天波传播

天波传播 安徽大学、电子科学与技术学院 本章内容 7.1 电离层概况 7.2 无线电波在电离层中的传播 7.3 短波天波传播 7.4 中波天波传播的介绍 由于地面吸收太阳辐射(红外、可见光及波长大于300nm的紫外波段)能量，转化为热能而向上传输，引起强烈的对流。对流层空气的温度是下面高上面低，顶部气温约在-50℃左右。对流层集中了约3/4的全部大气质量和90%以上的水汽，几乎所有的气象现象如下雨、下雪、打雷闪电、云、雾等都发生在对流层内。离地面大约10～60km的空间,气体温度随高度的增加而略有上升，但气体的对流现象减弱，主要是沿水平方向流动，故称平流层。平流层中水汽与沙尘含量均很少，大气透明度高，很少出现像对流层中的气象现象。对流层中复杂的气象变化对电波传播影响特别，而平流层对电波传播影响很小。 从平流层以上直到1000km的区域称为电离层,是由自由电子,正离子,负离子,中性分子和原子等组成的等离子体.使高空大气电离的主要电离源有:太阳辐射的紫外线,X射线,高能带电微粒流,为数众多的微流星,其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等,其中最主要的电离源是太阳光中的紫外线.该层虽然只占全部大气质量的2%左右,但因存在大量带电粒子,所以对电波传播有极大影响. 从电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的两个辐射带，称为磁层。磁层顶是地球磁场作用所及的最高处，出了磁层顶就是太阳风横行的空间。在磁层顶以下，地磁场起了主宰的作用，地球的磁场就像一堵墙把太阳风挡住了，磁层是保护人类生存环境的第一道防线。而电离层吸收了太阳辐射的大部分X射线及紫外线，从而成为保护人类生存环境的第二道防线。平流层内含有极少量的臭氧(O3)，太阳辐射的电磁波进入平流层时，尚存在不少数量的紫外线，这些紫外线在平流层中被臭氧大量吸收，气温上升。在离地面25km高度附近,臭氧含量最多，所以常常称这一区域为臭氧层。臭氧吸收了有害人体的紫外线,组成了保护人类生存环境的第三道防线.臭氧含量极少，其含量只占该臭氧层内空气总量的四百万分之一，臭氧的含量容易受外来因素的影响。 大气电离的程度以电子密度N(电子数/m3)来衡量。地面电离层观测站以及利用探空火箭,人造地球卫星对电离层的探测结果表明,电离层的电子密度随高度的分布如图5―2所示。电子密度的大小与气体密度及电离能量有关。气体在90km以上的高空按其分子的重量分层分布,如在300km高度上面主要成分是氮原子,在离地90km以下的空间,由于大气的对流作用,各种气体均匀混合在一起。 在大气层的高层区域，分子电离的比例要比大气层的低层区域高很多。电离的密度越高，折射率越大。另外，由于电离层的非均匀结构以及它的温度和密度都是变量，一般将电离层进行分层分析。电离层通常分为D、E、F三层，如图5.2所示。 电离层的分层在同一天的不同时间有不同的高度和不同的电离密度。电离密度在一年中随季节呈周期性波动，并且这种周期性的变化还随着太阳黑子活动以大约11年为一个周期发生着变化。在太阳光最强的时期电离层的密度最大(在夏天的中午时段)。 D层是电离层的最底层，距地球表面大约在50～100 km。由于离太阳的距离最远，电离的程度最弱，因此电离层的D层对无线电波的传播方向影响最小。然而，D层中的离子对电磁能量有明显的吸收作用。在D层中的电离程度取决于朝向太阳时在地平线上的海拔高度，所以在日落之后电离消失。电离层的D层主要对VLF(甚低频、超长波)波和LF(低频、长波)波有反射作用，对MF(中频、中波)波和HF(高频、短波)波会产生吸收现象。 E层距地球表面大约100～140 km。由于它是由两名科学家首先发现的，因此电离层的E层有时也称为肯内利—亥维赛层(Kennelly-Heaviside)。正午时期，E层在距地面大约70英里处出现最大密度。与D层一样，在日落之后E层电离几乎全部消失。电离层的E层有助于MF表面波的传播，并对HF波有部分反射。由于E层上层部分的电离的出现和消失不可预料，有时需要单独考虑它，并将其称为不规则的E层。太阳耀斑(Solar Flare)和太阳黑子的活动性(Sunspot Activity)引起了不规则E层的出现。不规则E层很薄，却有很高的电离密度。出现不规则E层时，远距离的无线电传播在该处通常会出现异常。 F层实际上是由F1和F2两层组成的。在白天，F1层位于距地球表面约140～250 km的上空；F2层在冬季距地球表面约140～300 km，而在夏季距地球表面约250～230 km。在夜晚F1层和F2层合为一层。某些HF波在F1层会被吸收及衰减，尽管大部分的HF波可传播到F2层，但在该处它们都将被折射回地面。 各向异性介质中的电波传播 1 各向异性介质 如果介质的极化、磁化或传导特性与外