电离层无线电波传播
电离层对高频电波传播的影响研究
电离层对高频电波传播的影响研究1. 本文概述本文旨在深入研究电离层对高频电波传播的影响。
电离层，作为地球大气层的一部分，由太阳紫外线、射线和太阳风等太阳活动引起的气体电离形成。
这一区域的存在对高频电波（如无线电波、微波等）的传播特性具有显著影响，尤其在无线通信、雷达探测、卫星通信等领域具有广泛的应用价值。
本文将首先介绍电离层的基本结构和特性，包括其形成机制、电子密度分布、以及在不同时间和地点的变化规律。
接着，本文将重点分析电离层对高频电波传播的主要影响，包括信号衰减、折射、散射等现象，以及这些现象对电波传播路径、传播速度和信号质量的影响。
本文还将探讨电离层变化对高频电波传播的影响，包括电离层扰动、电离层暴等极端天气事件对电波传播的影响，以及这些影响对无线通信、雷达探测等实际应用的影响。
2. 电离层特性及其动态变化电离层，也称为电离层或电离大气层，是地球大气层的一部分，其中气体分子和原子因太阳紫外线、射线和太阳风等太阳活动的影响而被电离。
这层电离的大气对高频电波传播有着重要的影响。
电离层的主要特性包括其电子密度、离子密度、温度、压力和高度等。
电子密度是决定电离层对电波吸收和折射性质的关键因素。
电离层的电子密度会随着时间、地理位置、太阳活动等因素的变化而变化，这种变化对高频电波的传播特性有着直接的影响。
电离层的动态变化主要包括昼夜变化、季节变化、太阳活动周期变化等。
昼夜变化是由于太阳照射引起的电离层电子密度的日变化和夜变化。
季节变化则是由于地球围绕太阳旋转，导致不同地区在不同季节受到太阳照射的影响不同，从而影响电离层的电子密度。
太阳活动周期变化则是指太阳活动的强弱对电离层的影响，通常在太阳活动高峰期，电离层的电子密度会增加，对电波传播的影响也会增强。
电离层的动态变化不仅会影响高频电波的传播路径，还会引起电波的衰减、折射、散射等现象。
例如，电离层中的电子会对电波产生吸收作用，导致电波能量衰减电离层中的电子密度梯度会导致电波发生折射，改变电波的传播方向电离层中的不规则结构则会引起电波的散射，使电波的能量分布更广。
无线电波的传播特性
无线电波的传播特性（一）移动通信的一个重要基础是无线电波的传播，无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长 1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等。
为了更好地说明移动通信的问题，我们先介绍一下电波的各种传播方式：1. 表面波传播表面波传播是指电波沿着地球表面传播的情况。
这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响电波的传播。
当电波紧靠着实际地面--起伏不平的地面传播时，由于地球表面是半导体，因此一方面使电波发生变化和引起电波的吸收。
另一方面由于地球表面是球型，使沿它传播的电波发生绕射。
从物理知识中我们已经知道，只有当波长与障碍物高度可以比较的时候，才能有绕射功能。
由此可知，在实际情况中只有长波，中波以及短波的部分波段能绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方。
在短波的部分波段和超短波，微波波段，由于障碍高度比波长大，因而电波在地面上不绕射，而是按直线传播。
2. 天波传播短波能传至地球上较远的地方，这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释。
直到1925年，利用在地面上垂直向上发射一个脉冲，并收到其反射回波，才直接证明了高层大气中存在电离层。
籍此电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方。
我们把经过电离层反射到地面的电波叫作天波。
电离层是指分布在地球周围的大气层中，从60km以上的电离区域。
在这个区域中，存在有大量的自由电子与正离子，还可能有大量的负离子，以及未被电离的中性离子。
发现电离层后，尤其近三四十年来，随着火箭与卫星技术的发展，利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究。
当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分，其研究的空间范围和频段也日益宽广。
