电波在电离层的传播特性
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电磁波等相位面的前进速度称为相速度：能量的传播速度 称为群速度。电磁波在色散媒质和非色散媒质中的传播特 性是不同的。
1.电波在非色散媒质中相速度和群速度相等，在色散媒质 中两者不同。 2.信号在非色散媒质中传播不会变形，在色散媒质中会。 3.信号在色散媒质中相速度和群速度相等，在非色散媒质 中两者不同。
10.3各波段在电离层的传播特性
接收 发射
发射
接收
(a)
(b)
（a）反向回波； （b）正向回波
10.3各波段在电离层的传播特性
• 中波传播（300KHz－3MHz）
– 地面波和天波传播 – 地面波传播，与长波相比，由于波长短，地面
损耗大，且绕射能力差，所以传播的有效距离 比长波近，但比短波远，一般为几百千米 – 中波在电离层临界频率以下，故可以反射，通 常在E区反射 – 白天靠地面波传播，晚上既有地面波也有天波 传播
把电子运动方向分解为平行于和垂直于磁场方向 的两个分量，平行于磁场方向的分量不受磁力的作用， 而垂直于磁场方向的分量受到垂直于运动方向和磁场 方向的力而做圆周运动。
10.1电离层介绍
fH为电子做圆周运动的频率，称为磁旋频率，与电子运动速度无
关，与电子的带电量、质量和磁场强度有关。表达式为：
fH
e
2m
107 108 109 1010 1011 1012 电 子 密 度 /个3 / m
平 流 层 顶 － 10℃
臭
氧
层
3
O
对 流 层 顶 － 50℃
对流 层
珠穆朗玛峰
云雨
气温随高度变化曲线
温度
10.1电离层介绍
• 电离层概况
– 电离层是地球高空大气层的一部分， 它从60千米一直延伸到大约1000千 米的高度。电离区域在这个范围内， 主要是太阳的紫外辐射及高能微粒辐 射等，使得大气分子部分游离，形成 了由电子，正、负离子和中性分子、 原子等组成的等离子体
10.2电波在电离层的传播
• 慢行现象 • 寂静区
1
2
3
1 ＜ 2 ＜ 3
电离 层
电离 层
电离层 地面波 静区
地面波 r1
静区 r2
(a)
(b)
10.3各波段在电离层的传播特性
• 短波 衰落 衰落是接收信号强度的一种无规则变化。衰
落时的信号强度可有几十到几百倍的变化。 短波传输中的衰落现象是不同的几条电波 射线在接收点干涉的结果。
大值所在，所以群速度 可以理解为信号能量的 传播速度。
10.2电波在电离层的传播
在色散媒质中群速度为：
Vg
1 dk
nc,
d 0
在非色散介质中：
1
c
Vg dk Vp n
d
0
10.2电波在电离层的传播
不考虑地磁场影响时，电波在电离层中的传播
折射定律：
n0 sin i0 n1 sin i1
B
角频率为：
H
e m
B
通常fH在地理南北极附近达到最大值，赤道附近达到最小值。
当某一频率为f的电波进入电离层后，由于地磁场的作用分为两个波
分别成为寻常波和非寻常波。
寻常波：
0 H
非寻常波： x H
寻常波和非寻常波在电离层的反射高度不一样。寻常波的损耗要比非
寻常波的小得多。
10.2电波在电离层的传播
第10章 电波在电离层中的传播 特性
第10章 电波在电离层中的传播特性
• 10.1电离层介绍 • 10.2电波在电离层的传播 • 10.3各波段在电离层的传播特性
10.1电离层介绍
km 104
磁层 卫星
103
电离 层 102
平流 层
10
热 层 顶 1000℃
流星
F2 F1
E D
中 层 顶 － 90℃
r
180.8
N f2
在不考虑电子和其他粒子碰撞的情况下，等效介电常数为实数，所 以电离层具有理想电介质的特性。电场能量仅使电子发生震荡，并 没有任何损耗。
10.1电离层介绍
考虑电子和其他粒子碰撞
e E m d V m V j V m m V
dt
Hj0EeN j memEj0r'E
r' r j60
1960
1970
1980 1990
2000
• 随地理位置变化。低纬度大于高纬度
10.1电离层介绍
• 电离层的不规则变化 突发E层；电离层骚扰；电离层暴乱
高 度 / km
4 00
电离层骚扰 时
正常情况 3 00
FF
2 00
100 D
E E
D
0 1 08 1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2 1 01 3
n
r
1
80
.8 N f2
(
z)
