| 词条 | 电离层无线电波传播 |
| 释义 | § 电离层无线电波传播 § 正文 无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早先着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。 基本理论 电离层由自由电子、正离子、负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。由于自由电子的质量远小于离子的质量,一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。但如电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，离子的影响也不能忽略。由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的（见磁离子理论）。电离层的形成和结构特性是受太阳控制的，因此它既随时间又随空间变化。在这样复杂的介质中，分析无线电波传播问题必须建立相对简化的物理模型并根据电波的频率采用相应的理论和方法。对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数，实验证明相当有效。为人们普遍接受的磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-哈特里公式,它是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又被称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。 折射和反射 电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。因为电离层的折射指数小于1,电波在电离层中受到向下折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率就等于电子的等离子体频率。电离层的电子密度随高度的变化具有分层结构（见电离层结构），因此从地面向上传播的电波受到折射后传播路径逐步弯曲，最后转向地面；从而使地面上的远距离传播成为可能。较高频率的电波，穿透电离层的程度也较深，受折射影响偏离直线传播的程度则较小。电波频率超过某一数值时将穿透整个电离层而不被反射。在垂直投射时，对应这一频率的值就是电离层最大电子密度处的临界频率。在斜投射的情况下，也有一个大于上述垂直投射时临界频率的临界值，称为最高可用频率,用MUF表示，只有当使用的电波频率低于它时，电波才能返回地面。显然MUF与电波的投射角度有关,仰角愈小，MUF愈大，传播的距离也愈远。 电波的吸收 电离层对电波有衰减作用，称为电离层的吸收，主要是由电子与大气的分子或原子的碰撞所引起,所以吸收主要发生在低电离层（即D层）内。同时，在电波被电离层反射的区域，由于那里能量的传播速度较慢，经受吸收的时间较长，遭受的吸收也往往不能忽视。这一区域的吸收常被称为偏离区吸收；相对地在电波路径弯曲不大的那部分引起的吸收称为非偏离区吸收。电离层对电波吸收的分贝数与频率的平方成反比，由于非偏离区吸收是主要的，所以在短波通信中多采用较高的频率或进行夜间通信。对于一定的传播电路、一定的信号形式和调制方式、一定的噪声和干扰水平、一定的发射功率和接收机性能，以及一定的通信质量要求，使用的频率有一个下限，称为最低有用频率，用LUF表示。 短波传播 3～30兆赫为短波范围,它是实现电离层远距离通信和广播的最适当波段，在通常的电离层状况下，它正好对应于最高可用频率和最低有用频率之间。 在地面两点之间，无线电短波段在电离层中的传播可以采取如图所示的多种路径。假如从天线斜向发射一束电波，其频率大于发射点上空的临界频率。波束中仰角高的射线可以垂直或略微折射穿透电离层；仰角稍低的射线则如图中1～9经反射回到地面，称为天波。其到达地面的距离先是随仰角的变小而逐渐向发射点靠拢，如射线 1，2，3。到达距离最近的是射线4。此后当仰角继续降低时,射线到达地面的距离又逐渐增大。如射线5～9。由图可见，仰角降低的同时电波反射点也变低。射线4的仰角是个临界点，在4点以外区域中的任何一点可以看到有两条射线到达，一条的到达仰角较高，在空中经历的路程较长；另一条的到达仰角稍低，经历的路程稍短。前者称为高波，后者称为低波。射线4是高低波重合的特殊情形，在地面上4点附近能量集中,称为前沿聚焦。从4处到发射点之间，天波不能到达，而在靠近发射点处有沿地面传来的地波。天波和地波都不能到达的范围称为静区。E层一次反射的最大传播距离约为2000公里,频率不能高于E层的2000公里MUF。F层一次反射的最大传播距离约为4000公里，频率不能高于F层的4000公里MUF。另一方面，一次电离层反射的传播距离也不能小于某一临界值，该临界值称为越距。天波能够经过电离层和地面的多次反射而传播到很远的距离，甚至可作环球传播。 电离层短波传播的优点是可以用不很大的功率来实现远距离通信和广播。