【正文】 電離層與電波傳播 2022年新疆實驗工作發(fā)射、監(jiān)測技術培訓班 電波傳播 無線電波是頻率從幾十赫到 3000千兆赫左右整個頻譜范圍內的電磁波 。 無線電波傳播的途徑及其特點 地面波傳播 空間波傳播 散射傳播 天波傳播 返回目錄 地面波傳播 ? 地面波傳播（又叫表面波傳播）是指電磁波沿地球表面的繞射傳播。由于地面對電磁波有吸收作用，所以地面波的強度隨距離的增加而逐漸降低，降低的程度與地面波的頻率及地面結構有關。 返回 空間波傳播 ? 空間波傳播是指發(fā)射的電磁波 ， 經(jīng)空間以直線的方式直接到達接收點 ， 以及經(jīng)地表面反射后到達接收點的傳播方式 。 這種空間波的傳播 ， 由于受地球曲率半徑的影響 ， 傳播距離較近 ， 一般僅數(shù)十公里 ，基本與視線范圍相同 （ 視距傳播 ） ， 因而天線架得越高 ， 通信距離就越遠 。 返回 散射傳播 ? 由于對流層 （ 距地面 1213km的大氣層 ） 中大氣的溫度 、 壓力和濕度是隨高度變化而變化的 ， 使大氣層介電常數(shù)也隨高度發(fā)生變化 。當頻率 6010000MHz的電磁波通過這些介電常數(shù)不均勻的大氣層時就會產(chǎn)生散射 ， 使無線電波重新返回地面 ， 散射傳播通信電路就是利用這種電波傳播方式建立起來的 。 返回 天波傳播 天波傳播指發(fā)射的電磁波被距地面 7080km以上的 “ 電離層 ”反射到達接收地點的傳播方式 。電磁波的頻率較低 ， 電離層對其吸收較強 ， 電磁波的衰減就較大 。 當電磁波頻率很高時 ，就會穿透電離層而不能反射 。只有短波在電離層才能得到良好的傳播而建立起短波電路 。 返回目錄 返回 大氣層概況 在地球引力作用下，大量氣體聚集在地球周圍，形成數(shù)千公里的大氣層。氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。 根據(jù)各層大氣的不同特點（如溫度、成分及電離程度等），從地面開始依次分為對流層、平流層、中間層、熱層（電離層）和外大氣層。 接近地球表面 10～ 12Km以內的一層大氣，空氣的移動是以上升氣流和下降氣流為主的對流運動，叫做 “ 對流層 ” ，是大氣中最稠密的一層。大氣層中的水氣幾乎都集中于此，風、雨、雷、電等天氣現(xiàn)象都發(fā)生在對流層內。 對流層上面，直到高于海平面 60公里這一層，氣流主要表現(xiàn)為水平方向運動，對流現(xiàn)象減弱，這一大氣層叫做 “ 平流層 ” ，又稱 “ 同溫層 ” 。這里基本上沒有水氣，晴朗無云，很少發(fā)生天氣變化，適合于飛機航行。在 20～ 30公里高處，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保護著地球上的生物免受太陽高能粒子的襲擊。 ? 平流層以上，到離地球表面 85公里，叫做 “ 中間層 ” ，又稱 “ 散逸層 ” 。中間層以上，到離地球表面 1000公里的區(qū)域，叫做 “ 熱層 ” 。熱層的大氣因受太陽輻射，溫度較高。 “ 熱層 ” 又稱電離層，是由自由電子、正離子、負離子、中性分子和原子組成的等離子體。 ? 熱層頂以上是外大氣層，大氣已極其稀薄，延伸至距地球表面上萬公里處。這里的溫度很高，可達數(shù)千度。外大氣層是由高空存在的帶電粒子組成的輻射帶 ,也稱為磁層。 ? 等離子：物質存在的狀態(tài)呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形式。對于氣態(tài)物質，溫度升至幾千度時，由于物質分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物。我們把物質的這種存在狀態(tài)稱為物質的第四態(tài)，即等離子體。也可以把等離子體定義為正離子和電子密度大致相等的電離氣體。通常，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子等三種粒子。 電離層 電離層的結構 環(huán)繞地球外圍的是一個大氣層，其中距離地面 701000KM左右，處于電離狀態(tài)的高層大氣區(qū)域就是電離層。這種中性大氣被電離的主要來源是太陽的紫外線輻射、日冕的軟 X射線和從太陽表面噴射出來的微粒流等。