10电离层电波传播解析
电离层无线电波传播
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。
第3章-电离层电波传播
第3章 电离层电波传播 地磁场的影响：
FB ev B0
– 电场方向与地磁场方向一致 则FB=0，地磁场对电子运动不产生任何影响 – 电场方向与地磁场方向垂直 则FB值最大，电子将围绕地磁场的磁力线作圆周运动。
若ω=υ， 则电离层的电导率最大， ω>>υ和 ω<<υ时，电导 率很小，近似为0 。 频率越高，电导率越小。 D层：υ=106-107次/秒 E层：υ=105次/秒 F层：υ=102-103次/秒 800km：υ=1次/秒 D层电导率最大，E层次之，电离层吸收损耗主要由D层引 起，有时称D层、E层为吸收层。
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播
第3章 电离层电波传播
电离层电波传播(Ionospheric Radio Propagation)
– 无线电波在电离层中的传播 • 天波传播(Sky Wave Propagation):经电离层反射后到达接收 点的传播 • 电离层散射传播 • 流星余迹散射传播
3.1 电离层概况 3.2 无线电波在电离层中的传播 3.3 短波天波传播 3.4 中波和长波电离层传播
第3章 电离层电波传播
3.1.3 电离层的等效电参数 – 无规则热运动 – 外电场作用作简谐运动 – 碰撞导致吸收损耗 –电离层的等效电参数
•有耗等离子体的复相对介电常数 r r j 0 •如何求解εr和σ？
H j 0 E J e r E j 0
2
电波传播与散射
第3章 电离层电波传播 电离层的规则变化 • 日夜变化:正午稍后时分达到最大值，到拂晓时各层的电子 密度达到最小，黎明和黄昏时分，电子浓度变化最快。夜 间D层消失，E层变低、密度减小，F层合并且浓度降低。 • 季节变化：一般夏季的电子密度大于冬季，但F2层例外。 • 随太阳黑子11年周期的变化：黑子数目增加，各层电子密 度增加，F2层受太阳活动影响最大。
电离层对电波传播影响的相关问题研究
电离层对电波传播影响的相关问题研究电离层对电波传播影响的相关问题研究引言电离层是地球大气层中的一部分，包括电离层D层、电离层E 层、电离层F层等不同的离子层。
电离层对电波传播具有重要影响，尤其是在无线电通信、卫星导航等领域。
本文将探讨电离层对电波传播的相关问题，包括电离层结构、电离层异常和对电波传播的影响机制。
一、电离层结构电离层是由太阳辐射中的紫外光和X射线将地球大气层中的气体分子离解形成的。
电离层D层位于60-90公里高度之间，E 层位于90-150公里高度之间，而F层则分为F1层和F2层，分别位于150-250公里和250-1000公里高度之间。
这些离子层会随着太阳活动的变化而发生相应的电离层异常。
二、电离层异常电离层异常是指在特定的时间段和空间区域内，电离层中的离子浓度变化异常，造成电波传播中的多路径传播、衍射、散射等现象。
电离层异常包括日变化和季节变化。
日变化是指在白天和夜晚，电离层中的离子浓度会发生明显变化，导致电波传播的特性也随之改变。
季节变化是指在不同季节，电离层的结构和离子浓度会有所差异，从而对电波传播产生不同影响。
三、对电波传播的影响机制1. 多路径传播：电离层中的离子会对电波进行折射、反射等，导致电波沿多条路径传播到达接收地点，从而引起多路径传播。
多路径传播会导致传播路径的延长和主导路径的改变，影响信号的传输质量和速度。
2. 衍射和散射：电离层对电波的传播路径产生衍射和散射。
衍射是指电波在电离层边界发生弯曲的现象，使电波能够绕过障碍物传播到阻塞区域；散射则是指电波与电离层中的离子相互作用后，沿其他方向进行传播。
衍射和散射会导致信号的弱化和延迟。
3. 消光：消光是指由于电离层中的吸收和散射作用，电波强度逐渐减弱的现象。
电离层中的气体分子和离子能够吸收频率较高的电波，导致信号逐渐减弱甚至完全消失。
4. 频延：频延是指电离层对不同频率的电波传播速度的影响。
电离层会对低频电波进行较大程度的频延，而对高频电波的频延较小。
第10章 电波在电离层的传播特性
射波与地面相切时，一会引起地面吸收，所以入射波要有一定
的仰角。
10.2电波在电离层的传播
• 慢行现象 • 寂静区
1
2
3
1 ＜2 ＜3
电离 层
电离 层
电离层 地面波 静区
