第十一章--电波在电离层中的传播

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D层E层F1层F2层夏季白天高度（ｋｍ）８０～９０９０～１６０１７０～２２０２２５～４５０冬季白天高度（ｋｍ）６０～９０９０～１６０１６０～１８０１７０以上白天最大电子密度（个／ｍ３）大约２．５１０９大约２１０１１２～４１０１１８～２０１０１１最大电子密度所在的高度（ｋｍ）大约８０大约１１０大约１８０２００～３５０碰撞次数（个／ｓ）１０６～１０８１０５～１０６１０４１０～１０３半厚度（ｋｍ）１０２０～２５约５０１００～２００•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55661221121nnknnkRRRR一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性（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。当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：NVeJEjtEJJJJCDCD00NVeEjH0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mjEeVmVjEedtVdmEe在正弦稳态场中，EjEmNejEmjeNeEjHr002200120228.8011fNmemNerr的值，得和代入式中，电离层具有理想电介质的特性0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mmjEeVVmmVjEeVmdtVdmEe在正弦稳态场中，EjEmNejmNejEjmjNejEjmjNejEmmjeNeEjHr'02202220202202002001111其中，60'jrmsmNemNer/12222202质。离层又是一种非均匀媒数，所以电在电离层中不是一个常同时由于层是一种色散媒质；与频率有关，所以电离Nr,对于一般的无线电波，有22222021mNemNer02mNe有频率的量纲，所以令NffmNe8.80)2(02002200f称为等离子体频率22022011ffr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fHBBmefH81084.22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：HHffff00非寻常波的频率：HHffff00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；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nCVVpg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：00,deAtzEkztj如果02，则可以将传播常数k展开为台拉级数：000ddkkk取前两项，得tzddkzktzddkzkttzddkzktttzddkzktzddkktkzt00000000000000000000zktjmeEtzE00,0000deAEtzddkjm为信号的平均振幅，其中，mEEm随着时间和空间的改变而改变。但在常数tzddk0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。000101ddkdtdzVdtdzddktzddkdtdg28.801fzNnr且∵电离层是色散媒质pgVV000000018.808.80118.8028.80121/8.801211122232ffffffffgnfzNnCfzNfzNnCfzNfzNfnCdfdnfnCdndndCCnddddkV2,1kkVnCfzNfzNnCfzNnnCVffffg0022228.808.8018.802CnCnCVVnCkVgpp信号在电离层中的群速恒小于光速，而相速则大于光速CVCVngp,1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ZNZmNm单电离层自由电子密度分布的规律将单电离层分层，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ZZm时，有nNNN21当将电离层看成理想介质时28.801fzNnrnnnn21nnn3n2n0n1ZNZmNmnnn3n2n0n1n0=1n1i1i1i0电波在单电离层中的传播路径根据折射定律，有1100sinsininin0110iinn路径方向的改变发生在in=90°的时候当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。2)电波从电离层反射回来的条件nninininsinsinsin1100令90ni则208.801sinfzNnin当入射角时，即电波垂直地面发射时，反射条件为00izNzff8.800由此可见，频率越高，要求反射处的电子密度越大。所以，当时，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fcmNNmcNf8.80当时，00i020sec8.808.801sinizNffzNi∴斜投射时，电波能够反射的最高频率为000maxsecsec8.80ifiNifcm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；•ffmax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，，即入射角越大，可用频率范围越宽。max0,900ffic3)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。ZORi0maxi0max0maxmaxmax000ifffiiczRzRRi1max0sin：地球半径：电离层下界面到地球表面的距离电波沿地表面切向投射时，可用频率范围最宽电波沿地表面投射时，反射频率最高：222max0max22max0/111secRzfRzRzRfifRzRzRiccmax0maxmaxmax00iffii时，当但电波沿地表面投射时，吸收损耗很大，所以实际中常以一定的仰角△进行投射。以一定仰角投射时，电波能够反射的最高频率：由正弦定律，得2022000/1cos11sec/1cos1cos1coscossincos90sinsinRziRzzRRizRRizRzRRi2max/1cos1Rzffc在实际中，考虑了地球曲率后，maxmaxfffc4)电离层的临界频率和最高反射频率F2层的临界频率就是电离层的临界频率。F2层的最高反射频率就是电离层的最高反射频率。MHzMHzRzfifMHzNfkmzmNmcmcmmm9.39~9.51/11117.128.80350~200,/1022max0max212实测：mMHzifkmzmMHzfmc5.7,9.39,35019,16max0max当结论•波长小于7.5m的电波不能从电离层反射•波长大于19m的电波在任何入射角都能反射回来•波长在7.5m~19m范围内的电波只能在一定的入射角时才能反射回来，当入射角小于一定值时电波将穿透电离层maxmaxfffc3.各波段电波在电离层中的传播特性1)超短波（1mmλ10m）电离层对超短波来讲是透明的，超短波在电离层中会发生散射、折射和色散。利用散射作用有可能实现电波的远距离传播2)短波（10mλ100m）电离层对短波传播有着特殊的作用。利用电离层的反射可实现短波的远距离通信。3f30MHz3)中波（100mλ1000m）中波白天穿过D层时，被全部吸收，因此白天不能由电离层反射。夜间D层消失，中波能由E层反射传播较远的距离。E层MHzfKHzfc4.9,360max4)长波（1000mλ10000m）电离层对长波来讲是良导体，长波可在由电离层和地表面组成的大气波导中来回反射而传播到很远的距离。但长波在电离层中的反射损耗较大。对长波来讲，接收点总的场强ER应是地波场强Eg和天波场强ES的矢量和。ER的幅值为：gsgsgsREEmVEEEEE,:/cos222的相位差经验公式：kmkmrMeRrRrrPEMR0015.0sin300kmRkmrkWPmmVER;;;/当f50kHz，需考虑对流层不均匀性