10电离层电波传播解析
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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 ，
电离层电波传播
主要参考书
1、电离层与磁层引论，拉特克利夫著，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。
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。
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。
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
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，
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，
-10
8.61024 m-3 1.21019 m-3 6.51014 m-3 2.310 m
12 -3
gm
Βιβλιοθήκη Baidu
-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
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
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 ，
电离层电波传播
主要参考书
1、电离层与磁层引论，拉特克利夫著，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。
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。
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。
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
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，
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，
-10
8.61024 m-3 1.21019 m-3 6.51014 m-3 2.310 m
12 -3
gm
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-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
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