在电离层中，当被调制的无线电波信号在电离层内传播时，组成信号的不同频率成分有着不同的传播速度。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式电离层对电波传播的影响面对二十多个业余波段，究竟该用哪一段?春夏秋冬阴晴雨雪对通信会有什么影响?当你对这些问题打算亲自体验一番之前，应该对无线电波的传播规律及各业余波段的特点等等先做些“调查研究”，这样才能事半功倍。
一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1)地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2)天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3)空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4)散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1.电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
无线电波的传播方式
无线电波的传播方式一、无线电波的传播方式无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后，是经过不同的传播路径到达接收点的。
人们根据这些各具特点的传播方式，把无线电波归纳为四种主要类型。
1）地波，这是沿地球表面传播的无线电波。
2）天波，也即电离层波。
地球大气层的高层存在着“电离层”。
无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。
因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。
我们把这种经电离层反射而折回地面的无线电波称为“天波”。
3）空间波，由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。
有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
4）散射波，当大气层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波。
在业余无线电通信中，运用最多的是“天波”传播方式，这是短波远距离通信向必要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信，而地波传播“般只用于低波段和近距离通信。
二、电离层与天波传播1．电离层概况在业余无线电中，短波波段的远距离通信占据着极重要的位置。
短波段信号的传播主要依靠的是天波，所以我们必需对电离层有所了解。
地球表面被厚厚的大气层包围着。
大气层的底层部分是“对流层”，其高度在极区约为九公里，在赤道约为十六公里。
在这里，气温除局部外总是随高度上升而下降。
人们常见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响。
在离地面约10到50公里的大气层是“同温层”。
它对电波传播基本上没有影响。
离地面约50到400公里高空的空气很少流动。
在太阳紫外线强烈照射下，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成了自由电子和离子，即电离层。
由于气体分子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。
无线电波传播方式与各频段的利用
无线电波传播方式与各频段的利用无线电通信是利用电磁波在空间传送信息的通信方式。
电磁波由发射天线向外辐射出去，天线就是波源。
电磁波中的电磁场随着时间而变化，从而把辐射的能量传播至远方。
无线电波共有以下七种传播方式（附图为无线电波传播方式示意图）。
（1）波导方式当电磁波频率为30kHz以下（波长为10km以上）时，大地犹如导体，而电离层的下层由于折射率为虚数，电磁波也不能进入，因此电磁波被限制在电离层的下层与地球表面之间的空间内传输，称为波导传波方式；（2）地波方式沿地球表面传播的无线电波称为地波（或地表波），这种传播方式比较稳定，受天气影响小；（3）天波方式射向天空经电离层折射后又折返回地面（还可经地面再反射回到天空）的无线电波称为天波，天波可以传播到几千公里之外的地面，也可以在地球表面和电离层之间多次反射，即可以实现多跳传播。