入射角 in 90 反射条件为：
f 80 .8 N ( z)
10.2电波在电离层的传播
可以发生反射的频 电率 离与 层的电子密度 比成 ，正 即频率越高 要求的电子密度越 反大 射， 的位置也就越高。 定义当 NNma时 x 垂直入射能够反 的射 最回 高频率为临界 。频 fc 80.8Nm,当入射角不 90为 时有fmax(i) fc seci,可以发现当 不垂直入射时，最 射高 频反 率高于垂直入 临射 界的 频率。但入 射波与地面相切时 会， 引一 起地面吸收， 入所 射以 波要有一定 的仰角。
N / (个 / m3 )
10.1电离层介绍
JJDJC JD0 E t j0E
EE D ej(tkur) JC eVN
J j 0 E e, N H V j 0 E eN
10.1电离层介绍
在不考虑电子和其他粒子碰撞
eE mdVjVm
dt
H j0 E e N je m E j0 rE
10.3各波段在电离层的传播特性
• 长波传播（30KHz－300KHz）
– 在大气波导内来回反射
• 长波传播特点：
– 传播损耗小 – 场强有较明显的日变化 – 场强的季节变化不明显 – 传播情况稳定
10.3各波段在电离层的传播特性
图a 天波和地波 图b 天波中的高角波和低角波 、单跳与多跳传播 图c 寻常波和非常波之间的干涉 图d 电离层的漫射
10.3各波段在电离层的传播特性
– 回波现象 – 短波天线传播在某些适当的传播条件下，即使
在很大的距离上也只有较小的传输损耗，电波 可能连续的在电离层内多次反射或在电离层与 地表之间来回反射，有可能环绕地球再次出现， 称为环球回波。在接收机中，若出现了信号回 复，犹如在山谷中出现回声那样，这往往是出 现了回波现象
– 结构特点
• 电离层电子浓度的高度分布有几个峰 值区域
• 按这些峰值区域划分D、E、F1、F2 区
图5-6 电离层电子浓度的高度分布
10.1电离层介绍
D层特点： 60～90km 夜间消失，气体密度大，电子易与其它粒子复合 而消失，夜间没有日照而消失 在中午时达到最大电子密度 对电波损耗较大 电子密度随季节有较大的变化。
E层：90～150km 可反射几兆赫的无线电波 在夜间其电子密度可以降低一个量级
10.1电离层介绍
F层：170～200km为F1层，200km以上称F2层。 在晚上，F1与F2合并为一层。 F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达 2×1012个/m3，冬天大，夏天小。 F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存 在几小时才与其它粒子复合而消失。 F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相 关。
10.1电离层介绍
1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。D层消失，E层减小，F合 并
• 季节变化。夏季的电子密度大于冬季，F2层反常。 • 随太阳黑子11年周期的变化。
300
200
太阳黑子数
100
0 1900
1910
1920
1930
1940
1950 年份
r 1m0(N22e2)
N2e m(22)
10.1电离层介绍
当有2 2时
r
1
Ne2
m0
1
2
令02
Ne2
m0
2f02,
f0
则
Ne2 m2
80.8N为等离子体频
r
1
02 2
1-
f02 f2
10.1电离层介绍
考虑地球的地磁场
地磁场将对电离层带来很大影响，地球的磁场是 由地球飞快的自转和地核中的所形成的涡电流所产生 的，磁场场的的南北极和地理的南北极有一定夹角， 并且处在不断变化中，地磁场的强度也在不断变化。
相速度随频率改变的现象叫做色散。媒质参数随频率变化的现象称为媒质色散。
假设信号的频谱宽度为 2, 信号的场强可以表示为 ：
E z, t A( )e j(tkz)d
2 , 将k ( )展开为泰勒级数：
k
(
)
k
( 0
)
dk
d
0
(
0
)
பைடு நூலகம்
取前两项可以得到
E z, t Eme d j0tk (0 ) z ()
Em
A(
)e d j
(
0
)
dk d
0
z
t
Em为信号的平均振幅，它 随着时间和空间而改变
而当在 z, t不变时
也就是
dk
d
0
z
t等于常数时
Em不变，信号的传播速度
可以理解
