《电波传播理论》课件 天波传播模式
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非寻常波的频率： 0 H f0 f f fH
若考虑地磁场的影响，电离层为各向异 性的媒质。
2020/11/29
14
第2节 电波在电离层中的传播
2020/11/29
15
1. 电波在电离层中的传播速度 1) 电波传播的相速和群速
相速：电波等相位面传播的速度 群速：能量传播的速度
2) 电波在色散媒质和非色散媒质中传播的不同
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
R12
1 12
n5 k n5
Rk
1 2
Rn6 Rn6
2020/11/29
5
（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不
可预测的不规则变化
Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。对 于电波传播来讲，有利有弊。
电离层骚扰
太阳黑子耀斑爆发辐射出的极强的紫外线和x射线使电 离层的D层电离程度加剧，增加对电波的吸收损耗，可使通 信中断。但持续时间只有几分钟。
电离层暴乱
太阳黑子耀斑爆发喷出的大量带电粒子使电离层的电 子分布发生剧烈变动，持续时间长，危害最大。
2020/11/29
6
２．电离层的电特性
由于电离层中粒子之间的平均距离远小于波长， 所以，电离层可看成一种媒质，具有等效电特 性参数r和。
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：
J
JD
j 0 r E
代入e和m的值，得 r
1 80.8
N f2
0
电离层具有理想电介质的特性
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2）考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所作的功 部分转化为电子的动能，部分转化为电离层的热能
设电子与其它粒子单位时间内的碰撞数为，并认为电 子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则
eE
m
dV
mV
V
dt eE
jm m
在正弦稳态场中，eE jVm mV
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9
H
j 0E
Ne
e
jm
m
E
j 0 1
Ne2
jm 0
1
j
E
j 0 1
Ne2
jm 0
j 2 2
E
j
0
1
m
0
Ne2
2 2
Ne2 jm0 2 2
E
j 0 r'E
2) 磁场强度也在不断变化。 ❖ 电离层中的自由电子在地磁场的作用下，将作螺旋运
动
电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作
fH
fH
e
2m
B
2.84108 B
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当某一频率 f 的电波进入电离层后，由于地磁场的作 用会分解成两个波，分别称为寻常波和非寻常波。
寻常波的频率： 0 H f0 f f fH
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其中， ' r j60
r
1
m 0
Ne2
2 2
m
Ne2 2 2
s / m
r ,与频率有关，所以电离层是一种色散媒质；
同时由于N在电离层中不是一个常数，所以电 离层又是一种非均匀媒质。
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对于一般的无线电波，有 2 2
r
1
Ne2
m 0 2
Ne2 m 2
Ne2
m 0
有频率的量纲，所以令
02
Ne2
m 0
(2f0 )2
f0 80.8N
f0 称为等离子体频率
r
1 02 2
1
f02 f2
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3. 地磁场对电离层的影响
❖ 地磁场产生原因：地球的自传在地核中所形成 的涡旋电流
❖ 地磁场的特点：1) 磁场南北轴线与地球南北轴线 间有一夹角，并在不断变化中；
J D J
E
0
t
C
j 0E
H j0E eVN
JC eVN
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1）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所
作e的E功 全m d部V转化在为正电弦子稳的态动场能中，，则eE
jVm
V
dt eE
jm
H
j
0
E
Ne
e
jm
E
j
0
1
Ne2
2m
0
E
式中，
r
1
Ne2
2m 0
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1. 电离层的结构和特点
电离层： 指80~700km高度范围内自由 电
子密度较高区域。 电离层的分层结构及其特点：
根据大气中自由电子密度的分布情况，电离层由 下至上分为D、E、F三层。在夏季的白天，F层又分 为F1和F2层。
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3
各电离层分层的特点
D层
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C
Vg Vp n 电波在色散媒质中传播时，相速与群速不相等。 b. 信号在非色散媒质中传播时不会变形； 信号在色散媒质中传播时将变形。 c. 在非色散媒质中，信号的传播速度等于相速； 在色散媒质中，信号的传播速度不等于相速。
2020/11/2信9 号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度 16
E层
F1层
F2层
夏季白天高度 （ｋｍ）
冬季白天高度 （ｋｍ）
白天最大电子密 度（个／ｍ３）
最大电子密度所 在的高度 （ｋｍ）
碰撞次数 （个／ｓ）
半厚度 （ｋｍ）
2020/11/29
８０～９０ ９０～１６０
６０～９０ ９０～１６０
大约 ２．５１０９ 大约８０
大约 ２１０１１ 大约１１０
１７０～２ ２２５～４
3) 电波在电离层中传播的速度
假设信号的频谱宽度为2△ω， ω0为载频，则信号可表示为：
E z,t A 0 e jtkzd 0
如果 2 0 ，则可以将传播常数 k 展开为台拉级数：
k
k
0
dk
d
0
0
取前两项，得
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t
k
z
t
k
0
dk
d
0
0
z
t
k
0
z
0
２０
５０
１６０～１ １７０以上 ８０
２ ～ ４１ ８～２０１
０１１
０１１
大约１８０ ２００～３ ５０
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４
１０～１０３
１０
２０～２５ 约５０
１００～２ ００
4
电离层的变化：
（１）电离层的规则变化：电离层的周期性重复变化 一天中昼夜的周期性重复 季节性的周期变化 以约１１年为周期的太阳活动性的变化
源自文库dk
d
0
z
t
0t
0t
k
0
z
0
dk
d
0
z
0t
0
t
k
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dk
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0
z
0t
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0
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0
dk
d
0
z
t
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第五章、天波传播模式
天波传播模式就是一定频率范 围内的无线电波利用电离层的反射 和折射作用进行远距离传输的方式。 天波传播对于短波通信而言具有非 常重要的意义。
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第1节、电离层介绍
D layer (55-90 km)
E layer (90-150 km)
F layer (150-400 km)
若考虑地磁场的影响，电离层为各向异 性的媒质。
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第2节 电波在电离层中的传播
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1. 电波在电离层中的传播速度 1) 电波传播的相速和群速