（4）空间波方式主要指直射波和反射波。
电波在空间按直线传播，称为直射波。
当电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，还会像光一样发生镜面反射，称为反射波。
（5）绕射方式由于地球表面是个弯曲的球面，因此电波传播距离受到地球曲率的限制，但无线电波也能同光的绕射传播现象一样，形成视距以外的传播。
（6）对流层散射方式地球大气层中的对流层，因其物理特性的不规则性或不连续性，会对无线电波起到散射作用。
利用对流层散射作用进行无线电波的传播称为对流层散射方式。
（7）视距传播指点到点或地球到卫星之间的电波传播。
附表给出了从甚低频（VLF）至极高频（EHF）频段的电波传播方式、传播距离、可用带宽以及可能形成的干扰情况。
序频段名号称 4 5 甚低频（VLF）低频频段范围 3-30kHz 传播可用干扰传播距离方式带宽量波导数千公里利用极有宽扩世界范围长距离无线限展电导航 30-300kHz 地波数千公里很有宽扩长距离无线电民航战（LF） 6 7 天波限展略通信中频地波宽扩中等距离点到点广播300-3000kHz 几千公里适中（MF）天波展和水上移动高频（HF） 3-30MHz 天波几千公里宽有限长和短距离点到点全的球广播，移动空间波对短和中距离点到点移甚高频几百公里有限8 30-300MHz 流层很宽动，LAN声音和视频广（VHF）以内的散射播个人通信绕射空间波对短和中距离点到点移特高频流层100公里有限9 300-3000MHz 很宽动，LAN声音和视频广（UHF）散射以内的播个人通信卫星通信绕射祝距超高频（SHF）短和中距离点到点移通常30公里左动LAN声音和视频广视距很宽是有右播移动/个人通信卫限的星通信 10 3-30GHz 通常短和中距离点到点移极高频 11 30-3000GHz 视距 20公里很宽是有动，LAN个人通信卫星（EHF）限的通信在确定无线电系统实际通信距离、覆盖范围和无线电干扰影响范围时，无线电传播损耗是一个关键参数。
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完整版本
沿垂直方向，电离层分为四个特征区域，在垂测的电离图上，它们有
不同的特征。不同的层之间并没有明显的边界或极小。主要的四个区
域是 D 区、E 区、F1 区和 F2 区。F1 区和 F2 区有时也统称为 F 区。
在白天，四个层区的大致高度范围和电子密度为：
D 区 60-90km，
108 -1010m-3
而增加。可见，上述两种因素随高度变化的倾向相反。
由此可以推断，电离密度还应该随高度变化，并且电离密度可能在某个高度上存在一
个极值。
在电离层发现的初期，Chapman 最早研究了电离层生成理论。研究结 果得到 Chapman 电离生成函数。它可以在理论上预测具有单一层状 结构的电离层高度剖面的形状及其在一天里如何随天顶角变化。 按照 Chapman 生成理论，电子-离子对的生成率与电离辐射强度、中 性气体成分的密度、中性气体的辐射吸收截面以及电离效率这四个 因素有关。 这样得到电子-离子对的生成率为
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、O 和 H。 在中低纬，电离所需要的能量主要来自太阳的远紫外和 X 射线 辐射。 光电离产生的电子-离子对，既可能通过复合消失，也可能与其 它气体成分重新反应产生新的离子，还可以通过扩散或漂移从 一处运动到另一处。这样，就存在一个动态平衡，局部区域内， 带电粒子密度的时间变化依赖于生成、消失和输运过程的平衡。
q nI ，
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。
无线电波传播
无线电波传播无线电波通过介质或在介质分界面的连续折射或反射，由发射点传播到接收点的过程。
无线电通信是利用无线电波的传播特性而实现的。
因此，研究无线电波的传播特性和模式，是提高无线电通信质量的重大课题。
传播模式通常指电磁波在各种介质中传播的一些典型方式。
在地球上，无线电波的传播介质有地壳、海水、大气等。
根据物理性质，可将地球介质由下而上地分为地壳高温电离层、地壳介质岩层、地壳表面导电层、大气对流层、高空电离层。
不同频率的无线电波，在各层介质中传播的折射率n和吸收衰减常数ɑ各不相同。
因而各种频段的无线电波在介质中传播均有其衰减较小的传播模式。
