无线电波传播第八讲2电离层中的电讲义波传播
第8章--电波传播的基础知识
=121.98+33.98－17.5
=138.46dB
考虑到馈线及分路系统一端损耗后，该电道的 总传输损耗L为
L＝L0＋LF－Gr－GL＋2×3.6 ＝138.46－20lg0.7－2×45+2×3.6 ＝58.8dB
（8―2―7）
当电波频率提高1倍或传播距离增加1倍时，自由
空间传播损耗分别增加6dB。
20lg 2 20 0.301 6dB
衰减因子： A E E0
（8―2―8）
E：实际情况下的接收点的场强
E0：自由空间传播的场强
相应的衰减损耗为
LF
20 lg
1 A
20 lg
E0 E
（8―2―9）
A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌 地物、传播方式等因素有关。
重点：自由空间电波传播 难点：电波传播的菲涅尔区
第8章 电波传播的基础知识
8.1 概述 1.什么是电磁波？
电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场 和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这 就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了 电磁波。
电场
磁场
2.频谱： 按序排列的频率分布，也称波谱。
本课主要内容
电波传播的基础知识 地面波传播 天波传播
视距传播 地面移动通信中接收场强的预测
课程研究内容
无线电波传播的基本特性及其变化规律。
课程要求
1.掌握电波传播的基本概念； 2.掌握电波传播的基本特点和规律； 3.了解地面移动通信接收场强的预测方法。
第8章 电波传播的基础知识
无线电波传播第八讲2电离层中的电波传播PPT课件
Characteristics
• Each ionospheric layer shows up as an approximately smooth curve, separated from each other by an asymptote at the critical frequency of that layer.
• 传播特征 地磁场与空间等离子体的分布，决 定了电磁波的传播特征。地面台站所观测到的哨 声和甚低频发射，大都是在哨声导管中传播的。 所谓哨声导管，是指电离层和磁层中按地磁力线 排列的路径。它类似于波导管，能捕获甚低频电 磁波，使波法线方向只能位于与地磁力线相交一 定的角度以内。
• 产生机制 哨声主要由云－地闪电的电磁辐射 所产生，核爆炸也可以产生哨声。 在磁层中带电粒子的运动能够产生甚低频发 射。当带电粒子的速度大于介质中电磁波的相速 度时，将产生切连科夫辐射；另一方面，当带电 粒子沿地磁力线作回旋加速运动时，该带电粒子 的运动过程可产生回旋加速辐射。
6 Nmax
跳距、高／低角射线
5 4
电离层
3
2
1
T 跳距
一、传输曲线
1、斜电离图
斜向传播的群路径P'与电波频率 f 之间的 关系曲线称为斜电离图。
Nmax
电离层
f
0
T
h' f
D
2、传输曲线
电离层的状态可由频高图 h'~f 表示，即
h' F( f )
（6-51）
这里，函数F是已知的，它以解析或图解的形式 给出，由等效定理及几何关系，有
Ionogram’s characteristics
例：设电离层中，对于h > h0 的高度处的等离子
电波传播2
§5.4 天波传播
无线电波在电离层中的传播
为简化讨论，做如下假设：
电离层为各向同性媒质； 电子浓度N只是高度h的一元函数； 在各区电子浓度最大值附近，N（h）近似为抛物线 状
7
§5.4 天波传播
反射条件
不考虑地磁场影响时，εr是一个标量
εr = 1−
80.8 N 80.8N f2
（1）
通常认为磁导率为μ0 ，故电离层的相对折射率
15
§5.4 天波传播
对某一通信电路而 言，可能存在的传 播模式是与通信距 离、工作频率、电 离层状态等因素有 关的。 通常，若通信距离 小于4000km时主 要传播模式为1F 型
图5-11 多跳传播
表5-2 何种距离可能存在的传输模式
16
§5.4 天波传播
对于一定的通信距离即使是单一传输模式，一般也 存在着两条传播路径，其射线仰角分别为 ∆1 和 ∆ 2 ， 低仰角射线由于以较大的入射角投射电离层，故在 较低的高度上就从电离层反射下来，而高仰角射线 由于入射角小，则需要在较大的电子浓度处才得以 反射回来 以上现象说明，对一定的传播距离而言，可能同时 存在着几种传输模式和几条射线路径，这就是短波 通信中的多径传输效应。接收点场强则是这些射线 的场强之和