其中以太陽的紫外線輻射為最主要。 電離層由圍繞地球的幾個導電層組成 。 來自太陽的輻射是這些導電層電離及其強弱變化的主要原因 。 太陽輻射增強使得各層的反射能力增加 ， 以致能將電波反射再回到地面 。 但與此同時 ， 對無線電發(fā)射機發(fā)射能量的衰減也變大了 。 由于太陽輻射是不規(guī)則的 ， 所以各電離層也不是固定不變的 ， 隨一天中的時刻 、 季節(jié)和太陽黑子活躍性而有很大的變化 ， 故發(fā)射頻率的傳輸可能性也相應的有所變化 。 電離層的結構 電離層是如何形成的呢？ ? 物質是由該物質的分子構成的，分子是由更小的物質微粒 —原子所組成。原子是由原子核以及核外的電子所構成的。原子核由質子和中子組成。質子的數(shù)目總是等于核外的電子數(shù)。中子不帶電，質子和電子都是帶電的粒子。質子帶正電荷，電子帶負電荷。在同一原子中質子和電子所帶的正、負電荷必定相等，就整個原子來說正負電荷的作用恰好抵消，所以物體平時不顯示帶電的現(xiàn)象。電子是圍繞原子核旋轉的，聯(lián)系比較松散，在外力的影響下，很容易掙脫原子核的束縛。失去電子，原子核帶正電，電子帶負電。 ? 由此我們知道，由于高空中性的氣體分子或原子及其它中性粒子從太陽輻射的紫外線、 X射線、高能帶電微粒流及宇宙射線中獲得能量，氣體原子中原子核周圍的電子脫離束縛成為游離的負離子，失去電子的原子呈現(xiàn)正電荷，成為正離子，得到電子的原子呈現(xiàn)負電荷，成為負離子，這樣使原本呈中性的大氣成為了具有導電性的電離層。 ? 大氣電離的程度以電子密度 N（電子數(shù) /m3）來衡量。電離層的電子密度隨高度的分布如圖所示。 ? 電子密度的大小與氣體密度及電離能量有關。對每層氣體而言，氣體密度是上疏下密，而太陽照射則上強下弱，因而被電離出來的最大電子密度將出現(xiàn)在幾個不同的高度上，每一個最大值所在的范圍叫做一個層，由下而上分別以 D、 E、 FF2等符號來表示。 ? 從圖中可看出， D、 E、 F1和 F2層的電子密度隨高度的增加而增加。 ? 在正常情況下，電離層就是由 D層、 E層、 F1層和 F2層組成的。 ? 由于電離層的電離源主要是太陽光中紫外線，因此，電離層的電子密度將隨太陽輻射的強度而變化。電子引起大氣層的導電性，但電子不斷地和離子發(fā)生碰撞，互相中和（即復合）。 ? 電離強度增加，自由電子和離子數(shù)目都持續(xù)地增加。當太陽升到最高位置時達到最大值。從日出到正午這段時間里，電離超過復合。此后隨太陽的降落，電離漸弱而復合增加，日落之后再次恢復到完全中性狀態(tài)。上述過程在氣體密度較高的地方即低高度上發(fā)生的更快些，而在比較大的高度上，白天電離快于復合而產(chǎn)生各個電離層，夜間雖然電離大大減少，但在比較大的高度上由于電離層的電子濃度低，電子與離子發(fā)生碰撞的機率減小，因此復合減慢，殘余電離對短波的傳輸實際上的仍然起作用。 ? 電離層對通過它的電波有折射、散射、反射和吸收的作用，人類借助于電離層，實現(xiàn)遠距離的無線電通信。但電離層反射電波的能力與電波的頻率和波長有密切關系，而電離層的電子密度是有一定限度的，因此所能反射的電波是有一定頻率范圍的。電磁波的頻率低，如中波和長波以下頻段，電離層對其吸收較強，電磁波的衰減就較大；當電磁波頻率很高時，如超短波以上頻段，電離層對其而言相當于是透明的，電磁波就會穿透電離層而不能反射。因此只有介于中波和超短波之間的短波頻段才能在電離層中得到良好的傳播而建立起短波電路。 ? D層： D層的地面高度約 60～ 90km，是電離層中的最低層，空氣密度較大，電離產(chǎn)生的電子平均幾分鐘就與其它粒子復合而消失。 D層在日出后出現(xiàn)，當太陽位置最高時其電離達到最強，此后，隨著復合越來越強，到了夜間，沒有了太陽的輻射，電子與其它粒子完全中和而使大氣又恢復到中性狀態(tài)， D層消失。 D層是各層電離層中電子濃度最低的，其濃度不足以反射短波。短波可以穿透 D層，但會有嚴重的衰減，這種衰減比相鄰的 E層和 F層要大得多。因此，為使短波良好地傳播，確保良好的接收效果，日間存在的 D層是確定電波達到的范圍、發(fā)射功率和天線增益時必不可少的因素。 ? D層是一個損耗層，不僅會造成短波的嚴重衰減，對中波也會產(chǎn)生強烈的吸收。白天由于 D層的存在，中波的天波能量幾乎完全被吸收而