适于通信的传播模式主要有以下九种。
地壳波导传播以地壳表面导电层和地壳高温电离层为界面，以地壳介质岩层为介质形成地壳波导的传播模式。
超长波或更长波段的电波可以在地壳波导中传播到千余公里。
但由于深入地下数公里的天线难以建造，现在还不能实际应用于通信。
水下传播无线电波在海水中传播的传播模式。
电波在海水中的吸收衰减随频率升高而增大，目前仅用于超长波水下通信。
地表波传播无线电波沿地壳表面传播的传播模式，又称地波传播。
地面吸收衰减导致波阵面前倾，使单位距离吸收衰减率随传播距离的增大而增大。
地面吸收衰减随频率升高而增大。
地波传播无线电波传播无线电波传播用于中频（中波）以下频段。
电离层传播利用电离层和地面对电磁波的一次或多次反射进行传播的传播模式，又称天波传播。
电离层按高度由下而上地分为D、E、F1和F2等几个主要层次。
各个层次中部的电子密度最大值由下而上逐层增加，而电子和中性气体分子的单位时间碰撞次数则逐层减少。
电离层的高度和电子密度均随季节、昼夜和太阳黑子活动而变化（见图）。
无线电波只能在折射率n值随高度递减的区域开始折返地面，电波途径最高点处的折射率n值等于电波入射角θ0的正弦函数。
对应于某一折射角，存在一个最高频率，其传播途径的最高点可以达到F2层的最大电子密度区。
此频率称为最高可用频率MUF。
电离层及通信
军事卫星通信系统的未来发展 为实现未来军事卫星通信系统的发展， 最直接的是采用EHF频段和更完善的星上处理 技术， 以及使天线更好地适应战术情况的变化需要，提供灵活覆盖，改善抗干扰性， 具 备为 生存而重构网络的能力， 以及更有效的按需分配技术和抗核效应与抗实际进攻的保 护能力。 4．1提高星上处理能力 因为存在许多小型终端来的跳频上行链路信号和按频分多址方式 工作的许多站址，所以 采用EHF频段的宽频带是有效的，那束需要采用抗大量战术终端干 扰的保护措施是预科中 的事。其他的星上处理技术，如基带解调和星上数据路由选择也是可预见要发展的技术。 将来发展的关键是天线技术。除发展下行链路天线，包括电子扫描多波束天线外，对于 上行链路接收将需要更完善的阵列天线。这些技术与高增益和星上频率复用技术一起，可 提 供高的抗干扰性。采用自适应方案也将有助于识别干扰信号和所需信号，而所需的信 号可以 通过采用保密与扩展频谱方式加以识别。在航天器上，相控阵天线会得到预期的 发展。 4．2 E1tF技术 当今大部分军用卫星通信系统工作在SHF (7／8GHz)频段，预计EHF频段将在 未来 的军用卫星通信系统中大量开发。使用EHF额段将会对军事用户带来很多好处，它的 频段 分配是上行链路43．5到45．5GHZ， 下行链路是2O．2到21．2GHz。2GHz的上行链 路带宽 将使处理增益提高j而处理增益将由于星上消去扩展技术而进一步得到改善。为了 电子反干 扰的需要，EHF频段在对小型终端随频率提高而增大EI RP的方面很有优势，对于 大型终 端(干扰源)却达到了实际上的限制。EHF的宽频带还可以允许具有较高的业务容量， 以 及具有不受卫星轨道间隔限制的相对自由度。小型战术终端天线将可具有窄的波束。 较小的 硬件尺寸和重量将更有助于星上采用完善的自适应天线。开发先进EHF技术的费用， 预计 将随着今后几年内少数几个国家开始EHF频段的卫星通信而下降。
电离层对波段
电离层对波段
电离层对无线电波传播的影响较大，其影响主要涉及以下波段：
1.短波段（3-30MHz）：这是实现远距离广播和通讯的适宜波段，在电离层处
于正常的状态下，它正好处于最高可用频率和最低可用频率之间。
但此波
段多径效应的存在会使电波信号衰落过大；电离层突然骚扰和电离层暴，
对电离层广播和通讯会造成严重影响，甚至会使信号中断。
2.中波段（300-3000KHz）：广泛应用于近距离广播和通讯。
电离层中经常存
在尺度为几十米至几百千米的不均匀体，能引起中波与短波的快速衰落、
甚高频段电波的前向散射和卫星信号的相位闪烁。
这些随机的传播效应会
对电子系统的精度造成一定影响。
此外，无线电波在电离层传播时，会受到折射、反射、散射并被吸收而使部分能量损失于传播介质中。
为什么在电离层中可以传播无线电信号？
为什么在电离层中可以传播无线电信号？一、什么是电离层中的无线电传播无线电信号是通过电磁波的传播实现信息传输的一种方式。
而无线电波在传播过程中，最重要的一个环节就是经过大气层中的电离层。
电离层是指地球大气层中某些高度范围内存在大量离子的区域。