r
5
§5.4 天波传播
实际上电离层的电子浓度是随距地面的高度不 σ 同而变化的，因此其等效电参数 ε r ， 随高度变 化，电离层呈现不均匀的性质 由于气体分子的湍流以及电离源的随机变化， 使电子浓度有小尺度的起伏，因此电离层的等 效电参数具有随机过程的性质 电离层是一个色散、各向异性、随机的、时空 变化的半导电媒质。严格地说，它也是一种非 线性媒质
图5-13 天波传播路径的几何关系
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。
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。
《电波传播理论》课件 天波传播模式
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
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。
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
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。
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。
无线电波传播理论
电离层传播模型需要考虑电离层 的结构、成分、电子密度等参数 ，以及电离层对电波的吸收和反 射等作用。
地面对无线电波的吸收
地面对无线电波的吸收是指电波在传 播过程中，由于地面物质的吸收作用 而导致的能量损耗。
VS
地面对无线电波的吸收与地面的物质 成分、湿度、温度等因素有关，不同 的地面类型对电波的吸收程度不同。
对流层传播模型
对流层传播模型适用于电波在对流层中的传播，由于对流层的气象条件复杂多变，电波传播受到大气 折射、散射、吸收等因素影响。
对流层传播模型需要考虑大气温度、湿度、气压等参数，以及气象条件对电波传播的影响。
电离层传播模型
01
电离层传播模型适用于电波在电 离层中的传播，电离层对电波的 折射、反射、散射等作用会影响 电波的传播路径和强度。
、雷达等领域。
无线电波的产生与传播
产生
无线电波可以通过电子运动、振荡器 、天线等设备产生。
传播
无线电波在传播过程中会受到多种因 素的影响，如大气、地形、建筑物等 ，其传播方式和距离也会因此而有所 不同。
02 无线电波传播方式
直射传播
直射传播是指无线电波直接从发射天线沿直线到达接收设备 ，不经过其他介质或物体的反射、折射或散射。直射传播的 路径损耗较小，信号质量较好，但受地形、建筑物等遮挡物 的影响较大。
自由空间传播模型
自由空间传播模型适用于电波在自由 空间中的传播，其假设电波在均匀介 质中沿直线传播，不受地球曲率、大 气折射等因素影响。
自由空间传播模型的公式为：$d = frac{c}{2pi f sqrt{epsilon}}$，其中 $d$为电波传播距离，$c$为光速，$f$ 为电波频率，$epsilon$为介电常数。
无线电波传播 第八讲 1 电离层中的电波传播
L nds 0
A
B
二、几何光学近似解
1、几何光学的几个基本结论
（1）在均匀介质中光是沿直线传播的；
（2）光从光源发出后彼此独立传播；
（3）遵守反射定律和折射定律。
2、垂直入射时的几何光学近似解
（1）假设 a) 介质是均匀的，且在辐射区。 b) 介质是水平分层的 （2）几何光学近似解 由假设a）可知电场和磁场满足
Radio Wave Propagation
无线电波传播 第八讲
电离层中的电波传播1
几何光学近似解
等效定理
垂直传播的几个问题
§6.1 几何光学近似解
一、费马原理
1、概念
（1）几何光学（射线理论）
它不求解电波的参数A、f、φ，而通过求n、 R、L来研究介质中波的传播。
运用Maxwell Eq. + 介质特性 质中的传播规律。
dn 3） 不能有突变。 dz
四、几何光学近似解的物理意义
在几何光学近似情况下，当电波在电离层 中传播时，其波场振幅与(1／n)1/2成比例，如果 我们忽略在各个薄层界面上的多次反射，几何 光学近似解就代表了透射场的波。
§6.2 等效定理
以0角斜入射到电离层的电波的反射条件为
