第十一章--电波在电离层中的传播.ppt

第十一章第十一章 电波在电离层中电波在电离层中的传播的传播2021/6/41第一节第一节 电离层介绍电离层介绍1. 电离层的结构和特点电离层的结构和特点 • 电离层：电离层： 指指80~700km高度范围内自由电高度范围内自由电 子密度较高区域子密度较高区域• 电离层的分层结构及其特点：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下至上分为D、、E、、F三层在夏季的白天，三层在夏季的白天，F层又分层又分为为F1和和F2层2021/6/42• 各电离层分层的特点各电离层分层的特点D D层层E E层层F F1 1层层F F2 2层层夏季白天高度夏季白天高度（ｋｍ）（ｋｍ）８０～９０８０～９０９０～１６０９０～１６０１７０～２１７０～２２０２０２２５～４２２５～４５０５０冬季白天高度冬季白天高度（ｋｍ）（ｋｍ）６０～９０６０～９０９０～１６０９０～１６０１６０～１１６０～１８０８０１７０以上１７０以上白天最大电子密白天最大电子密度（个／ｍ度（个／ｍ３３））大约大约２．５２．５ １０１０９９大约大约２２ １０１０１１１１２２ ～～ ４４ １０１０１１１１８～２０８～２０ １１００１１１１最大电子密度所最大电子密度所在的高度在的高度（ｋｍ）（ｋｍ）大约８０大约８０大约１１０大约１１０大约１８０大约１８０２００～３２００～３５０５０碰撞次数碰撞次数（个／ｓ）（个／ｓ）１０１０６６～１０～１０８８１０１０５５～１０～１０６６１０１０４４１０～１０～１０１０３３半厚度半厚度（ｋｍ）（ｋｍ）１０１０２０～２５２０～２５约５０约５０１００～２１００～２００００2021/6/43• 电离层的变化：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（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　一天中昼夜的周期性重复•　季节性的周期变化　季节性的周期变化•　以约１１年为周期的太阳活动性的变化　以约１１年为周期的太阳活动性的变化一般用太阳黑子数一般用太阳黑子数R12表征太阳的活动性表征太阳的活动性2021/6/44（２）电离层的反常变化：电离层的非周期性的、不（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　　　　　　　　　　　　可预测的不规则变化•　Ｅ　Ｅｓｓ层的出现层的出现　　　　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　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2021/6/45２．电离层的电特性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：当电波通过电离层时，在电离层中的麦克斯韦方程：2021/6/461）如果不考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所）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，则作的功全部转化为电子的动能，则电离层具有理想电介质的特性电离层具有理想电介质的特性2021/6/47 2）考虑电子与其它粒子的碰撞，电场力所作的功）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设电子与其它粒子单位时间内的碰撞数为 ，并认为电，并认为电子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则子在发生碰撞时，动能全部转移给别的粒子，则2021/6/482021/6/49其中，其中，2021/6/410对于一般的无线电波，有对于一般的无线电波，有有频率的量纲，所以令有频率的量纲，所以令称为等离子体频率称为等离子体频率2021/6/4113. 地磁场对电离层的影响地磁场对电离层的影响•地磁场产生原因：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，将作螺旋电离层中的自由电子在地磁场的作用下，将作螺旋运动运动电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作电子作圆周运动的频率称为磁旋频率，记作fH2021/6/412 当某一频率当某一频率 f 的电波进入电离层后，由于地磁场的作用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：寻常波的频率：非寻常波的频率：非寻常波的频率： 若考虑地磁场的影响，电离层为各向异若考虑地磁场的影响，电离层为各向异性的媒质性的媒质2021/6/413第二节第二节 电波在电离层中的传播电波在电离层中的传播2021/6/4141. 电波在电离层中的传播速度电波在电离层中的传播速度1)电波传播的相速和群速电波传播的相速和群速•相速：电波等相位面传播的速度相速：电波等相位面传播的速度•群速：能量传播的速度群速：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。

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信号的传播速度可以理解为信号振幅平面移动的速度2021/6/4153)电波在电离层中传播的速度电波在电离层中传播的速度假设信号的频谱宽度为假设信号的频谱宽度为2△△ω，， ω0为载频，则信号可表示为：为载频，则信号可表示为：如果如果，则可以将传播常数，则可以将传播常数展开为台拉级数：展开为台拉级数：取前两项，得取前两项，得2021/6/4162021/6/417Em随着时间和空间的改变而改变但在随着时间和空间的改变而改变但在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，时，群速就代表信号的传播速度群速就代表信号的传播速度。