在这个区域中，由于阳光的辐射作用，大气层中的气体会产生离子和自由电子，形成离子层和电子层。
当无线电波通过电离层时，会受到电离层的影响，发生折射、反射和散射等现象，从而实现了信号的传播。
二、电离层中的无线电信号传播原理1. 折射作用：当无线电波从一个介质进入到另一个介质时，会发生折射现象。
电离层中的无线电信号会由于电离层中气体密度的不均匀分布而发生折射，使得信号的传播路径发生改变。
2. 反射作用：电离层中的无线电信号在与电离层边界相交时会发生反射。
这可以使得信号沿着大气层顶部的离子层反射，传播到较远的地区。
3. 散射作用：电离层中的无线电信号会与自由电子和离子发生散射作用。
根据散射的角度不同，信号可以在不同的方向上进行传播。
三、为什么只有在电离层中才能传播无线电信号由于电离层中存在大量的自由电子和离子，使得电离层成为了无线电波的传播介质。
在地球表面附近的对流层中，由于气体分子的碰撞频繁，无线电波很难通过。
而在电离层中，由于气体分子相对较稀薄，无线电波能够较为自由地传播。
此外，电离层的高度和密度也对无线电信号的传播产生了重要影响。
电离层的高度一般在50-1000千米之间，不同的频率对应着不同的电离层层次。
不同的电离层层次对无线电信号的传播起到了筛选作用，使得不同的频率的信号能够在不同的层次中传播。
从而实现了长距离的无线电通信。
综上所述，电离层中的无线电信号传播是通过折射、反射和散射等现象实现的。
由于电离层中存在大量的离子和自由电子，使得电离层成为了无线电波的传播介质。
而地球表面附近的对流层则由于气体分子的碰撞频繁，无法有效地传播无线电波。
因此，电离层中的无线电信号传播在现代通信中具有重要的意义。
浅谈电离层对短波的影响
低３ － ４ Ｍｈ ｚ 。 当频 率 为 １ ． ４ Ｍｈ ｚ时 ，周 围 的 电波
会与 电离层 中的自由电子 的振动产生谐振 ，并
３ 电离层对短波的影响
电离层 是一种 有耗 媒质 ，它会 随 时空变
为 四种 ：地面反射损耗 电离层吸 收损耗 、自
导致谐振被大量吸收 。所 以天波通信时工作频 率必须大于 ２ Ｍｈ ｚ 。
电离层一般就 是指离 地面 ６ Ｏ千 米 以 上 的
． ３一天之 内适 当改变工作 频率 化发生耗损 ，而影响耗损 的因素很 多，主要 分 ４
高 空的一个大气 区域 ，这个 区域的大气层 都处 于部分 电离或完全 电离的状态 ，在 这部分 区域
里 有 着 非 常 丰 富 的 自 由 电子 和 离子 ，这 些 电子 与 离 子 影 响 着 无 线 电波 的传 播 速 度 ， 并对 无 线
是高低波重合的特殊情形，在地面上 ４ 点附近
能量集中 ， 称为前沿聚焦 从 ４ 到发射点之间 ，
天波不能到达 ，的最高频率 。通
信频率必须低于最高可用频率，这样才能够减
少电波穿出电离层问题的发生。最高可用频率 与电离层电子密度成正比，电离层 电子密度 越 大，最高可用频率也就越大 。 ４ ． ２短 波天波通信频率需 高于的最低可用频率
先随仰角 的变小而渐渐与发射点靠近 ，如射线
由于 电离层 是 由太 阳辐 射构 成， 因此 电 离层 的高度 以及密度是随着太阳 的照射而变化 的， 因此通过天波传播 的短波信道及其不稳定 ，
由此 可 见 短 波 天 波 通 信 工 作 频 率 的 选 择 是 极 为
１ ． ３ 。到达距离最近 的是射线 ４ 。当仰角继续 降
无线电波的传播和接收方式
无线电波的传播和接收方式随着技术的进步，无线电波已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
在这个信息时代，无线电信号传输已经成为了必备项。
因为，利用无线电通信技术可以实现无线电视、无线电话、无线宽带上网、电子邮件、短消息传输服务、卫星定位系统等等应用。
但是无线电波传播的方式千奇百怪，面对如此多的传播方式，你是否有些懵懂呢？这就需要我们来了解无线电波传播的方式和接收技术。
1. 电离层反射电离层是指地球大气圈中，紫外线、X射线和伽马射线等产生的电离作用所形成的电离带。
普通大气中没有电离，而电离层中的气体分子或原子被电离后，它们中的电子和游离氧原子中的自由电子形成了电子云层，层内电离度比较高，具有导电性。
当发射天线向电离层海拔较高处发送无线电波时，发射的无线电波被电离层反射后，向地面传送。
此时，反射的电离层电平决定了反射波的电平。
2. 折射当无线电波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的密度不同，无线电波的传播速度也会随之改变。
