第十組天波傳播

（優(yōu)選）第十組天波傳播當(dāng)前1頁，總共34頁。電離層概況電離層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖1―1地面上空大氣層概況當(dāng)前2頁，總共34頁。圖1―2大氣的分層現(xiàn)象當(dāng)前3頁，總共34頁。對每層氣體而言，氣體密度是上疏下密，而太陽照射則上強(qiáng)下弱，因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個(gè)不同的高度上，每一個(gè)最大值所在的范圍叫做一個(gè)層，由下而上我們分別以D、E、F1、F2等符號來表示，電離層各層的主要數(shù)據(jù)如表1―1。當(dāng)前4頁，總共34頁。

表1―1電離層各層的主要參數(shù)當(dāng)前5頁，總共34頁。表中的半厚度是指電子密度下降到最大值一半時(shí)之間的厚度，臨界頻率是指垂直向上發(fā)射的電波能被電離層反射下來的最高頻率。各層反射電波的大致情況如圖1―3所示。圖1―3長、中、短波從不同高度反射當(dāng)前6頁，總共34頁。D層是最低層，因?yàn)榭諝饷芏容^大，電離產(chǎn)生的電子平均僅幾分鐘就與其它粒子復(fù)合而消失，因此到夜間沒有日照，D層就消失了。D層在日出后出現(xiàn)，并在中午時(shí)達(dá)到最大電子密度，之后又逐漸減小。由于該層中的氣體分子密度大，被電波加速的自由電子和大氣分子之間的碰撞使電波在這個(gè)區(qū)域損耗較多的能量。D層變化的特點(diǎn)是在固定高度上電子密度隨季節(jié)有較大的變化。當(dāng)前7頁，總共34頁。E層是電離層中高度大約在90～150km間的區(qū)域，可反射幾兆赫的無線電波，在夜間其電子密度可以降低一個(gè)量級。

F層在夏季白天又分為上下兩層，170～200km高度為F1層，200km高度以上稱F2層。在晚上，F(xiàn)1與F2合并為一層。F2層的電子密度是各層中最大的，在白可達(dá)2×1012個(gè)/m3，冬天最小，夏天達(dá)到最大。F2層空氣極其稀薄，電子碰撞頻率極低，電子可存在幾小時(shí)才與其它粒子復(fù)合而消失。F2層的變化很不規(guī)律，其特性與太陽活動(dòng)性緊密相關(guān)。當(dāng)前8頁，總共34頁。電離層的變化規(guī)律電離層概況

