地磁場(chǎng)的作用下，將作螺旋運(yùn)動(dòng)電子作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率稱為磁旋頻率，記作fH第十一章電波在電離層中的傳播

當(dāng)某一頻率f的電波進(jìn)入電離層后，由于地磁場(chǎng)的作用會(huì)分解成兩個(gè)波，分別稱為尋常波和非尋常波。尋常波的頻率：非尋常波的頻率：

若考慮地磁場(chǎng)的影響，電離層為各向異性的媒質(zhì)。第十一章電波在電離層中的傳播第二節(jié)電波在電離層中的傳播第十一章電波在電離層中的傳播1.電波在電離層中的傳播速度電波傳播的相速和群速相速：電波等相位面?zhèn)鞑サ乃俣热核伲耗芰總鞑サ乃俣入姴ㄔ谏⒚劫|(zhì)和非色散媒質(zhì)中傳播的不同電波在非色散媒質(zhì)中傳播時(shí)，相速與群速相等； 電波在色散媒質(zhì)中傳播時(shí)，相速與群速不相等。信號(hào)在非色散媒質(zhì)中傳播時(shí)不會(huì)變形； 信號(hào)在色散媒質(zhì)中傳播時(shí)將變形。在非色散媒質(zhì)中，信號(hào)的傳播速度等于相速； 在色散媒質(zhì)中，信號(hào)的傳播速度不等于相速。信號(hào)的傳播速度可以理解為信號(hào)振幅平面移動(dòng)的速度第十一章電波在電離層中的傳播電波在電離層中傳播的速度假設(shè)信號(hào)的頻譜寬度為2△ω，ω0為載頻，則信號(hào)可表示為：如果，則可以將傳播常數(shù)展開為臺(tái)拉級(jí)數(shù)：取前兩項(xiàng)，得第十一章電波在電離層中的傳播第十一章電波在電離層中的傳播Em隨著時(shí)間和空間的改變而改變。但在的面內(nèi)保持不變。所以信號(hào)的傳播速度可以理解為信號(hào)振幅平面移動(dòng)的速度。而群速又可以理解為信號(hào)包絡(luò)移動(dòng)的速度，這時(shí)，群速就代表信號(hào)的傳播速度。第十一章電波在電離層中的傳播∵電離層是色散媒質(zhì)第十一章電波在電離層中的傳播信號(hào)在電離層中的群速恒小于光速，而相速則大于光速第十一章電波在電離層中的傳播2.不考慮地磁場(chǎng)的影響時(shí)，電波在電離層中的傳播電波在單電離層中的折射ZNZmNm單電離層自由電子密度分布的規(guī)律第十一章電波在電離層中的傳播將單電離層分層，使得每一薄層中的自由電子密度近似相等

設(shè)第n層的自由電子密度為Nn，則當(dāng)Z<Zm時(shí)，有當(dāng)將電離層看成理想介質(zhì)時(shí)nnn3n2n0n1ZNZmNm第十一章電波在電離層中的傳播nnn3n2n0n1n0=1n1i1i1i0電波在單電離層中的傳播路徑根據(jù)折射定律，有路徑方向的改變發(fā)生在in=90°的時(shí)候

當(dāng)n隨高度增加時(shí)，路徑向上彎曲；當(dāng)n隨高度減小時(shí)，路徑向下彎曲。第十一章電波在電離層中的傳播電波從電離層反射回來的條件令則當(dāng)入射角時(shí)，即電波垂直地面發(fā)射時(shí)，反射條件為由此可見，頻率越高，要求反射處的電子密度越大。所以，當(dāng)時(shí)，可得到垂直投射的電波能夠反射回來的最高頻率，稱為臨界頻率，記作fc第十一章電波在電離層中的傳播當(dāng)時(shí)，∴斜投射時(shí)，電波能夠反射的最高頻率為結(jié)論：

對(duì)于同一個(gè)入射角，頻率越高，反射高度越高，通信距離越遠(yuǎn)；

f>fmax時(shí)，電波穿透電離層；當(dāng)f接近fmax時(shí)，通信距離最遠(yuǎn)；對(duì)于平面地面，，即入射角越大，可用頻率范圍越寬。第十一章電波在電離層中的傳播地球曲率對(duì)反射條件的影響

由于地球有曲率存在，所以i0達(dá)不到90°。當(dāng)電波沿地表面切線投射時(shí)，電波達(dá)到最大入射角i0max。ZORi0maxi0：地球半徑：電離層下界面到地球表面的距離第十一章電波在電離層中的傳播電波沿地表面切向投射時(shí)，可用頻率范圍最寬電波沿地表面投射時(shí)，反射頻率最高：

但電波沿地表面投射時(shí)，吸收損耗很大，所以實(shí)際中常以一定的仰角△進(jìn)行投射。第十一章電波在電離層中的傳播以一定仰角投射時(shí)，電波能夠反射的最高頻率：由正弦定律，得在實(shí)際中，考慮了地球曲率后，第十一章電波在電離層中的傳播4)電離層的臨界頻率和最高反射頻率F2層的臨界頻率就是電離層的臨界頻率。F2層的最高反射頻率就是電離層的最高反射頻率。實(shí)測(cè)：第十一章電波在電離層中的傳播結(jié)論波長(zhǎng)小于7.5m的電波不能從電離層反射波長(zhǎng)大于19m的電波在任何入射角都能反射回來波長(zhǎng)在7.5m~19m范圍內(nèi)的電波只能在一定的入射角時(shí)才能反射回來，當(dāng)入射角小于一定值時(shí)電波將穿透電離層第十一章電波在電離層中的傳播3.各波段電波在電離層中的傳播特性超短波（1mm<λ<10m）

電離層對(duì)超短波來講是透明的，超短波在電離層中會(huì)發(fā)生散射、折射和色散。利用散射作用有可能實(shí)現(xiàn)電波的遠(yuǎn)距離傳播短波（10m<λ<100m）

電離層對(duì)短波傳播有著特殊的作用。利用電離層的反射可實(shí)現(xiàn)短波的遠(yuǎn)距離通信。3<f<30MHz第十一章電波在電離層中的傳播中波（100m<λ<1000m）

中波白天穿過D層時(shí)，被全部吸收，因此白天不能由電離層反射。夜間D層消失，中波能由E層反射傳播較遠(yuǎn)的距離。E層長(zhǎng)波（1000m<λ<10000m）

電離層對(duì)長(zhǎng)波來講是良導(dǎo)體，長(zhǎng)波可在由電離層和地表面組成的大氣波導(dǎo)中來回反射而傳播到很遠(yuǎn)的距離。但長(zhǎng)波在電離層中的反射損耗較大。第十一章電波在電離層中的傳播

對(duì)長(zhǎng)波來講，接收點(diǎn)總的場(chǎng)強(qiáng)ER應(yīng)是地波場(chǎng)強(qiáng)Eg和天波場(chǎng)強(qiáng)ES的矢量和。ER的幅值為：的相位差經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)f>50kHz，需考慮對(duì)流層不均勻性的影響