r sin 0
2
因此
3 2 dn 1 1 d n 2 2 n n k0 n 2 4 2 dz dz
2
2
1 dn 2 2 k0 n 2 n dz
2
0 1 dn 1 2 2 n dz
可见，几何光学近似解的适用条件是： 1）高频电波；
2）n 较大；
2 2 2
代入到波动方程中，有
d d 2 2 k0 n j 2 dz dz
第十一章__电波在电离层中的传播
Ez, t Eme
Em
j 0t k 0 z
其中，Em为信号的平均振幅，
0
0
A e
dk j 0 z t d 0
d
Em随着时间和空间的改变而改变。但在
当将电离层看成理想介质时
Zm
nn n3
n2 n1 n0
N z n r 1 80.8 2 f
N Nm
n1 n2 nn
根据折射定律，有
i1 i0 i1 n1
n0 n1 i1 i0
当 n随高度增加时，路径向上弯曲； 当 n随高度减小时，路径向下弯曲。
n0 sin i0 n1 sin i1
dV eE m mV 在正弦稳态场中， E jVm mV e dt eE V jm m
e H j0 E Ne jm m E
2 Ne 1 j0 1 j E jm 0 2 Ne j 2 j0 1 2 E jm 0 Ne 2 Ne 2 j0 1 j 2 2 m 0 m 0 2 2 ' j0 r E
n0=1
电波在单电离层中的传播路径
nn n3 n2 n1 n0
路径方向的改变发生在in=90°的时候
2) 电波从电离层反射回来的条件
n0 sin i0 n1 sin i1 nn sin in
N z 令 in 90 则 sin i0 nn 1 80.8 2 f
大约８０
大约 ２１０１１
大约１１０
２ ～ ４ １０１１
无线电波传播原理及主要传播模型
无线电波传播原理1无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.1 电磁场与电磁波基础1820年奥斯特电磁1831年法拉第磁电产生产生变化的电场磁场变化的磁场电场激发?电磁场理论麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了著名的电磁场理论（经典电磁场理论），指出变化电场和变化磁场形成了统一的电磁场，预言电磁场能以波动的形式在空间传播，称为电磁波；并得到电磁波在真空中传播的速度等于光速，从而断定光在本质上就是一种电磁波。
后来，赫兹用振荡电路产生了电磁波，使麦克斯韦的学说得到了实验证明，为电学和光学奠定了统一的基础。
因此，麦克斯韦的经典电磁场理论是人类对电磁规律的历史性总结，是19世纪物理学发展的最辉煌成就，是物理学发展史上一个重要的里程碑。
电磁波的诞生赫兹----德国物理学家赫兹对人类伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在，发现了光电效应。
1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。
开创了无线电电子技术的新纪元。
赫兹用各种实验，证明了不仅电磁波的性质和光波相同，而且传播速度也相同，并可发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象，即电磁波服从一般波动所具有的一切规律。
如果空间的电场或磁场变化是周期性的，我们用周期和频率来描述变化快慢。
电磁场变化过程中产生的电磁波的频率等于电磁场的变化频率；电磁波在传播中从一种介质进入另一种介质时，其频率不会发生改变，但其传播速度会发生改变。
电磁波的应用从1888年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。
1914年语音通信成为可能。
1920年商业无线电广播开始使用。
20世纪30年代发明了雷达。
40年代雷达和通讯得到飞速发展，自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。
如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。
