微波与天线结课论文

2 ������ ������ 2 ������������
(2-9)
式中， ω 为电磁波角频率，f 和 fp 分别为电磁波频率和等离子体频率。 由以上式子，可以得到：当 ω < ������������ 时，������ 2 < 0 ，k 为纯虚数。此时人射到
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等离子体上的电磁波都将被反射回去。当 ω > ������������ 时，k 为实数，电磁波可以在 其中传播。因此，将 ω = ������������ ，即 f = ������������ 时的频率 f 称为临界频率，用 fc 表示： ������������ = ������ ������ =
������ 2 ������������ 4������ 2 ������ ������ 0 1 2 = 8.9787 × 10−6 ������������ (������������������)
(2-10)
大气折射指数 n 为： n = (1 − 式中，f 的单位为 MHz。 大气折射率 N 可以表示为： N = (n − 1) × 106 (2-12)
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电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度 和离子成分等空间分布的基本参数来表示。 但电离层的研究对象主要是电子密度 随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度 的变化与各高度上大气成分、 大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内 任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不 同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。 根据卡普曼(Chapman)理论,单一大气成分在太阳竊射单色光电离的情况下， 单位体积电子生成率为: q h, x = ησ n(h)I (1-1) 式中，n，σ ，h和 x 分别为该成分的电离效率,吸收截面,高度及太阳天顶角。n(h) 为该大气成分密度随高度的分布。I 是传入大气层的单位面积太阳辐射能 流，且： I = I∞ exp[−τ(h, x)](1-2) τ h, x = σ n h H secx(1-3) 其中， 式(2-3)表征太阳福射的衰减速度， 称为大气光学厚度， H 为标高。 由(2-2)， (2-3)两式可知当 n(h)增大时，I 减小，也就是说 n(h)与 I 随着高度的增大而分别增 大或减小。再由(2-1)式可知，在某一高度时,生成率 q(h,x)存在一个极值，表示电 离层存在分层结构。 大气各成分随高度的分布与吸收截面及电离效率均不同，并与波长有关。 同时，太阳电离辐射具有一定的谱分布，其能深入大气层内的高度也各不相同。 因此,电离层形成了随高度的多层分布结构。电离层的分层状况以及各层电 子密度峰值大小随时间（日、季节和太阳周等） 、地理位置（极区、极光带、中 纬度以及赤道）和太阳活动（太阳耀斑等）的变化非常大。 常规状态下，电离层主要分 D、E、F1、F2 四层结构,其主要状态参数如下表 所述。
图 1-1 白天和夜晚电离层电子浓度剖面
2． 微波电离层传输理论 具有等离子体特性的电离层由离子、 电子等组成当电磁波在其中传播时电子和离 子都要受到电磁场的作用而运动，略去离子的运动和磁场的作用， 暂不考虑微波 传播过程中可能引起的非线性效应。 此时在电离层中某一高度传播的微波可视为 单色平面波，其电场强度可表示为 E = ������0 ������ ������ (������ ∙������ −������������ ) (2-1)
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浓度剖面。由图可知，在白天各层电子浓度普遍比黑夜大，尤其是 E 层左右变 化特别明显，差异最大可达三个数量级。日间电离层主要是在太阳的紫外和 X 射线辐射作用下形成的，辐射连续且稳定，紫外谱决定着 E 层和 F 层的电离，X 射线对 E 层和 D 层有着很大的影响。在夜间，D 层消失，E 层靠地冕的紫外 辐射和来自高层的粒子沉降和微粒电离来维持。可见，电离层中的物理过程不 光随着高度的变化而变化，其随着时间的变化也较明显。
2 ������ 2 = ������ 2 (������2 − ������������ ) 2 ������������ = ������������ ������ 2 ������ 0 ������ 1 ������ 2 ������ 2 ������������
0 ������ 2
+ ����hm 为各层电子浓度峰值所在的高度，Nm 为各层电子浓度峰值。 D 层是电离层最低的一层，离地球表面 50 至 100 公里。这里主要是波长为 121.5 纳米的来曼-α 氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过 50 个黑子） ，硬 X 射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造 成一个剩余电离。 这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较 低， 从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约 为每秒 1000 万次。10MHz 以下的电波会被 D 层吸收，随着电波频率的增高这个 吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D 层 最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。 E 层是中层，在地面上 100 至 150 公里。这里的电离主要是软 X 射线和远紫 外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于 10MHz 的电波，对频率高于 10MHz 的电波它有吸收的作用。E 层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。 夜间 E 层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此 其高度开始上升。 高空周日变化的风对 E 层也有一定影响。 随着夜间 E 层的升高， 电波可以被反射到更加远的地方。 F 层在地面以上 150 至超过 500 公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长 10 至 100 纳米）电离单原子氧。F 层对于电波传播来说是最重要的层。夜间 F 层 合并为一个层，白天分为 F1 和 F2 两个层。大多数无线电波天波传送是 F 层形成 的。在白天 F 层是电离层反射率最高的层。 电离层各层之间的性质有很大的差异，且各层随着时间的变化，它们白天 与黑夜的性质也差异很大，下图 1-1 给出中纬度地区典型的白天与黑夜的电子
