各波段电波传播方式和特点

一．电磁场基本性质：

1．电场和磁场：

静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场称为恒定磁场。

2. 电磁波及麦克斯韦方程：

如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。

0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩

c

D E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。电磁场与电磁波既

然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。

当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。

4. 历史的回顾与电磁场与波的应用

公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。1873年英国科学家麦克斯韦（1831－1879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，这就是著名的麦克斯韦方程。该方程说明了时变电场可以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（1857－1894）的实验证实。在这个基础上俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。

静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因

特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。

以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研制了很多电磁性能优越的新材料。特别是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科，它是当今电磁学的重要分支。

二．大气层结构及其电磁特性

2.1 大气层的不同分类

地球大气层分为低层（约５０千里以下）和高层，整个大气层的垂直结构可按不同的方式划分，其中

按温度划分：对流层、平流层、中层、热层、和逃逸层

按成分划分：均匀层、非均匀层、氢层和质子层

按电磁性划分：中性大气层（从对流层到平流层）、电离层和磁层（参图一）

下面着重讨论对流层、平流层、电离层和磁层的组成和电磁特性

图一地球大气层的一种划分

2.2 对流层的组成及对流层与大气三要素的关系

对流层是靠近地球表面大气的最低层,主要成份是氮、氧、氢、二氧化碳和水汽混合物，是具有旋转气团、各种云层、暖锋、冷锋、雨雪和风暴活动的湍动区,平均高度为11千米,呈中性状态。它对超短波和微

波传播的影响甚大，主要表现为对电波的折射衰减和散射，其折射率n和折射指数N受温度Ｔ、压强Ｐ、湿度ｅ气象三要素的控制，对其它波段的无线电波，可将对流层视为自由空间处理。

2.3 平流层的性质

平流层是指从对流层顶到60km高度的大气层。平流层中各分层排列有序并不混合，20km以下的平流层的温度基本保持不变,所以又称为同温层。在20-50km高度范围内，其温度在逐渐升高，到达50km约C00的最

大值。除臭氧外，这一区域中的大气化学成分基本恒定不变。臭氧能吸收太阳的紫外辐射，然后向平流层释放热量，使大气层维持热平衡，另外臭氧还能吸收太阳紫外辐射，对地球的生态环境和生命活动起着巨大的保护作用。

2.4 电离层的形成、结构、成分

电离层是中性大气层和磁层之间的过渡区域，稀薄的大气受太阳辐射的紫外线，X 射线和各种微粒辐射的作用，电离为自由电子和离子,加之电离作用较快,复合作用较慢,致使电离层中存在的自由电子和离子,数量上足以影响无线电波的传播,一般认为其高度大约从60千米延伸到1000千米左右,其中电子密度变化达四个量级,在某些简化假设下,查普曼从电离与复合平衡出发提出了电离层的简单形成理论(a 、大气仅由一种成分的气体组成，且为平面分层。b 、太阳光为平行的单色辐射。c 、大气处于平衡和等温状态。d 、重力加速度不随高度变化),电离层的结构为

D 层：高度60—90千米,白天存在,夜间消失。

是电波的主要吸收区域

E 层：高度90—150千米,平均高度110千米附近，变化范围从1010/3米到1110/3米，夜间减小一个量级，e 有510/秒的量级，受太阳天顶角变化影响，服从查普曼分布规律。

F 层：高度180—400千米高度范围，夏季白天又有1F 层和2F 层之分，

Ne 在)10~10(1211/3米之间变化，有310/秒的量级。Ｆ层特性变化复杂，受太阳活动性，地磁变化等因素影响。

电离层结构和成分随时空而异，但其特性变化并非不可琢磨。通过长期实验观测表明，电离层特性有规则变化和不规则变化之分，其中