什么是电离层电波传播?

什么是电离层电波传播?

[拼音]：dianliceng dianbo chuanbo

[外文]：ionospheric radio wave propagation

受地球上空约55～1000公里弱等离子体区域制约的无线电波传播，包括在这个区域内和透过这个区域的电波传播。

电离层电波传播特性

电离层电波传播十分复杂。对一定波长的电波，若介质性质在一个波长内变化不大，则磁离子理论能描述这些区域中的电波状态；但当波行近反射点时，磁离子理论失效。在这两个区域的中间区域，磁离子理论只是一种近似描述。比磁离子理论更进一步的近似，是所谓慢变化介质中的射线理论；在突然变化的边界则须用全波解的理论。

电离层是冷的弱等离子体，呈电中性。入射电波的电场引起电子强迫振荡和加速运动，发生次波辐射。所有次波辐射与入射波叠加起来形成电离层中的波场，改变入射波的波场性能。电离层中有大量中性分子和离子，运动的电子与它们碰撞后，有部分能量转变为中性分子和离子的热运动能量。这样的能量交换使电波能量衰减，称为电离层吸收。它有两种极端情况：一是发生在 D层，这里折射指数接近于 1。吸收与电子密度和碰撞频率之乘积(其值一般很大)成比例而与频率的平方成反比，称为非偏移吸收；另一种情况发生在电波反射的高度附近，这里折射指数趋于零，吸收正比于碰撞频率的平均值，也正比于群折射指数与相折射指数之差，称为偏移吸收。

电波的电场会引起介质极化，形成极化电流，在电离层介质中引起位移电流和传导电流，二者相位差为90°，故介电常数是复数，与频率有关。在同一条件下，不同频率的电波有不同的折射率、传播速度和传播路径，这就是色散关系，所以电离层是色散介质。

电离层处在地磁场中，电子运动时因受地磁场的洛伦茨力作用而围绕磁力线旋转，旋转频率称为磁旋频率，其大小可以与短波频率相比。若电波传播方向与地磁场方向一致，如在极区向上垂直发射电波到电离层，则称为纵传播；若电波传播方向与地磁场方向相互垂直，如在磁赤道向上发射电波到电离层则称为横传播。这时，电子运动状态，在某一特定条件下可忽略磁场作用。一般来说，电波在电离层中传播的方向与地磁场方向成一定夹角。当电波频率大于磁旋频率时，电子旋转时在电波传播方向和垂直电波传播方向均出现电矢量，并不断改变方向和大小。这些场与原来场量相加，其电矢量端点轨迹将在空间描出椭圆。磁矢量也有相同情况，称为偏振。由于介质的特性，一般有两个特征椭圆偏振波，其旋转方向一个向左，一个向右。在一定条件下可退化为圆偏振或线偏振。在电离层中入射的线偏振波会分裂为两个旋转方向相反的偏振波，称为寻常波和非常波，各自独立传播。这一现象称为磁离子分裂或电波双折射。垂直探测的电离图（见电离层垂直探测）描迹的分叉现象，就是寻常波和非常波的一种表示。在临界频率附近，频率较低者对应于寻常波，频率较高者对应于非常波。在一定条件下寻常波和非常波近似于两个反向的圆极化波，它们在电离层中传播时保持各自的圆极化不变，在传播路径上某一固定点上总可以合成为线偏振波。由于它们的相速度不相等，在不同的点上合成波的线偏振平面互不相同，也就是在电波传播过程中线偏振面是不断旋转的，这种现象称为法拉第旋转。

实际上，入射到电离层的电波并非单色波，在时间和空间上都是有限的，并且带有一定的信息。即使是单一频率的波也不一定是单色的，而是由许许多多频率单色平面波组合而成的。这样的波群的包络称为波包。以这样调制过的电波射入色散介质电离层中，每个频率各自遵循自己的折射路径传播。显然，传播以后不可能恢复原状而产生畸变。单色波和波包在电离层中传播的速度是不同的，单色波的速度是等相面移动速度，称为相速度；波包的传播速度称为群速度。相速度和群速度在计入地磁场影响的电离层中，在方向和数值上都不相同；如在忽略磁场影响的电离层(各向同性色散介质)中，群速度vg和相速度vφ方向一致，在数值上的关系为vg=nc，vφ＝