无线电通信的起源1897 年：马可尼完成无线通信试验——电报发收两端距离为18 海里试验是在固定站与一艘拖船之间进行的20 世纪初：两次世界大战导致无线通信蓬勃发展步话机、对讲机等1941 年美陆军就开始装备步话机短波波段，电子管电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按传输方式电磁波分类-按波长电磁波分类-按波长各波段电磁波特点长波通信：沿地面传播，衰减小、穿透能力强 中波通信：地波传播及夜晚电离层反射传播 短波通信：天波传播，适合远距离传输超短波通信：直线传播，视距通信，广播电视、移动通信微波通信：工作频带宽，长距离接力通信第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析传播途径①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波①建筑物反射波②绕射波③直射波④地面反射波第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析1.3 无线传播环境•问题：移动通信比较固定通信有那些特殊性呢?•多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介•手机发射功率有限手机的发射功率客观限制了蜂窝小区的服务范围手机电池寿命和对人体危害决定了发射功率大小•频率资源有限带宽一定信道编码等占用额外频率资源频率需要被重复利用==> 产生同频干扰•用户行为的不确定性第1讲无线电波传播原理• 1.1 电磁场与电磁波基础• 1.2 无线电波传播原理• 1.3 无线传播环境• 1.4 无线信道分析无线信道分析在移动通信研究中的意义无线通信系统的信道十分复杂：9地理环境的复杂性和多样性9用户移动的随机性9多径传播无线信道是制约移动通信质量的主要因素无线信道是研究各种技术的主要推动力量无线信道的建模对于整个移动通信系统仿真的正确性和可靠性有着举足轻重的意义1.4 无线信道分析•无线信道中的损耗一般分为三个层次：—大尺度（又称路径损耗）【path loss】—中等尺度（阴影衰落、慢衰落）【shadowing】—小尺度衰落（快衰落）【fast fading】无线信道分析场强平均值随距离增加而衰减（路径损耗，大尺度衰落）•电磁波在空间传播的损耗场强中值呈慢速变化（慢衰落，阴影衰落，中等尺度衰落）•由地形地貌导致场强瞬时值呈快速变化（快衰落，小尺度衰落）•多径效应——由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落•多普勒效应——由移动体的运动引起，多径条件下引起频谱展宽三种衰落区别•大尺度衰落主要是路径损耗，可用自由空间传播模型来近似；其特点是：慢变，信道在很长时间内可以认为是恒定的，而且衰落的幅度很小。
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。
电波传播基础PPT课件
S
PtGt
4 d 2
A2
W m2
Pr
4 d
2
A2GtGr Pt
W
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(9) (10)
传输媒质对电波传播的影响
对于某一传输电路，发射天线输入功率与接收天线
输入功率（满足匹配条件）之比，定义为该电路的传输
损耗L，即
L
Pt Pr
4 d
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传输媒质对电波传播的影响
❖多径传输 当电波以两个或两个以上不同长度的路径传播到达
接收地点时，则接收天线捡拾的信号是由几个不同路径 传来的电场之和。因路径长度有差别，它们到接收地点 的时间延迟（简称时延）不同。若以τ表示最大传输时 延与最小传输时延之差，若τ值太大就会引起较明显的 信号失真。图2(a)示出了接收点场强是由两条路径传来 的、振幅不等的、相位差φ=ωτ的两个电场叠加。
当接收天线与来波极化匹配并与负载阻抗匹配时，
其接收功率为
Pr
SAe
Pt Gt
4 d 2
2 4
Gr
4 d
2
PtGtGr
(W)
(3)
式中S为坡印廷矢量（W/m2）, Ae为接收天线的有 效面积（m2），Pt为发射天线的输入功率（W），Gt和 Gr分别是发射天线和接收天线的增益，λ为自由空间电 波的波长（m）。
设一天线置于自由空间，在其最大辐射方向上、距 离为d的接收点处产生的场强为
E0
60PtGt d
V m
(1)
pt为发射天线输入功率（W），Gt为发射天线增益， d为距离（m），E0为自由空间场强振幅值。为便于实用， 或写成：
第8页/共33页
无线电波传播的基础知识.课件