2021/6/418∵∵电离层是色散媒质电离层是色散媒质2021/6/419信号在电离层中的群速恒小于光速，而相速则大于光速信号在电离层中的群速恒小于光速，而相速则大于光速2021/6/4202. 不考虑地磁场的影响时，电波在电离层中的传播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电波在单电离层中的折射ZNZmNm单电离层自由电子密度单电离层自由电子密度分布的规律分布的规律2021/6/421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 设第设第n层的自由电子密层的自由电子密度为度为Nn，则当，则当Z

随高度减小时，路径向下弯曲2021/6/4232)电波从电离层反射回来的条件电波从电离层反射回来的条件令令则则当入射角当入射角 时，即电波垂直地面发射时，反射条件为时，即电波垂直地面发射时，反射条件为由此可见，频率越高，要求反射处的电子密度越大所由此可见，频率越高，要求反射处的电子密度越大所以，当以，当 时，可得到时，可得到垂直投射的电波能够反射回垂直投射的电波能够反射回来的最高频率，称为临界频率来的最高频率，称为临界频率，记作，记作fc2021/6/424当当 时，时，∴∴斜投射时，电波能够反射的最高频率为斜投射时，电波能够反射的最高频率为结论：结论：• 对于同一个入射角，频率越高，反射高度越高，对于同一个入射角，频率越高，反射高度越高， 通信距离越远；通信距离越远；• f > fmax 时，电波穿透电离层；时，电波穿透电离层；• 当当 f 接近接近 fmax 时时，，通信距离最远；通信距离最远；• 对于平面地面，对于平面地面， ，， 即入射角越大，可用频率范围越宽。

即入射角越大，可用频率范围越宽2021/6/4253)地球曲率对反射条件的影响地球曲率对反射条件的影响 由于地球有曲率存在，所以由于地球有曲率存在，所以i0达不到达不到90°当电波沿当电波沿地表面切线投射时，电波达到最大入射角地表面切线投射时，电波达到最大入射角i0maxZORi0maxi0：地球半径：地球半径：电离层下界面到地：电离层下界面到地球表面的距离球表面的距离2021/6/426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：电波沿地表面投射时，反射频率最高： 但电波沿地表面投射时，吸收损耗很大，所以实际中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常以一定的仰角△△进行投射进行投射2021/6/427以一定仰角投射时，电波能够反射的最高频率：以一定仰角投射时，电波能够反射的最高频率：由正弦定律，得由正弦定律，得在实际中，考虑了地球曲率后，在实际中，考虑了地球曲率后，2021/6/4284) 电离层的临界频率和最高反射频率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。

层的临界频率就是电离层的临界频率 F2层的最高层的最高反射频率就是电离层的最高反射频率反射频率就是电离层的最高反射频率实测：实测：2021/6/429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2021/6/4303. 各波段电波在电离层中的传播特性各波段电波在电离层中的传播特性1)超短波（超短波（1mm<λ<10m）） 电离层对超短波来讲是透明的，超短波在电离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利用散射作用有可能实现电波的远距离传播2)短波（短波（10m<λ<100m）） 电离层对短波传播有着特殊的作用利用电离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层的反射可实现短波的远距离通信 3

夜间不能由电离层反射夜间D层消失，中波能由层消失，中波能由E层反层反射传播较远的距离射传播较远的距离E层层4)长波（长波（1000m<λ<10000m）） 电离层对长波来讲是良导体，长波可在由电离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远的距离 但长波在电离层中的反射损耗较大但长波在电离层中的反射损耗较大2021/6/432 对长波来讲，接收点总的场强对长波来讲，接收点总的场强ER应是地波场强应是地波场强Eg和天和天波场强波场强ES的矢量和的矢量和ER的幅值为：的幅值为：的相位差的相位差经验公式：经验公式：当当f > 50kHz，需考虑对流层不均匀性的影响，需考虑对流层不均匀性的影响2021/6/4335)超长波（超长波（10km<λ<100km）与）与极长波极长波（（100km<λ<1000km）） 由于电离层对超长波的反射损耗较小，由于电离层对超长波的反射损耗较小，接收点的场强会因天波和地波的干涉而形成接收点的场强会因天波和地波的干涉而形成衰落。

衰落 极长波传播损耗很低，电离层对其损耗极长波传播损耗很低，电离层对其损耗也很小，因此，极长波可以在由地球表面和也很小，因此，极长波可以在由地球表面和电离层所构成的球形空腔内形成电离层所构成的球形空腔内形成“谐振谐振”2021/6/434部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！。