第十一章__电波在电离层中的传播概述
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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
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
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
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。
dV eE m mV 在正弦稳态场中， eE jVm mV dt eE V jm m
e H j0 E Ne jm m E
2 Ne 1 j0 1 E jm 0 j 2 Ne j E j0 1 2 2 jm 0 Ne 2 Ne 2 j0 1 j 2 2 2 2 m m 0 0 ' j0 r E
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， eE jVm dt e H j0 E Ne eE jm E V jm 2 Ne j0 1 2 m E 0 j0 r E
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
2
2
来自百度文库
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
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
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。
对于一般的无线电波，有 2 2
Ne 2 r 1 m 0 2 Ne 2 m 2
2 Ne Ne 2 2 2 ( 2 f ) 有频率的量纲，所以令 0 0 m m 0 0
f 0 80.8 N
f 0 称为等离子体频率
0 f0 r 1 2 1 2 f
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。
•
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。
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
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
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
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。
dV eE m mV 在正弦稳态场中， eE jVm mV dt eE V jm m
e H j0 E Ne jm m E
2 Ne 1 j0 1 E jm 0 j 2 Ne j E j0 1 2 2 jm 0 Ne 2 Ne 2 j0 1 j 2 2 2 2 m m 0 0 ' j0 r E
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， eE jVm dt e H j0 E Ne eE jm E V jm 2 Ne j0 1 2 m E 0 j0 r E
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
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来自百度文库
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
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
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。
对于一般的无线电波，有 2 2
Ne 2 r 1 m 0 2 Ne 2 m 2
2 Ne Ne 2 2 2 ( 2 f ) 有频率的量纲，所以令 0 0 m m 0 0
f 0 80.8 N
f 0 称为等离子体频率
0 f0 r 1 2 1 2 f
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。
•
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。