无线电波在传播过程中会受到介质的吸收作用，导致能量逐渐衰减。不同的介质 具有不同的衰减系数，因此会影响无线电波的传播距离和信号强度。
04
无线电波的应用领域
通信领域
无线电波在通信领域有着广泛的应用，包括长波通信、中波 通信、短波通信、微波通信等。
长波通信主要用于海底电缆、大地导电等场合，中波通信主 要用于广播、导航等，短波通信主要用于远程通信、广播、 电视等，而微波通信则主要用于现代移动通信、卫星通信等 。
01
02
03
04
无线电波可以在各种介质中传 播，包括空气、水、土壤等。
无线电波的传播速度等于光速 ，不受介质影响。
无线电波的传播距离受发射功 率、天线高度、频率等因素影
响。
无线电波易受到干扰，如其他 电磁波、雷电等。
02
无线电波的传播介质
电离层
01
电离层概述
电离层是地球大气的一个区域，其中包含自由电子和离子。它对于长波
雷达领域
无线电波在雷达领域的应用主要包括 雷达测距、雷达测速和雷达测角等。
雷达通过发射无线电波并接收回波， 可以实现对目标物体的距离、速度、 角度等参数的测量，广泛应用于军事 、航空、气象等领域。
导航领域
01
无线电波在导航领域的应用主要 包括航海导航、航空导航和卫星 导航等。
02
航海导航主要利用长波和超长波 ，航空导航主要利用中波和短波 ，而卫星导航则主要利用微波无 线电波进行定位和导航。
信号相对稳定，但易受到干扰。
无线电波的分类
短波：频率在30-300MHz之间，波长在10-1m之间。 主要用于短距离通信和广播。
信号传输稳定，但传输速率较慢。
无线电波的分类
电 波 传 播
第2章电波传播无线电信息传输时，无线电波由发射天线辐射出去后，经过一定的传播路径才能到达接收点，被接收天线接收。
电波传播路径中会涉及各种各样的传播媒介，如地面、水面、对流层大气、电离层、星际空间等，电波的传播过程就是电波与媒介相互作用的物理过程。
电波在媒介中基本上是以光速传播的。
因此，无论是通信、广播、雷达、导航、遥测遥控等任何与无线电波有关的设备，其性能均与所使用的无线电频率及其电波传播方式密切相关。
电波在传播过程中，有两个方面需要进行研究。
一是电波传播的物理机制和传播模式，包括吸收、折射、反射、绕射、散射、多径和多普勒效应等物理过程，这些过程的形成由媒介特性和电波特性共同决定。
二是信号的传播特性。
无线电信号在传播过程中，可能遭受到衰减、衰落、极化偏移和时域、频域畸变等效应这些效应可能对信息传输的质量和可靠性产生影响。
研究电波传播特性，是理解是理解各种用频设备特性的基础。
本章先介绍大气层、电离层和几种电波传播方式，以及自由空间传播损耗概念及计算；然后分别详细介绍几种主要电波的传播特性以及场强计算理论和计算方法；最后以移动通信设计为例介绍电波传播模型的选择与应用方法。
2.1 地球大气2. 1 .1 大气层电磁波主要是在地球大气层中传播。
大气层又叫大气圈，其厚度在1000km以上，但没有明显的界限。
整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，大气层之外就是星际空间，如图2.1所示。
对流层位于大气层最底层，其下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。
在低纬度地区平均高度为17~18km,在中纬度地区平均为10~12km,极地平均为8~9km；夏季高于冬季由于地面吸收太阳辐射（红外、可见光及波长大于300nm的紫外波段）能量，转化为热能而向上传输，引起大气强烈的对流，因此称为对流层。
对流层空气的温度是下面高上面低，顶部气温约在-50℃。
对流层集中了全部大气质量的约3/4和90%以上的水汽，几乎所有的气象现象如雨、雪、雷、电、云、雾等都发生在对流层内。
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This page reports the real time ionograms recorded in Gibilmanna by the new Advanced Ionospheric Sounder (AIS). The critical frequency foF2 and MUF(3000)F2 are scaled by Autoscala program. The AIS and Autoscala were developped at the INGV. This page is updated every 15 minutes.