此时，无线电波为遵循折光定律而改变方向，这种现象叫做折射。
而且，无线电波的频率越大，波长越短，传播速度越快。
因此，高频无线电波的折射效应更显著。
3. 散射散射是指无线电波在碰到物体时，按照原来的方向反射，但是散射后的无线电波将分散到几个方向，而不是集中反射到一个方向。
其中，散射现象最常见的就是水雾的散射，此时，水滴会将无线电波分散到各个方向，再返回天线。
4. 多径传播多径传播是指多条路径的电磁波在混合后传到接收器处，破坏了原有信号的规律性，使得接受信号在时间和空间上产生了随机性。
这种现象常见于城市、山区或直升飞机等障碍物多的地方。
接下来我们来了解无线电波接收方式：1. 无线电接收机无线电接收机，是利用振荡电路、放大电路、检波电路等电路组成的电子设备，它的作用是将无线电波转换成音频信号。
而无线电波接收的效果，主要由以下四个因素决定：1、接收机的灵敏度2、接收机的选择性3、抗干扰能力4、接收机的随机变化因素2. 手机接收手机的无线电波接收是比较常见的，它利用了无线电波经历折射、反射、散射等方式传播的特性。
电离层物理与电波传播10
几个重要的人物：
麦克斯韦：1831年6月出生于英国爱丁堡。
麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的 伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、 毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实 验成果，1873年建立了第一个完整的电磁理论体 系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示 了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理 学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果， 奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业 的基础。
程组适用于物理性质连续的区域。在传播介质的分界面上，介质的电磁性质
存在突变，此时需要附加边界条件或衔接条件来描述电磁波场的行为。
在介质中，麦克斯韦方程组包括以下四个方程，即，
E B / t
D
H D / t J
B 0
式中 E 、 H 、 D 和 B 分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁感应强
E
10 P
1
0
1
0
T
T P ，定义为等效电荷密度
式中 P / t 和 P 分别是极化电流和极化电荷。
电磁波动方程
先讨论均匀、各向同性介质和无源的情况。此时，介电常数和磁
导率是标量常数，电荷密度=0，电流密度 J 0 。
从麦克斯韦方程组出发，对电场强度的旋度再取旋度，
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，
无线电波频率运动对电离层通信影响探索
无线电波频率运动对电离层通信影响探索电离层通信技术是一种利用电离层反射和折射无线电波进行远距离通信的技术。
然而，电离层通信受到许多因素的影响，其中之一是无线电波频率运动。
本文将探讨无线电波频率运动对电离层通信的影响，以及可能的解决方案。
首先，让我们了解什么是电离层通信。
电离层是地球上大气层的一部分，在大约60至1000千米的高度上存在。
电离层由大量的游离气体分子组成，可以反射和折射无线电波。
由于电离层的特性，电离层通信可以实现远距离的无线电通信，例如雷达、无线电广播和卫星通信。
然而，无线电波频率运动对电离层通信产生了影响。
这是因为电离层中的游离气体分子的运动引起了无线电波频率的扰动。
具体而言，无线电波在传播过程中受到电离层中电子密度变化的影响，从而导致无线电波的频率发生变化。
这种频率变化称为电离层频率扰动。
电离层频率扰动对电离层通信产生了多种影响。
首先，它会导致信号衰减。
频率的变化会导致信号与接收器之间的不匹配，从而造成信号损失。
其次，频率扰动还会导致信号的时延。
由于频率变化，信号需要更长的时间才能到达接收器，这会影响通信的实时性和延迟。
为了解决这些问题，科学家们进行了广泛的研究和实验，以提高电离层通信的可靠性和稳定性。
一种解决方案是采用自适应波束形成技术。