静区
地 面 波 r1
r2
(a)
(b)
10.3各波段在电离层的传播特性
• 短波 衰落 衰落是接收信号强度的一种无规则变化。衰
落时的信号强度可有几十到几百倍的变化。 短波传输中的衰落现象是不同的几条电波 射线在接收点干涉的结果。
r
1 80.8
N f2
在不考虑电子和其他粒子碰撞的情况下，等效介电常数为实数，所 以电离层具有理想电介质的特性。电场能量仅使电子发生震荡，并 没有任何损耗。
10.1电离层介绍
考虑电子和其他粒子碰撞
eE m dV mV jV m mV
dt
H
j 0 E
eN
e
jm
m
E
j 0r'E
r' r j60
r
1
m 0
Ne2
( 2 2 )
Ne2 m( 2 2 )
10.1电离层介绍
当有 2 2时
r
1
Ne2
m 0
1
2
令0 2
Ne2
m 0
2f0 2,
f0
则
Ne2 m 2
80.8N 为等离子体频
r
1
02 2
1-
f02 f2
10.1电离层介绍
考虑地球的地磁场
地磁场将对电离层带来很大影响，地球的磁场是 由地球飞快的自转和地核中的所形成的涡电流所产生 的，磁场场的的南北极和地理的南北极有一定夹角， 并且处在不断变化中，地磁场的强度也在不断变化。
电离层物理与电波传播2
时间常数
在复杂的问题中，估计和比较两种不同的过程的时间常数，可以判断哪 种过程起控制作用。 比如，在电离层中，化学过程和扩散过程都具有潜在的重要性。不过， 在某些高度上，化学过程比输运过程慢得多，对这样的区域，可以只考 虑输运过程而忽略化学过程，在顶部电离层，情况大致如此；反之，化 学过程输运过程的时间常数相比，化学过程的时间常数短得多，可以只 考虑化学过程而忽略程输运过程，在 E 层和 F1 层，情况大致是如此。 影响电离层中化学反应速率的因素有多种。一般地讲，参与反应的成分 和密度与反应速率直接有关。此外，参与反应的成分的运动速率和温度 或碰撞频率也影响反应速率。获得反应速率定量的信息相当困难。
z 是约化高度， z ( h hm,o ) / H 。 将 ne( z )对 z 求导数，忽略 的高度变化，可以得到，当
ez cos
时，电子密度取极大值 nm nm,o cos1 / 2 ，
可见，电子密度极大以 cos1 / 2 的形式随天顶角变化。一个具有 这样性质的层称作 -Chapman 层。 在电离层中，E 层和 F1 层的属性最接近 -Chapman 层。
q=(1+)eNeNe=(1+)eNe2 由此可见，存在负离子时，生成率平方根仍然正比于平衡态电子密度， 仅仅数量上有变化。因子(1+)(e+i)常常称为等效复合系数。=0 对应不存在负离子的情况。
E 层和 F1 层
E 层电子密度峰值大约出现在 105 到 110km 高度。
E 层的形成与穿透较深、吸收不是很强的那部分太阳辐射有关。在
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题
电离层中电波传播的基础物理问题包括：
1. 介质特性：电离层是由高度电离的气体组成，其电磁波传输特性与常规的空气或真空介质不同。
电离层中存在的离子和自由电子可以对电波的传播速度、传播方向和极化状态产生影响。
2. 折射和反射：电离层中的离子和自由电子可以使电波产生折射和反射。
表面反射和天线朝向的角度也可以影响电波的传输。
3. 大气异常传播：电离层中的等离子体密度分布与地球表面物理区域分布的不均匀性相结合，会导致一些异常传播现象，例如超视距和多路径传播等。
4. 色散和吸收：电离层中不同频率的电波对等离子体的折射率有不同的响应，从而产生了色散现象。
同时，在高频率下，电离层的吸收也非常显著，这将限制电波的传播距离。
综上所述，电离层中电波传播的物理问题非常复杂，需要对空间中等离子体的物理特性、电磁波的传输特性、落地大气的情况等多方面进行综合研究。
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E B / t D
H D / t J B 0
J 和 分别是传导电流密度和自由电荷密度。
( J v ) 0 t
运动的电荷形成电流。连续性方程规定电荷密度和电流密度之间的关系，
2 2 E ( E ) E E
2 2 2 因此有， E v E / t 0
2
式中v是电磁波在介质中的传播速度， v ( 0 0 )1 / 2 /( )1 / 2 c / n ，
D 。