相速：电波等相位面传播的速度 群速：能量传播的速度
2) 电波在色散媒质和非色散媒质中传播的不同
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
R12
1 12
n5 k n5
Rk
1 2
Rn6 Rn6
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（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不
可预测的不规则变化
Ｅｓ层的出现
强烈的电离区，不定期出现，持续时间为几小时。对 于电波传播来讲，有利有弊。
电离层骚扰
太阳黑子耀斑爆发辐射出的极强的紫外线和x射线使电 离层的D层电离程度加剧，增加对电波的吸收损耗，可使通 信中断。但持续时间只有几分钟。
电离层暴乱
太阳黑子耀斑爆发喷出的大量带电粒子使电离层的电 子分布发生剧烈变动，持续时间长，危害最大。
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２．电离层的电特性
由于电离层中粒子之间的平均距离远小于波长， 所以，电离层可看成一种媒质，具有等效电特 性参数r和。
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：
J
JD
j 0 r E
代入e和m的值，得 r
1 80.8
N f2
0
电离层具有理想电介质的特性
2020/11/29
8
2）考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所作的功 部分转化为电子的动能，部分转化为电离层的热能
设电子与其它粒子单位时间内的碰撞数为，并认为电 子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则
eE
m
dV
mV
V
dt eE
jm m
在正弦稳态场中，eE jVm mV
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Ne
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j 0 1
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Ne2 jm0 2 2
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j 0 r'E
2) 磁场强度也在不断变化。 ❖ 电离层中的自由电子在地磁场的作用下，将作螺旋运
动
电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作
fH
fH
e
2m
B
2.84108 B
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当某一频率 f 的电波进入电离层后，由于地磁场的作 用会分解成两个波，分别称为寻常波和非寻常波。
寻常波的频率： 0 H f0 f f fH
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其中， ' r j60
r
1
m 0
Ne2
2 2
m
Ne2 2 2
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r ,与频率有关，所以电离层是一种色散媒质；
同时由于N在电离层中不是一个常数，所以电 离层又是一种非均匀媒质。
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对于一般的无线电波，有 2 2
r
1
Ne2
m 0 2
Ne2 m 2
Ne2
m 0
有频率的量纲，所以令
02
Ne2
m 0
(2f0 )2
f0 80.8N
f0 称为等离子体频率
r
1 02 2
1
f02 f2
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3. 地磁场对电离层的影响
❖ 地磁场产生原因：地球的自传在地核中所形成 的涡旋电流
❖ 地磁场的特点：1) 磁场南北轴线与地球南北轴线 间有一夹角，并在不断变化中；
J D J
E
0
t
C
j 0E
H j0E eVN
JC eVN
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1）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所
作e的E功 全m d部V转化在为正电弦子稳的态动场能中，，则eE
jVm
V
dt eE
jm
H
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E
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e
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Ne2
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式中，
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Ne2
2m 0
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1. 电离层的结构和特点
电离层： 指80~700km高度范围内自由 电
子密度较高区域。 电离层的分层结构及其特点：
根据大气中自由电子密度的分布情况，电离层由 下至上分为D、E、F三层。在夏季的白天，F层又分 为F1和F2层。
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各电离层分层的特点
D层
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C
Vg Vp n 电波在色散媒质中传播时，相速与群速不相等。 b. 信号在非色散媒质中传播时不会变形； 信号在色散媒质中传播时将变形。 c. 在非色散媒质中，信号的传播速度等于相速； 在色散媒质中，信号的传播速度不等于相速。
2020/11/2信9 号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度 16
E层
F1层
F2层
夏季白天高度 （ｋｍ）
冬季白天高度 （ｋｍ）
白天最大电子密 度（个／ｍ３）
最大电子密度所 在的高度 （ｋｍ）
碰撞次数 （个／ｓ）
半厚度 （ｋｍ）
2020/11/29
８０～９０ ９０～１６０
６０～９０ ９０～１６０
大约 ２．５１０９ 大约８０
大约 ２１０１１ 大约１１０
１７０～２ ２２５～４
3) 电波在电离层中传播的速度
假设信号的频谱宽度为2△ω， ω0为载频，则信号可表示为：
E z,t A 0 e jtkzd 0
如果 2 0 ，则可以将传播常数 k 展开为台拉级数：
k
k
0
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0
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取前两项，得
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２ ～ ４１ ８～２０１
０１１
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大约１８０ ２００～３ ５０
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４
１０～１０３
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２０～２５ 约５０
１００～２ ００
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电离层的变化：
（１）电离层的规则变化：电离层的周期性重复变化 一天中昼夜的周期性重复 季节性的周期变化 以约１１年为周期的太阳活动性的变化
源自文库dk
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第五章、天波传播模式
天波传播模式就是一定频率范 围内的无线电波利用电离层的反射 和折射作用进行远距离传输的方式。 天波传播对于短波通信而言具有非 常重要的意义。
2020/11/29
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第1节、电离层介绍
D layer (55-90 km)
E layer (90-150 km)
F layer (150-400 km)