为信号振幅平面的移动 速度。而当信号的频谱 宽度为 2时，说明
信号的能量都集中在带 宽内。信号包络的极大 值是电波能量密度最
1.电波在非色散媒质中相速度和群速度相等，在色散媒质 中两者不同。 2.信号在非色散媒质中传播不会变形，在色散媒质中会。 3.信号在色散媒质中相速度和群速度相等，在非色散媒质 中两者不同。
10.3各波段在电离层的传播特性
接收 发射
发射
接收
(a)
(b)
（a）反向回波； （b）正向回波
10.3各波段在电离层的传播特性
• 中波传播（300KHz－3MHz）
– 地面波和天波传播 – 地面波传播，与长波相比，由于波长短，地面
损耗大，且绕射能力差，所以传播的有效距离 比长波近，但比短波远，一般为几百千米 – 中波在电离层临界频率以下，故可以反射，通 常在E区反射 – 白天靠地面波传播，晚上既有地面波也有天波 传播
把电子运动方向分解为平行于和垂直于磁场方向 的两个分量，平行于磁场方向的分量不受磁力的作用， 而垂直于磁场方向的分量受到垂直于运动方向和磁场 方向的力而做圆周运动。
10.1电离层介绍
fH为电子做圆周运动的频率，称为磁旋频率，与电子运动速度无
关，与电子的带电量、质量和磁场强度有关。表达式为：
fH
e
2m
107 108 109 1010 1011 1012 电 子 密 度 /个3 / m
平 流 层 顶 － 10℃
臭
氧
层
3
O
对 流 层 顶 － 50℃
对流 层
珠穆朗玛峰
云雨
气温随高度变化曲线
温度
10.1电离层介绍
• 电离层概况
– 电离层是地球高空大气层的一部分， 它从60千米一直延伸到大约1000千 米的高度。电离区域在这个范围内， 主要是太阳的紫外辐射及高能微粒辐 射等，使得大气分子部分游离，形成 了由电子，正、负离子和中性分子、 原子等组成的等离子体
10.2电波在电离层的传播
• 慢行现象 • 寂静区
1
2
3
1 ＜ 2 ＜ 3
电离 层
电离 层
电离层 地面波 静区
地面波 r1
静区 r2
(a)
(b)
10.3各波段在电离层的传播特性
• 短波 衰落 衰落是接收信号强度的一种无规则变化。衰
落时的信号强度可有几十到几百倍的变化。 短波传输中的衰落现象是不同的几条电波 射线在接收点干涉的结果。
大值所在，所以群速度 可以理解为信号能量的 传播速度。
10.2电波在电离层的传播
在色散媒质中群速度为：
Vg
1 dk
nc,
d 0
在非色散介质中：
1
c
Vg dk Vp n
d
0
10.2电波在电离层的传播
不考虑地磁场影响时，电波在电离层中的传播
折射定律：
n0 sin i0 n1 sin i1
B
角频率为：
H
e m
B
通常fH在地理南北极附近达到最大值，赤道附近达到最小值。
当某一频率为f的电波进入电离层后，由于地磁场的作用分为两个波
分别成为寻常波和非寻常波。
寻常波：
0 H
非寻常波： x H
寻常波和非寻常波在电离层的反射高度不一样。寻常波的损耗要比非
寻常波的小得多。
10.2电波在电离层的传播
第10章 电波在电离层中的传播 特性
第10章 电波在电离层中的传播特性
• 10.1电离层介绍 • 10.2电波在电离层的传播 • 10.3各波段在电离层的传播特性
10.1电离层介绍
km 104
磁层 卫星
103
电离 层 102
平流 层
10
热 层 顶 1000℃
流星
F2 F1
E D
中 层 顶 － 90℃
r
180.8
N f2
在不考虑电子和其他粒子碰撞的情况下，等效介电常数为实数，所 以电离层具有理想电介质的特性。电场能量仅使电子发生震荡，并 没有任何损耗。
10.1电离层介绍
考虑电子和其他粒子碰撞
e E m d V m V j V m m V
dt
Hj0EeN j memEj0r'E
r' r j60
1960
1970
1980 1990
2000
• 随地理位置变化。低纬度大于高纬度
10.1电离层介绍
• 电离层的不规则变化 突发E层；电离层骚扰；电离层暴乱
高 度 / km
4 00
电离层骚扰 时
正常情况 3 00
FF
2 00
100 D
E E
D
0 1 08 1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2 1 01 3
n
r
1
80
.8 N f2
(
z)
入射角 in 90 反射条件为：
f 80 .8 N ( z)
10.2电波在电离层的传播