微波与天线结课论文
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微波在电离层的传播特性
【摘要】微波频率很高，容易实现定向通讯，在电离层中传播时会受到大气折射 的影响，其传播方向发生改变。因此，微波在电离层的传播特性主要由大气折射 率的变化决定。 而大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关。通过对线性条件 下电离层临界频率和大气折射率公式的推导， 并结合电离层电子浓度经验分布模 型对电子浓度和大气折射率进行数值模拟， 进而对电离层大气折射率的高度剖面 图及其变化特性进行了分析。 微波频率很高，容易实现窄波束定向通信， 视距传播能穿透电离层实现卫星 通信， 但其在电离层中传播时由于受大气折射的影响， 波束的传播方向会产生弯 折， 传播速度也会改变。 从地面向高空中的卫星发射微波时要考虑微波在大气中 的传输轨迹， 以便调整天线的发射角度以及计算微波在传输过程中的衰减，以在 设计天线时留有足够的功率余量。 通过研究微波随电离层中的大气折射率变化的 特性可以得到其传播的宏观特性和规律。 1．电离层介质特性相关理论 1.1 电离层的形成与分层结构 电离层（Ionosphere）是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层 的内界。60 千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电 离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。 电离层的形成是太阳辐射与地球上层大气原子和分子相互作用从而使大气 电离的结果。正常情况下，高层大气分子和原子大多呈中性，在太阳辐射和高能 粒子流的作用下，部分气体分子和少量原子会发生电离，从而形成由原子、正离 子、中性分子及原子等组成的等离子体。 在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附 着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场 的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的 迁移。在 55 公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失 很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主 要受地球磁场的控制，称为磁层。
等离子体在宏观上具有保持电中性的趋势，但在局部会引起电荷分离，这样 破坏了原本的电中性， 电子受到扰动会像一个方向移动一段距离。 这时相反的方 向上正电荷过剩,因而产生了静电场，这个电场组织电子因扰动偏移，并作用电 子向相反方向运动，由于惯性。电子又会产生反方向的偏移，这样来回往复，形 成了薄层电子围绕其平衡位置的静电振荡。 假设忽略粒子的热运动，且不存在磁场，振荡存在于正离子和电子之间，因
������ z ������������ ������ 2 ������
=
−������������0 ������������������
������ ������ (������ ∙������ −������������ ) = ������������������
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−������������
(2-3)
设电子密度为 Ne（个/m ） ，则电离层中的传导电流密度为：
������ ������������ = ������������ ������ ������������ = − ������������������ ������ (2-4)
������������
������ ������ 2
0.8046 ×10 −10 ������������ ������ 2
)^(2)(2-11)
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由式(2-11)、(2-12)可知，测出 Ne 即可计算得到折射指数 n 和折射率 N。对 给定频率的微波， 其在电离层中传输时的介电常数 ε 和大气折射率 N 仅与传输高 度上的电子密度有关（线性条件下） 。因此，通过研究电离层的电子浓度随高度 分布的模式，就可以得到折射率 N 随高度变化的规律。 3．电离层电子浓度分布理论模型 电离层随着时间(昼夜、季节、年周期)和空间(维度、经度、高度)的变化而 变化， 电离层中电子浓度也随之变化。 实际的电子浓度变化复杂， 多样且不均匀， 电子浓度最大的区域既不在电离层最上层，也不在电离层最下层。在低电离层， 气体分子密度较小，产生电离情况也小，电子浓度偏低，电子浓度随高度升高而 上升，到达一定高度时电子浓度产生极大值，然后随着高度上升而减小。 假定只有一类被电离的粒子和由单色辐射使这些粒子电离， 当温度 T 为常数 时，中性粒子的高度关系可用如下的公式描述： n = ������0 exp⁡ ( ������ ) 对于平面地球,电子产生率 J 可由下面的公式描述: J = ������������ 0 exp 1 − ℎ − ������ −ℎ ������������������������ = ������(������ , ������, ������, ������) (3-2) 式(3-2)中 J 是高度 z 、 太阳赤纬������ 、 观测点对北极的角距������ 和时间 t 的函数。 ������ 为 太阳天顶角，对太阳平纬来说，������ 太阳赤纬时角以及黄纬的函数。