第十一章__电波在电离层中的传播

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 A 0 e jtkzd 0
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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
eE

m
dV


mV
V
dt eE
jm m


在正弦稳态场中，eE jVm mV
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

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（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。
m
0
Ne2
2 2

j

m
Ne2 0 2


2
E
j 0 r'E
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其中， ' r j60
r
1
m 0
Ne2
2 2


m
Ne2 2 2
s / m
r ,与频率有关，所以电离层是一种色散媒质；
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8
H


j 0E

Ne
e
jm

m
E


j 0 1

Ne2
jm 0

1
j

E

wenku.baidu.com

j 0 1

Ne2
jm 0


j 2 2

E


j
0
1
若考虑地磁场的影响，电离层为各向异 性的媒质。
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第二节 电波在电离层中的传播
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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
2
• 各电离层分层的特点
D层
E层
F1层
F2层
夏季白天高度 （ｋｍ）
冬季白天高度 （ｋｍ）
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）
８０～９０ ９０～１６０
６０～９０ ９０～１６０
大约 ２．５１０９ 大约８０
大约 ２１０１１ 大约１１０
r
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1

02 2
1
f02 f2
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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
fH

e
2m
B
2.84108 B
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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
非寻常波的频率： 0 H f0 f f fH
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。
信号的传播速度可以理解ppt课为件信号振幅平面移动的速度15
3) 电波在电离层中传播的速度
• 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。
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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。
V
dt eE
jm
H

j
0
E

Ne

e
jm
E

j
0
1

Ne2
2m
0
E
j 0 r E
式中，

r

1
Ne2
2m 0
代入e和m的值，得 r
1 80.8
N f2
0
电离层具有ppt课理件 想电介质的特性
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。
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对于一般的无线电波，有 2 2
r
1
Ne2
m 0 2


Ne2 m 2
Ne2
m 0
有频率的量纲，所以令
02

Ne2
m 0
(2f0 )2
f0 80.8N
f0 称为等离子体频率
１７０～２ ２２５～４
２０
５０
１６０～１ １７０以上 ８０
２ ～ ４ ８～２０１
１０１１
０１１
大约１８０ ２００～３ ５０
１０６～１０８ １０５～１０６ １０４
１０～１０３
１０
２０～２５
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约５０
１００～２
００
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• 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
当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：

J
JD

JD

J


E
0

t
C


j 0E
JC eVN


H j0E eVN
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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
eE

m
dV


在正弦稳态场中，eE jVm
第十一章 电波在电离层中 的传播
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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。
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