天波傳播和電離層的關(guān)系特別密切，只有掌握了電離層的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，才能更好地了解天波傳播。由于大氣結(jié)構(gòu)和電離源的隨機(jī)變化，電離層是一種隨機(jī)的、色散、各向異性的半導(dǎo)電媒質(zhì)，它的參數(shù)如電子密度、分布高度、電離層厚度等都是隨機(jī)量，電離層的變化可以區(qū)分為規(guī)則變化和不規(guī)則變化兩種情況，這些變化都與太陽有關(guān)。當(dāng)前9頁，總共34頁。1）．電離層的規(guī)則變化太陽是電離層的主要能源，電離層的狀態(tài)與陽光照射情況密切相關(guān)，因此電離層的規(guī)則變化有以下4種：（1）日夜變化。日出之后，電子密度不斷增加，到正午稍后時(shí)分達(dá)到最大值，以后又逐漸減小。夜間由于沒有陽光照射，有些電子和正離子就會重新復(fù)合成為中性氣體分子，D層由于這種復(fù)合而消失；E層仍然存在，但其高度比白天低，電子密度比白天小；F1層和F2層合并稱為F層且電子密度下降。到拂曉時(shí)各層的電子密度達(dá)到最小。一日之內(nèi)，在黎明和黃昏時(shí)分，電子密度變化最快。當(dāng)前10頁，總共34頁。（2）季節(jié)變化。由于不同季節(jié)，太陽的照射不同，故一般夏季的電子密度大于冬季。但F2層例外，F(xiàn)2層冬季的電子密度反而比夏季的大，并且在一年的春分和秋分時(shí)節(jié)兩次達(dá)到最大值，其層高度夏季高冬季低。這可能是由于F2層的大氣在夏季變熱向高空膨脹，致使電子密度減小的緣故。F1層多出現(xiàn)在夏季白天。（3）隨太陽黑子11年周期的變化。太陽黑子數(shù)與太陽活動(dòng)性之間有著較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，人們常常以黑子數(shù)的多少作為“太陽活動(dòng)”強(qiáng)弱的主要標(biāo)志。黑子數(shù)目增加時(shí)，太陽輻射的能量增強(qiáng)，因而各層電子密度增大，特別是F2層受太陽活動(dòng)影響最大。黑子的數(shù)目每年都在變化，但根據(jù)天文觀測，它的變化也有一定的規(guī)律性，太陽黑子的變化周期大約是11年，如圖1―4所示。因此電離層的電子密度也與這11年變化周期有關(guān)。當(dāng)前11頁，總共34頁。圖1―4太陽黑子數(shù)隨年份的變化當(dāng)前12頁，總共34頁。（4）隨地理位置變化。由于地理位置不同，太陽光照強(qiáng)度也不相同。在低緯度的赤道附近，太陽光照最強(qiáng)，電子密度最大。越靠近南北極，太陽的光照越弱，電子密度也越小。我國處于北半球，南方的電子密度就比北方的大。當(dāng)前13頁，總共34頁。2）．電離層的不規(guī)則變化電離層的不規(guī)則變化是其狀態(tài)的隨機(jī)的、非周期的、突發(fā)的急劇變化，主要有以下3種：（1）突發(fā)E層（或稱Es層）。有時(shí)在E層中約120km高度會出現(xiàn)一大片不正常的電離層，其電子密度大大超過E層，有時(shí)比正常E層高出幾個(gè)數(shù)量級，有時(shí)可反射50～80MHz的電波。因此當(dāng)突發(fā)E層時(shí)，將使電波難以穿過Es層而被它反射下來，產(chǎn)生“遮蔽”現(xiàn)象，對原來由F層反射的正常工作造成影響，使定點(diǎn)通信中斷。一般Es層僅存在幾個(gè)小時(shí)，在我國夏季出現(xiàn)較頻繁，在赤道和中緯度地區(qū)，白天出現(xiàn)的概率多于晚上，而高緯度地區(qū)則相反。另外，在黑子少的年份里，突發(fā)E層多。當(dāng)前14頁，總共34頁。（2）電離層突然騷擾(SuddenIonosphericDisturbances)。太陽黑子域常常發(fā)生耀斑爆發(fā)，即太陽上“燃燒”的氫氣發(fā)生巨大爆炸，輻射出極強(qiáng)的X射線和紫外線，還噴射出大量的帶電微粒子流。當(dāng)耀斑發(fā)生8分18秒左右，太陽輻射出的極強(qiáng)X射線到達(dá)地球，穿透高空大氣一直達(dá)到D層，使得各層電子密度均突然增加，尤其D層可能達(dá)到正常值的10倍以上。當(dāng)前15頁，總共34頁。圖1―5電離層騷擾時(shí)電子密度增大如圖1―5所示。突然增大的D層電子密度將使原來正常工作的電波遭到強(qiáng)烈吸收，造成信號中斷。由于這種現(xiàn)象是突然發(fā)生的，有時(shí)又稱它為D層突然吸收現(xiàn)象。當(dāng)前16頁，總共34頁。（3）電離層暴(IonosphericStorm)。太陽耀斑爆發(fā)時(shí)除輻射大量紫外線和X射線外，還以很高的速度噴射出大量帶電的微粒流即太陽風(fēng)，當(dāng)帶電粒子接近地球時(shí)有一小部分穿過磁層頂?shù)竭_(dá)磁層。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)和地球磁場相互作用使地球磁場產(chǎn)生變動(dòng)，比較顯著的變動(dòng)稱作磁暴。帶電粒子穿過磁層到達(dá)電離層，使電離層正常的電子分布發(fā)生劇烈變動(dòng)，稱之為電離層暴，其中F2層受影響最大，它的厚度擴(kuò)展，有時(shí)電子密度下降，有時(shí)卻使電子密度增加，最大電子密度所處高度上升。當(dāng)前17頁，總共34頁。2無線電波在電離層中的傳播在討論無線電波在電離層中的傳播問題時(shí)，為了使問題簡化而又能建立起基本概念，可作如下假設(shè)：（1）不考慮地磁場的影響，即電離層是各向同性媒質(zhì)；（2）電子密度N隨高度h的變化較之沿水平方向的變化大得多，即認(rèn)為N只是高度的函數(shù)；（3）在各層電子密度最大值附近，N(h)分布近似為拋物線狀。當(dāng)前18頁，總共34頁。2.1反射條件當(dāng)不考慮地磁場影響時(shí)，電離層等效相對介電常數(shù)為一標(biāo)量εr，若滿足ω2>>υ2條件，同時(shí)將