，或vgvφ＝c2。式中c为自由空间光速；n为中心频率的折射指数。电波矢量的相速度移动所经历的路程为相路径。电波能量以群速度传播所经历的路程为群路径。在电离层探测中所得的大量信息，都是直接观测群路径而获得的。

电离层电波传播特性，可以从磁离子理论最基本的阿普顿－哈特里公式导出(见磁离子理论)。这个公式给出了介质中寻常波和非常波折射指数与等离子频率、碰撞频率、磁旋频率、电波频率，以及入射波方向与磁场夹角之间的关系。

单层的电离层的电子密度 N随高度的增加而增至极大值N


，然后随高度增加而减小。在不计入磁场和碰撞时，电离层的折射指数n与电子密度N(米-3)和电波频率f（赫）的关系为

当高度低于电子密度极大值的高度时，随着高度的增加，折射指数n从1变得越来越小；当高于极大值以上的高度时，n 随高度的增加而越来越接近于1。如果把电离层分成很多薄层，并把折射定律应用到薄层间的每一分界面上，对以φ0角入射的电波，则有

1·sinφ0＝n1sinφ1＝n2sinφ2＝…＝nnsinφn

由于n 逐渐变小而φ 逐渐变大，因此，射线渐趋于水平，这就是电波折射。若电波在某处φn≈90°，sinφ0=nn=


，且Nn厵Nmax，则电波满足全内反射条件而被电离层反射，最后被折回地面。如果Nn=Nmax，不满足上述条件，而电子密度随高度增加而减小，n越来越趋于1，则电波不发生全内反射而穿过电离层折射到宇宙中去。因此，当电波以一定角度入射某一电离分布的电离层时，频率越低则越易被反射，且深入电离层越浅；反之，频率越高则越易穿过电离层，路径被电离层弯曲程度越小。

电离层电波传播方式

电离层对超长波至微波频段的电波均有影响，只是影响程度不同，传播效应各异。

透射传播

高于 100兆赫的电波因电离层电子密度不足以造成反射，且折射作用也不大，能直接穿过电离层。地－空通信、远程警戒雷达就基于这个原理。但是，电离层存在大量不同尺度的不均匀结构，使透射电离层的信号的振幅和相位产生起伏，这种现象称为电离层闪烁。闪烁现象在磁赤道±20°之内出现较多，在极区也较严重，而在中纬地区较弱（见视距电波传播、光波传播、10 GHz 以上电波传播）。

散射传播

利用电离层中不均匀结构对甚高频波段（3～100兆赫）电波的散射作用，可实现远距离散射传播。利用 D层湍流混合的不均匀性散射，可实现30～60兆赫频段电波在1000～2000公里内的通信；利用电离层中流星余迹间歇的散射和反射现象，可实现40～80兆赫频段电波在 2000公里内的突发通信；利用F区的不均匀性突发或强的散射，可实现直到50兆赫频率电波在距离大于4000公里时的通信；Es反射或散射可以使直到80兆赫频段的电波传播2000公里而造成电视频道的干扰。散射传播效率低，信号强度弱，衰落快，距离有限且?诺兰浠ハ喔扇牛蚨拗屏怂堑墓惴河τ茫?超短波电离层传播）。

反射传播

对长波、中波和短波(30千赫～30兆赫)的电波，可利用电离层反射实现远距离甚至环球传播。长波天波传播广泛应用于导航和授时。中波天波传播广泛用于广播和导航。短波传播广泛用于通信和广播。短波设备简单、经济、方便、传播距离远，是远距离通信的重要手段之一。中波、长波传播有天波和地波干涉的问题；而短波信道则易受电离层不稳定的影响（见低频天波传播、中波传播、短波传播）。

波导传播

极低频、甚低频 （0.3～30千赫）波段的电波，可在地与电离层所构成的同心球壳间实现“波导传播”，其优点是传播相位稳定和传播距离远，广泛用于导航、授时和通信（见地-电离层波导电波传播）。