自适应波束形成技术是一种通过电离层的参量测量和模型来调整波束方向和形状的技术。
通过实时跟踪电离层的频率扰动情况，可以调整波束形状，从而减轻频率扰动对通信的影响。
另一种解决方案是利用多路径传播。
电离层通信中的多路径传播是指无线电波通过电离层的多条路径传播，其中一条路径受到频率扰动的影响较小。
通过利用多条路径传播，可以降低频率扰动对通信的影响。
此外，还可以采用信号处理技术来抑制频率扰动。
信号处理技术可以在接收到的信号中检测和补偿频率扰动，从而恢复信号的原始频率。
通过使用这些技术，可以提高电离层通信的可靠性和稳定性。
除了以上的解决方案，还可以通过频率规划和频率管理来减少电离层频率扰动对通信的影响。
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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。
电离层的电子密度随高度的变化具有分层结构（见电离层结构），因此从地面向上传播的电波受到折射后传播路径逐步弯曲，最后转向地面；从而使地面上的远距离传播成为可能。
较高频率的电波，穿透电离层的程度也较深，受折射影响偏离直线传播的程度则较小。
电波频率超过某一数值时将穿透整个电离层而不被反射。
在垂直投射时，对应这一频率的值就是电离层最大电子密度处的临界频率。
在斜投射的情况下，也有一个大于上述垂直投射时临界频率的临界值，称为最高可用频率,用MUF表示，只有当使用的电波频率低于它时，电波才能返回地面。
显然MUF与电波的投射角度有关,仰角愈小，MUF愈大，传播的距离也愈远。
电波的吸收电离层对电波有衰减作用，称为电离层的吸收，主要是由电子与大气的分子或原子的碰撞所引起,所以吸收主要发生在低电离层（即D层）内。
同时，在电波被电离层反射的区域，由于那里能量的传播速度较慢，经受吸收的时间较长，遭受的吸收也往往不能忽视。
这一区域的吸收常被称为偏离区吸收；相对地在电波路径弯曲不大的那部分引起的吸收称为非偏离区吸收。
电离层对电波吸收的分贝数与频率的平方成反比，由于非偏离区吸收是主要的，所以在短波通信中多采用较高的频率或进行夜间通信。
对于一定的传播电路、一定的信号形式和调制方式、一定的噪声和干扰水平、一定的发射功率和接收机性能，以及一定的通信质量要求，使用的频率有一个下限，称为最低有用频率，用LUF表示。
短波传播3～30兆赫为短波范围,它是实现电离层远距离通信和广播的最适当波段，在通常的电离层状况下，它正好对应于最高可用频率和最低有用频率之间。
在地面两点之间，无线电短波段在电离层中的传播可以采取如图[无线波短波在电离层中的传播路径]所示的多种路径。
假如从天线斜向发射一束电波，其频率大于发射点上空的临界频率。
波束中仰角高的射线可以垂直或略微折射穿透电离层；仰角稍低的射线则如图中1～9经反射回到地面，称为天波。
其到达地面的距离先是随仰角的变小而逐渐向发射点靠拢，如射线1，2，3。
到达距离最近的是射线4。
此后当仰角继续降低时,射线到达地面的距离又逐渐增大。
如射线5～9。
由图[无线电波短波在电离层中的传播路径]可见，仰角降低的同时电波反射点也变低。
射线4的仰角是个临界点，在4点以外区域中的任何一点可以看到有两条射线到达，一条的到达仰角较高，在空中经历的路程较长；另一条的到达仰角稍低，经历的路程稍短。
前者称为高波，后者称为低波。
射线4是高低波重合的特殊情形，在地面上4点附近能量集中,称为前沿聚焦。
从4处到发射点之间，天波不能到达，而在靠近发射点处有沿地面传来的地波。
天波和地波都不能到达的范围称为静区E层一次反射的最大传播距离约为2000公里,频率不能高于E层的2000公里MUF。
F层一次反射的最大传播距离约为4000公里，频率不能高于F层的4000公里MUF。
另一方面，一次电离层反射的传播距离也不能小于某一临界值，该临界值称为越距。
天波能够经过电离层和地面的多次反射而传播到很远的距离，甚至可作环球传播。
电离层短波传播的优点是可以用不很大的功率来实现远距离通信和广播。
它的缺点是：因为电离层是色散介质，电离层传播的频带较窄，如不能传送电视；由于有多径效应，信号的衰落较大；太阳爆发会引起电离层暴和突然骚扰，这时电离层通信和广播可能遭受严重影响，乃至中断。
中波传播300千赫至3兆赫为中波波段，广泛用于近距离广播。
在白天，由于D层的吸收很大，天波很弱，中波传播主要靠地波；在夜间，由于D层基本上消失,中波可能被E层反射,传播至远达2000公里乃至更远处。
