第10章-电波在电离层的传播特性

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电离层介绍云雨臭氧层O3温度气温随高度变化曲线对流层顶－50℃平流层顶－10℃中层顶－90℃热层顶1000℃卫星流星10102103104km磁层电离层平流层对流层珠穆朗玛峰107108109101010111012电子密度/个/m3DEF1F210.1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–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。•随地理位置变化。低纬度大于高纬度190019101920193019401950196019701980199020003002001000太阳黑子数年份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40030020010001081091010101110121013正常情况电离层骚扰时N/(个/m3)高度/kmDEDEFF10.1电离层介绍)(rktjDueEECDJJJeVNJCEjtEJD00eNVEjHeNVEjJ00,10.1电离层介绍mVjdtdVmeEEjEjmeeNEjHr0028.801fNr在不考虑电子和其他粒子碰撞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VmmVjVmdtdVmeE)()(1602222202''00mNemNejEjEmjmeeNEjHrrrr考虑电子和其他粒子碰撞10.1电离层介绍22022002002202220222-118.80,211ffNffmNemNemNerr则为等离子体频令时当有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。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寻常波的小得多。。寻常波的损耗要比非离层的反射高度不一样寻常波和非寻常波在电非寻常波：寻常波：常波。分别成为寻常波和非寻两个波由于地磁场的作用分为的电波进入电离层后，当某一频率为最小值。最大值，赤道附近达到在地理南北极附近达到通常角频率为：表达式为：质量和磁场强度有关。关，与电子的带电量、电子运动速度无率，称为磁旋频率，与为电子做圆周运动的频HxHHHHHffBmeBmeff0210.2电波在电离层的传播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。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。传播速度。可以理解为信号能量的大值所在，所以群速度值是电波能量密度最宽内。信号包络的极大信号的能量都集中在带时，说明宽度为速度。而当信号的频谱为信号振幅平面的移动可以理解不变，信号的传播速度等于常数时也就是不变时而当在随着时间和空间而改变为信号的平均振幅，它取前两项可以得到展开为泰勒级数：将：信号的场强可以表示为假设信号的频谱宽度为2,)(,)()()()(,2)(,,2000000)(())(00)(mmtzddkjmzktjmkztjEtzddktzEdeAEdeEtzEddkkkkdeAtzE10.2电波在电离层的传播ncVddkVncddkVpgg001,1在非色散介质中：：在色散媒质中群速度为10.2电波在电离层的传播)(8.8090)(8.801sinsin21100zNfifzNnininnr反射条件为：入射角折射定律：不考虑地磁场影响时，电波在电离层中的传播10.2电波在电离层的传播的仰角。入射波要有一定会引起地面吸收，所以射波与地面相切时，一临界频率。但入射频率高于垂直入射的不垂直入射时，最高反可以发现当时有当入射角不为。的最高频率为临界频率时垂直入射能够反射回定义当反射的位置也就越高。要求的电子密度越大，比，即频率越高电离层的电子密度成正可以发生反射的频率与,sec)(90,8.80NNmaxmaxififNfcmc10.2电波在电离层的传播•慢行现象•寂静区电离层231＜2＜31电离层地面波静区r1r2地面波电离层静区(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。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10.3各波段在电离层的传播特性（a）反向回波；（b）正向回波接收发射(a)(b)接收发射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