研究方程组 E B / t
H D / t J
/ t J 0
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，
传播介质的分类
有三个特征量表征传播介质的性质，即介电常数、磁导率 和电导率，它们一般是空间、时间和场量的函数。即，
( r ,t,k , , E, H ) ( r ,t,k , , E, H ) ( r ,t,k , , E, H )
介电常数、导磁率和电导率的性质决定介质的性质。 当介电常数、导磁率和电导率是标量时，介质是各向同性 介质； 当它们是张量时，介质是各向异性介质； 当这些系数与空间坐标无关时，代表均匀介质；
当这些系数依赖于空间坐标时，代表不均匀介质； 当这些系数依赖于空间坐标并且是空间坐标的随 机函数时，代表随机介质； 当这些系数与时间无关时，代表平稳介质； 若这些系数是时间的函数，代表非平稳介质； 若这些系数是频率的函数，代表时间色散介质； 若这些系数是波矢的函数，代表空间色散介质； 若这些系数与电磁场本身大小有关， 则成为非线性 介质。
上式是考虑界面运动在内的一般情况下的连续性方程。当界面不运动时，v 0 ，
J 0 上式化为， t
麦克斯韦方程组与连续性方程有两个矢量方程，三个标量方程， 一共9个方程。其中，只有麦克斯韦方程组的前两个矢量方程与 连续性方程是独立的，另外两个方程可以从这些独立的方程推 导出来。 独立方程为 E B / t H D / t J / t J 0 对第1式两边取散度，左边为零，则 ( B ) / t 0 ，可以得到， B 0。 对第2式两边取散度并利用第3式，可以得到
-10
8.61024 m-3 1.21019 m-3 6.51014 m-3 2.310 m
12 -3
gm
-3
m
-3
由表可见，大气质量密度和数密度在很宽的量级范围内变化。从地表到 700km高度，中性大气质量和数密度都减小了13个量级。这种减小主要 是由重力引起的。另一个特征是，在100km以上，电离密度与中性大气密 度相比，只占1%或更低。
电磁波传播服从的基本方程
在宏观领域，电磁波场变化的规律可由麦克斯韦方程组来描述。麦克斯韦方程组 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，
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度，
电离层和电离层波的定义
按照无线电工程师协会（IRE）标准，电离层的定义是： “地 球大气层的一部分， 其中存在的离子和电子在数量上多到足 以影响无线电波的传播。 ” 电离层波一般定义为,能在电离层中维持的自然的波动或受 迫的波动。这个定义包括了反射波、折射波、散射波和导制 波，以及由源引起的受迫震荡。主要是电磁波，也涉及一些 其它类型的波动。比如，重力波激发的行进式电离层扰动。
电离层电波传播
主要参考书
1、电离层与磁层引论，拉特克Байду номын сангаас夫著，吴雷、
宋笑亭译，科学出版社，1980。 2、电离层波理论，叶公节、刘兆汉著，王椿年 译，科学出版社，1981。 3、电磁波传播原理，侯杰昌著，武汉大学出版
社，1991。
电磁波传播的理论基础
1. 电离层的性质 2. 电磁波传播的基本方程 3. 波动方程与电磁波的一般特性
电离气体和中性气体密度的高度变化
中性大气质量密度 地表 10km 100km 300km 700km 1.210 gm
3 -3
中性大气数密度 2.510 m
25 -3
电离数密度 0 0 109 m-3 1012 m-3 10
10
4.1102 gm-3 5.010-4 gm-3 3.610-8 gm-3 1.510
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， 2 2 E B / t 0 ( / t ) H 0 0 ( / t )E
B B( E , H )
D D( E , H )
J J (E)
在自由空间,不存在物质介质,结构关系具有最简单的形式,
D 0 E
B 0 H
J 0
式中 0 和 0 分别是自由空间中的介电常数和磁导率。 在电离层中，一般情况下，介质是磁化等离子体，结构关系为， D 0 E B 0 H J E 结构关系中出现的系数 、 和 分别称作介质的介电常数、磁导率和电导 率。可以是标量，也可以是张量。