因此相对地在近处地波较强，在远处天波较强，在中间某个距离范围内，天波与地波的场强相差不多，引起相互干涉的衰落现象。
在夜间,E层不同反射次数的回波也可能引起干涉衰落。
长波和超长波传播对长波和超长波段（30～300千赫和3～30千赫），一般地说,射线理论（即近似的几何光学方法）不再适用，必须用严格的全波理论来处理。
对于几百公里以内的近距离传播,电离层的影响很小,天波可以不加考虑，而用一般的地波传播理论来处理。
对于远距离的长波和超长波传播，其传播方式主要是地面与电离层低层边界之间的波导传播。
这种传播方式主要用于远距离导航、标准时间信号的播送以及陆地对潜艇的通信。
其优点在于：信号衰减较慢,传播距离较远,信号强度、传播速度和相位比较稳定。
它们的稳定性受低电离层的高度和结构变化的影响，在日出日落时变化较大；在电离层突然骚扰时，信号会增强。
长波和超长波还有另一种传播方式，即所谓哨声型传播。
哨声是由雷电产生的频率在声频范围内的电磁脉冲信号，它的寻常波能基本上沿地球磁力线穿透电离层经磁层返回达地球另一侧，并从地面反射再沿原来的磁力线路径回到原先的半球，它甚至能往返传播多次。
由于电离层色散效应，不同频率的成分按先高后低的次序到达，接收时可以听到口哨一样的声音，故称哨声。
超短波的散射传播超短波的频率范围从30～300兆赫,300兆赫以上为微波波段。
这两个波段的无线电波都将穿透电离层，因此它们主要是用于地面和空间飞行器之间的跟踪定位、遥测、遥控和通信联络。
这时无线电波在穿透电离层的过程中或多或少地受到折射而影响到工程应用中的精度，因此要进行折射误差的修正。
另一方面超短波的低端由于电离层中不均匀结构对电波的散射作用而使地面上点与点之间的传播成为可能，实际的电离层散射传播方式有如下几类：经过D层前向散射，适合于30～60兆赫，传播距离从1000～2000公里，但由于频带较窄，实用意义不大；利用流星余迹反射适用于40～80兆赫的间歇式通讯,距离可达2000公里；经过F层不均匀体散射,距离可达4000公里；利用偶发E层(Es层)反射，距离可达2000公里，频率可达80兆赫。
当电路跨越极区时，可利用极光区电离气体反射。
电离层中的随机不均匀结构对电波的散射能使它们的振幅、相位和射线到达角等都发生随机起伏，称为电离层闪烁。
这种现象对于穿透电离层的无线电短波高端，乃至几千兆赫的微波波段都存在。
法拉第旋转和多普勒频移电离层作为各向异性介质，在其中传播的无线电波可以分解为两个特征波，即寻常波和非常波。
它们具有不同的相速和传播路径，一般地说，它们是椭圆偏振的（见磁离子理论）。
当传播方向同地磁场的方向平行时，它们成为圆偏振；当频率远高于电子的磁旋频率时，只要传播方向不正好同地磁场垂直，特征波的偏振近似地是圆偏振。
两个圆偏振合成为一个线偏振波，但由于电离层结构特征的变化，合成波的电场强度矢量的方向缓慢地旋转，这种偏振面的旋转称为法拉第旋转。
通过测量法拉第旋转速度，可以计算出电离层中沿传播路径上单位截面的柱体内的总电子含量（见电离层信标探测）。
如果传播路径的两端有相对运动，而且此相对速度沿传播路径的分量不等于零，则接收到的电波频率不同于发射的频率，这一效应称为多普勒频移。
如果路径缩短，频移是正的，反之是负的。
无线电波通过电离层传播时，频移量的变化中有一部分来自电离层的贡献，频移量与频率有关。
如果利用两个频率，则可消去相对速度的贡献而得到电离层积分电子密度数据。
这就是差分多普勒法。
传播与探测电离层电波传播和电离层探测有着密切的联系。
从历史发展看，正是利用电波传播的探测方法证实了地球电离层的存在。
迄今为止，电波法探测一直是开展电离层研究的重要手段（见电离层探测）。
而电离层探测的成果又使人们对电波传播的各种机制有了更深入的认识，从而为提高无线电通信系统的效能，改善旧系统，研制新系统开创了条件。
今天，无线电波传播和电离层物理虽然都是比较成熟的学科领域，但是电离层中仍有一些现象和过程没有得到满意的解释，还需要进行深入的探测研究。
可以期望这两个方面将继续相互促进，共同发展。
参考书目Ya.L. Al'pert, Radio Wave Propa ation and the Ionosphere, 2nd ed., Consultants Bureau,New York,1974.K. Davies, Ionosphere Radio Propa ation,ernment Printing Office,Washington D.C.,1965.。