它的缺点是：因为电离层是色散介质，电离层传播的频带较窄，如不能传送电视；由于有多径效应，信号的衰落较大；太阳爆发会引起电离层暴和突然骚扰，这时电离层通信和广播可能遭受严重影响，乃至中断。 中波传播 300千赫至3兆赫为中波波段，广泛用于近距离广播。在白天，由于 D层的吸收很大，天波很弱，中波传播主要靠地波；在夜间，由于D层基本上消失,中波可能被E层反射,传播至远达2000公里乃至更远处。因此相对地在近处地波较强，在远处天波较强，在中间某个距离范围内，天波与地波的场强相差不多，引起相互干涉的衰落现象。在夜间,E层不同反射次数的回波也可能引起干涉衰落。 长波和超长波传播 对长波和超长波段（30～300千赫和3～30千赫），一般地说,射线理论（即近似的几何光学方法）不再适用，必须用严格的全波理论来处理。对于几百公里以内的近距离传播,电离层的影响很小,天波可以不加考虑，而用一般的地波传播理论来处理。对于远距离的长波和超长波传播，其传播方式主要是地面与电离层低层边界之间的波导传播。这种传播方式主要用于远距离导航、标准时间信号的播送以及陆地对潜艇的通信。其优点在于：信号衰减较慢,传播距离较远,信号强度、传播速度和相位比较稳定。它们的稳定性受低电离层的高度和结构变化的影响，在日出日落时变化较大；在电离层突然骚扰时，信号会增强。 长波和超长波还有另一种传播方式，即所谓哨声型传播。哨声是由雷电产生的频率在声频范围内的电磁脉冲信号，它的寻常波能基本上沿地球磁力线穿透电离层经磁层返回达地球另一侧，并从地面反射再沿原来的磁力线路径回到原先的半球，它甚至能往返传播多次。由于电离层色散效应，不同频率的成分按先高后低的次序到达，接收时可以听到口哨一样的声音，故称哨声。 超短波的散射传播 超短波的频率范围从 30～300兆赫,300兆赫以上为微波波段。这两个波段的无线电波都将穿透电离层，因此它们主要是用于地面和空间飞行器之间的跟踪定位、遥测、遥控和通信联络。这时无线电波在穿透电离层的过程中或多或少地受到折射而影响到工程应用中的精度，因此要进行折射误差的修正。另一方面超短波的低端由于电离层中不均匀结构对电波的散射作用而使地面上点与点之间的传播成为可能，实际的电离层散射传播方式有如下几类：经过D层前向散射，适合于30～60兆赫，传播距离从1000～2000公里，但由于频带较窄，实用意义不大；利用流星余迹反射适用于40～80兆赫的间歇式通讯,距离可达2000公里；经过F层不均匀体散射,距离可达4000公里；利用偶发E层(Es层)反射，距离可达2000公里，频率可达80兆赫。当电路跨越极区时，可利用极光区电离气体反射。电离层中的随机不均匀结构对电波的散射能使它们的振幅、相位和射线到达角等都发生随机起伏，称为电离层闪烁。这种现象对于穿透电离层的无线电短波高端，乃至几千兆赫的微波波段都存在。 法拉第旋转和多普勒频移 电离层作为各向异性介质，在其中传播的无线电波可以分解为两个特征波，即寻常波和非常波。它们具有不同的相速和传播路径，一般地说，它们是椭圆偏振的（见磁离子理论）。当传播方向同地磁场的方向平行时，它们成为圆偏振；当频率远高于电子的磁旋频率时，只要传播方向不正好同地磁场垂直，特征波的偏振近似地是圆偏振。两个圆偏振合成为一个线偏振波，但由于电离层结构特征的变化，合成波的电场强度矢量的方向缓慢地旋转，这种偏振面的旋转称为法拉第旋转。通过测量法拉第旋转速度，可以计算出电离层中沿传播路径上单位截面的柱体内的总电子含量（见电离层信标探测）。 如果传播路径的两端有相对运动，而且此相对速度沿传播路径的分量不等于零，则接收到的电波频率不同于发射的频率，这一效应称为多普勒频移。如果路径缩短，频移是正的，反之是负的。无线电波通过电离层传播时，频移量的变化中有一部分来自电离层的贡献，频移量与频率有关。如果利用两个频率，则可消去相对速度的贡献而得到电离层积分电子密度数据。这就是差分多普勒法。 传播与探测 电离层电波传播和电离层探测有着密切的联系。从历史发展看，正是利用电波传播的探测方法证实了地球电离层的存在。迄今为止，电波法探测一直是开展电离层研究的重要手段（见电离层探测）。而电离层探测的成果又使人们对电波传播的各种机制有了更深入的认识，从而为提高无线电通信系统的效能，改善旧系统，研制新系统开创了条件。今天，无线电波传播和电离层物理虽然都是比较成熟的学科领域，但是电离层中仍有一些现象和过程没有得到满意的解释，还需要进行深入的探测研究。可以期望这两个方面将继续相互促进，共同发展。 参考书目 Ya.L.Al'pert, Radio Wave Propagation and the Ionosphere, 2nd ed., Consultants Bureau,New York,1974. K. Davies, Ionosphere Radio Propagation,U.S.Government Printing Office,Washington D.C.,1965. § 配图 § 相关连接 |
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