可以发生反射的频 电率 离与 层的电子密度 比成 ，正 即频率越高 要求的电子密度越 反大 射， 的位置也就越高。 定义当 NNma时 x 垂直入射能够反 的射 最回 高频率为临界 。频 fc 80.8Nm,当入射角不 90为 时有fmax(i) fc seci,可以发现当 不垂直入射时，最 射高 频反 率高于垂直入 临射 界的 频率。但入 射波与地面相切时 会， 引一 起地面吸收， 入所 射以 波要有一定 的仰角。
N / (个 / m3 )
10.1电离层介绍
JJDJC JD0 E t j0E
EE D ej(tkur) JC eVN
J j 0 E e, N H V j 0 E eN
10.1电离层介绍
在不考虑电子和其他粒子碰撞
eE mdVjVm
dt
H j0 E e N je m E j0 rE
10.3各波段在电离层的传播特性
• 长波传播（30KHz－300KHz）
– 在大气波导内来回反射
• 长波传播特点：
– 传播损耗小 – 场强有较明显的日变化 – 场强的季节变化不明显 – 传播情况稳定
10.3各波段在电离层的传播特性
图a 天波和地波 图b 天波中的高角波和低角波 、单跳与多跳传播 图c 寻常波和非常波之间的干涉 图d 电离层的漫射
10.3各波段在电离层的传播特性
– 回波现象 – 短波天线传播在某些适当的传播条件下，即使
在很大的距离上也只有较小的传输损耗，电波 可能连续的在电离层内多次反射或在电离层与 地表之间来回反射，有可能环绕地球再次出现， 称为环球回波。在接收机中，若出现了信号回 复，犹如在山谷中出现回声那样，这往往是出 现了回波现象
– 结构特点
• 电离层电子浓度的高度分布有几个峰 值区域
• 按这些峰值区域划分D、E、F1、F2 区
图5-6 电离层电子浓度的高度分布
10.1电离层介绍
D层特点： 60～90km 夜间消失，气体密度大，电子易与其它粒子复合 而消失，夜间没有日照而消失 在中午时达到最大电子密度 对电波损耗较大 电子密度随季节有较大的变化。
E层：90～150km 可反射几兆赫的无线电波 在夜间其电子密度可以降低一个量级
10.1电离层介绍
F层：170～200km为F1层，200km以上称F2层。 在晚上，F1与F2合并为一层。 F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达 2×1012个/m3，冬天大，夏天小。 F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存 在几小时才与其它粒子复合而消失。 F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相 关。
10.1电离层介绍
1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。D层消失，E层减小，F合 并
• 季节变化。夏季的电子密度大于冬季，F2层反常。 • 随太阳黑子11年周期的变化。
300
200
太阳黑子数
100
0 1900
1910
1920
1930
1940
1950 年份
r 1m0(N22e2)
N2e m(22)
10.1电离层介绍
当有2 2时
r
1
Ne2
m0
1
2
令02
Ne2
m0
2f02,
f0
则
Ne2 m2
80.8N为等离子体频
r
1
02 2
1-
f02 f2
10.1电离层介绍
考虑地球的地磁场
地磁场将对电离层带来很大影响，地球的磁场是 由地球飞快的自转和地核中的所形成的涡电流所产生 的，磁场场的的南北极和地理的南北极有一定夹角， 并且处在不断变化中，地磁场的强度也在不断变化。
相速度随频率改变的现象叫做色散。媒质参数随频率变化的现象称为媒质色散。
假设信号的频谱宽度为 2, 信号的场强可以表示为 ：
E z, t A( )e j(tkz)d
2 , 将k ( )展开为泰勒级数：
k
(
)
k
( 0
)
dk
d
0
(
0
)
பைடு நூலகம்
取前两项可以得到
E z, t Eme d j0tk (0 ) z ()
Em
A(
)e d j
(
0
)
dk d
0
z
t
Em为信号的平均振幅，它 随着时间和空间而改变
而当在 z, t不变时
也就是
dk
d
0
z
t等于常数时
Em不变，信号的传播速度
可以理解
为信号振幅平面的移动 速度。而当信号的频谱 宽度为 2时，说明
信号的能量都集中在带 宽内。信号包络的极大 值是电波能量密度最