h(
f
p
)
2
2 0
h'
(
f
p
sin)d
（6-41）
arcsinf fp
（2）克尔索（Kalso）方法
令 02h'(fpsin)d h'(fpsini) i i i 取 0 到 π/2内的多个间隔时，多项式
有最佳近似。
引入 fi fpsini
得到
1 n
h(fp)n i1 h'(fi)
（6-42）
Nee2
0me
磁回旋谐振
fH
1
2
eB0 me
上混合谐振
fUH RfT fp2fHe2
§6.4 斜向传播
斜向传播——无线电波以同垂直方向成一定角 度（非零）斜向入射到电离层后的传播称为斜向 传播。
可用频段——能利用电离层进行斜向传播的无 线电波的频率范围。其上限由电离层的最大电子 密度决定，下限由D区吸收、噪声电平和干扰等 因素决定。
Characteristics
• Each ionospheric layer shows up as an approximately smooth curve, separated from each other by an asymptote at the critical frequency of that layer.
• 近地轨道上卫星的水平速度近似为5－10km/s • 脉冲重复频率为30Hz的顶探器，在两脉冲之间时 间间隔内可移动160－330m.
3、顶部电离层图
（1）低截止频率与等离子体频率的关系
o波
f p fos
x波
fp fxs(fxsfH)
z波
fp fzs(fzsfH)
（2）谐振
等离子体谐振
1
f p 2
再由公式
N e42 e 2 0 m efp 2 1 .2 4 110 0 fp 2 [m 3 ]
计算出Ne随高度的变化值，即得到电离层 的电子浓度剖面。
例：用直接反演法求电子浓度。
四、顶部电离层探测
1、顶部电离层探测的内容
主要探测电离层峰到卫星（或火箭）探测器之间 的空间的电子浓度分布。
2、空间分辨率与频率分辨率
hmYm h2
或
2
Ne Nm
1 hmYm h
N m : 最大电子浓度 h m : 最大电子浓度对应的高度 Y m : 层的半厚度
由推导的结果可得：
hmh' f0.83f4c
以及
hm
1 2
Ym
h'(0.648 fc )
1 hm 2 Ym h' (0.925 fc ) 即
Y m h '(0 .92 fc) 5 h '(0 .64 fc)8
无线电波传播第八讲2电离层中的电波传播
精品jing
§6.3 垂直传播中的几个问题
二、电离层垂直探测
1、探测原理
1) 0 点为反射点 2) 与N, f 等量有关 3) h' 1 c
2
4)h'~ f
2、频高图
h'~ f的函数 曲线称为频高图。
Ionospheric Station of Gibilmanna
• The frequencies at which this occurs are called the critical frequencies. The critical frequency of each layer is scaled from the asymptote, and the virtual height of each layer is scaled from the lowest point on each curve
• The upwardly curving sections at the beginning of each layer are due to the transmitted wave being slowed by, but not reflected from, underlying ionisation which has a plasma frequency close to, but not equal to the transmitted frequency. For frequencies approaching the level of maximum plasma frequency in a layer, the virtual height tends to infinity, because the pulse must travel a finite distance at effectively zero speed.
6 Nmax
3
2
1
T 跳距
一、传输曲线
2、直接积分法
（1）积分反演表达式
h'(f)
hr 0
'dh(fp)
（6-38）
h'( f ) hr
hr 0
('
1)dh(
f
p
)
hr
Nr 0
'1
dN
dN
dh
（6-39）
可将 μ’ 的主要特性表示为：
'
M1Ne
Nr
1
2
（6-40）
通常M=1，这时，方程（6-38）是阿贝尔方 程，其解是
Ionogram’s characteristics
例：设电离层中，对于h > h0 的高度处的等离子
体频率为fp2= (h-h0)， 是常数，试计算出电离
层的虚高h‘，真高hr和相 高hp，并比较它们的大 小。
相高 < 真高 < 虚高
三、垂直电离图分析
1、模型法（比较法）
以抛物模型为例。
Nm Ne Nm