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
８～２０１ ０１１
大约１８０ ２００～３ ５０ １０～１０３ １００～２ ００
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４ １０ ２０～２５ 约５０
• 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
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 f f fH
非寻常波的频率：
0 H
f0
若考虑地磁场的影响，电离层为各向异 性的媒质。
第二节 电波在电离层中的传播
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
a. 电波在非色散媒质中传播时，相速与群速相等； C Vg V p 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。 信号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度
D层 夏季白天高度 （ｋｍ） 冬季白天高度 （ｋｍ） ８０～９０ ６０～９０ E层 ９０～１６０ ９０～１６０ F1层 F2层
１７０～２ ２２５～４ ２０ ５０ １６０～１ １７０以上 ８０
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）
大约 ２．５１０９
f c f max ，
即入射角越大，可用频率范围越宽。
3) 地球曲率对反射条件的影响
由于地球有曲率存在，所以i0达不到90°。当电波沿 地表面切线投射时，电波达到最大入射角i0max。
0 i0 i0 max
i0 Z R i0max
f c f max f max i0 max
取前两项，得
dk 0 z t kz t k 0 d 0 dk t k 0 z 0 z d 0 dk t 0t 0t k 0 z 0 z d 0 dk 0t 0 t k 0 z 0 z d 0 dk 0t k 0 z 0 z t d 0
第十一章 电波在电离层中
的传播
第一节 电离层介绍
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。
• 各电离层分层的特点
一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性
1 n 5 1 R12 Rk Rn6 Rn6 12 k n5 2
（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。
对于一般的无线电波，有 2 2
Ne 2 r 1 m 0 2 Ne 2 m 2
Ne 2 Ne 2 2 (2f 0 ) 2 有频率的量纲，所以令 0 m 0 m 0 f 0 80.8 N
f 0 称为等离子体频率
0 f0 r 1 2 1 2 f
N z sin i0 1 80.8 2 f 80.8N z sec i0 f
∴斜投射时，电波能够反射的最高频率为
f max i0 80.8N m sec i0 f c sec i0
结论： • 对于同一个入射角，频率越高，反射高度越高， 通信距离越远； • f > fmax 时，电波穿透电离层； • 当 f 接近 fmax 时，通信距离最远； • 对于平面地面， 0 i0 90,
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
0
0
A e j t kz d
如果 2 0 ，则可以将传播常数 k 展开为台劳级数：
dk 0 k k 0 d 0
2
2
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； 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
e fH B 2.84 10 8 B 2m




E
其中，
' r j 60
Ne 2 r 1 m 0 2 2


Ne 2 m 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。
f f0
f f0
Vg
N z n 80.8 2 f
2
nC
f f0
nC N z N z 1 80.8 2 80.8 2 f f
nC
f f0
C V p k n C V p Vg nC C 2 n

n 1 Vp C, Vg C
当入射角 i0 0时，即电波垂直地面发射时，反射条件为
f f0 z 80.8N z
由此可见，频率越高，要求反射处的电子密度越大。所 以，当 N Nm 时，可得到垂直投射的电波能够反射回 来的最高频率，称为临界频率，记作fc
f c 80.8N m
当 i0 0 时，
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：
J J D JC H j0 E eVN E JD 0 j0 E t J C eVN
1）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所 作的功全部转化为电子的动能，则 dV eE m 在正弦稳态场中， E jVm e dt e H j0 E Ne eE jm E V jm 2 Ne j0 1 2 m E 0 j0 r E
Ne 2 N 式中， r 1 2 代入e和m的值，得 r 1 80.8 2 m 0 f 0 电离层具有理想电介质的特性
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
f f0

1 1 2 n f 1 80.8 N z / f 1 80.8 N z 2 f 3 2 2




f f0
n 80.8
N z 2 f
C 1 1 80.8 N z f2
C N z 1 n 80.8 2 f n
i0 max sin
信号在电离层中的群速恒小于光速，而相速则大于光速
2. 不考虑地磁场的影响时，电波在电离层中的传播
1) 电波在单电离层中的折射
单电离层自由电子密度 分布的规律 Z
Zm
N Nm
将单电离层分层，使得每一薄层中的自由电子密度近似相等 设第n层的自由电子密 度为Nn，则当Z<Zm时，有
Z
N1 N2 Nn
∵电离层是色散媒质 Vg Vp 且n r 1 80.8
V

k

1

, k
2
N z f2

Vg
1 1 C d C d n dn n d 0 n f dn dk df d 0 d C 0 C
•
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。
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。
dk z t 常数 d 0
的面内保持不变。所以信号的传播速度可以理解为信号振幅平 面移动的速度。而群速又可以理解为信号包络移动的速度，这 时，群速就代表信号的传播速度。
dk d dk dz z t 1 0 dt d 0 d 0 dt dz 1 Vg dt dk பைடு நூலகம் d 0