代入式（10―1―7），得相對介電常數(shù)當(dāng)前19頁，總共34頁。式中,N為電子密度（1/m3）;f為頻率（Hz）。電離層的折射率n為由上式可知，在電離層中電子密度越大，折射率越小，相速也越大；并且，頻率不同，相速v也不同。因此，電離層是折射率小于1的色散介質(zhì)。當(dāng)前20頁，總共34頁。圖2―1電波在電離層內(nèi)連續(xù)折射當(dāng)前21頁，總共34頁。由于隨著高度的增加n值逐漸減小，因此電波將連續(xù)地沿著折射角大于入射角的軌跡傳播。當(dāng)電波深入到電離層的某一高度hn時(shí)，恰使折射角θn=90°，即電波經(jīng)過折射后其傳播方向成了水平的，它的等相位面成為垂直的。這時(shí)電波軌跡到達(dá)最高點(diǎn)。在等相位面的高處相速大，而在等相位面的低處相速小，這就會形成電波向下彎曲的傳播軌跡，繼續(xù)應(yīng)用折射定律，射線沿著折射角逐漸減小的軌跡由電離層深處逐漸折回。由于電子密度隨高度變化是連續(xù)的，因此電波傳播的軌跡是一條光滑的曲線。將n0=1，θn=90°代入上式，可得電波從電離層內(nèi)反射下來的條件式：當(dāng)前22頁，總共34頁。式中Nn是反射點(diǎn)的電子密度。上式表明了電波能從電離層返回地面時(shí)，電波頻率f、入射角θ0和反射點(diǎn)的電子密度Nn之間必須滿足的關(guān)系。當(dāng)前23頁，總共34頁。2.2電離層的吸收與工作頻率的確定在電離層中，除了自由電子外還有大量的中性分子和離子的存在，它們都處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)受電場作用的電子與其它粒子相碰撞時(shí)，就將從電波得到的動(dòng)能傳遞給中性分子或離子，轉(zhuǎn)化為熱能，這種現(xiàn)象稱為電離層對電波的吸收。電離層吸收可分為偏移吸收和非偏移吸收。當(dāng)前24頁，總共34頁。電離層對電波的吸收與電波頻率、電波入射角及電離層電子密度等有關(guān)，其基本規(guī)律總結(jié)如下：（1）電離層的碰撞頻率越大或者電子密度越大，電離層對電波的吸收就越大。這是由于總的碰撞機(jī)會增多則吸收也就越大。一般而言，夜晚電離層對電波的吸收小于白天的吸收。當(dāng)前25頁，總共34頁。（2）電波頻率越低，吸收越大。這是由于電波的頻率越低，其周期（T=1/f）就越長，自由電子受單方向電場力的作用時(shí)間越長，運(yùn)動(dòng)速度也就越大，走過的路程也更長，與其它粒子碰撞的機(jī)會也越大，碰撞時(shí)消耗的能量也就越多，因此電離層對電波的吸收就越大。所以短波天波工作時(shí)，在能反射回來的前提下，盡量選擇較高的工作頻率。當(dāng)前26頁，總共34頁。圖3―4當(dāng)前27頁，總共34頁。在保證可以反射回來的條件下，盡量把頻率選得高些，這樣可以減少電離層對電波能量的吸收。但是，不能把頻率選在fMUF，因?yàn)殡婋x層很不穩(wěn)定，當(dāng)電子密度變小時(shí)，電波很可能穿出電離層。通常選擇工作頻率為最高可用頻率的85%，這個(gè)頻率稱為最佳工作頻率，用fOWF表示，即fOWF＝85%fMUF當(dāng)前28頁，總共34頁。（3）一日之內(nèi)適時(shí)改變工作頻率。由于電離層的電子密度隨時(shí)變化，相應(yīng)地，最佳工作頻率也隨時(shí)變化，但電臺的工作頻率不可能隨時(shí)變化，所以實(shí)際工作中通常選用兩個(gè)或三個(gè)頻率為該電路的工作頻率，選用白天適用的頻率稱為“日頻”，夜間適用的頻率稱為“夜頻”。顯然，日頻高于夜頻。對換頻時(shí)間要特別注意，通常是在電子密度急劇變化的黎明和黃昏時(shí)刻適時(shí)地改變工作頻率。當(dāng)前29頁，總共34頁。3.衰落與分集接收當(dāng)前30頁，總共34頁。衰落現(xiàn)象衰落(Fading)現(xiàn)象是指：接收點(diǎn)信號振幅忽大忽小，無次序不規(guī)則的變化現(xiàn)象。衰落時(shí)，信號強(qiáng)度有幾十倍到幾百倍的變化。通常衰落分為快衰落和慢衰落兩種。慢衰落的周期從幾分鐘到幾小時(shí)甚至更長，是一種吸收型衰落，主要由電離層電子密度及高度變化造成電離層吸收的變化而引起的?？朔ヂ涞挠行Т胧┲皇窃诮邮諜C(jī)中采用自動(dòng)增益控制。當(dāng)前31頁，總共34頁。圖3―5干涉性衰落由于電離層電子密度N及高度不斷變化，使得多條路徑傳來的電波不能保持固定的相位關(guān)系，因此接收點(diǎn)場強(qiáng)振幅總是不斷地變化著，這種變化是隨機(jī)的，而且變化很快，故稱為快衰落。波長越短，相位差的變化越大，衰落現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)前32頁，總共34頁?？朔缮嫘钥焖ヂ浞椒ㄖ皇遣捎梅旨邮?DiversityReceiving)。顧名思義，“分集”二字就含有“分散”與“集合”的兩重含義，一方面將載有相同信息的兩路或幾路信號，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)特性相互獨(dú)立的途徑分散傳輸，另一方面設(shè)法將分散傳輸后到達(dá)接收的幾路信號最有效地收集起來，