電離層無線電波傳播 無線電波在電離層中傳播的規律及其套用的研究，早先著重於電波在電離層F2層電子密度峰值以下區域的傳播問題，人造衛星上天以後，擴展到穿越整個電離層區域的傳播規律問題。
基本介紹
- 中文名：電離層無線電波傳播
- 重點：電離層F2層電子
- 擴展：整個電離層區域
- 分類：電子
正文,
正文
無線電波在電離層中傳播的規律及其套用的研究，早先著重於電波在電離層F2層電子密度峰值以下區域的傳播問題，人造衛星上天以後，擴展到穿越整個電離層區域的傳播規律問題。
基本理論 電離層由自由電子、正離子、負離子、分子和原子組成，是部分電離的電漿介質。帶電粒子的存在影響無線電波的傳播，其機制是帶電粒子在外加電磁場的作用下隨之振動，從而產生二次輻射，同原來的場矢量相加，總的效果表現為電離層對電波的折射指數小於1。由於自由電子的質量遠小於離子的質量,一般電子的作用是主要的，只要考慮電子就夠了。但如電波頻率較低而接近於離子的電漿頻率時，離子的影響也不能忽略。由於地磁場的存在，帶電粒子也受它的影響，所以電離層又是各向異性的（見磁離子理論）。電離層的形成和結構特性是受太陽控制的，因此它既隨時間又隨空間變化。在這樣複雜的介質中，分析無線電波傳播問題必須建立相對簡化的物理模型並根據電波的頻率採用相應的理論和方法。對於電離層電波傳播，介質的折射指數是一個最根本的參數，實驗證明相當有效。為人們普遍接受的磁離子理論表達的折射指數的公式稱為阿普爾頓-哈特里公式,它是電離層電子密度和電波頻率的函式，所以又被稱為色散公式，而電離層則是一種色散介質。對於短波和波長更短的電波傳播問題，可以採用近似的射線理論，對長波和超長波則一般需要採用波動理論，有時可將地面和電離層底部之間看作一個同心球形波導。
折射和反射 電離層的折射指數主要取決於電子密度和電波頻率，電子密度愈大或電波頻率愈低，折射指數愈小。因為電離層的折射指數小於1,電波在電離層中受到向下折射，在垂直投射的情況下，折射指數等於零時，電波不能傳播，產生“反射”。在一定值的電子密度情況下，使折射指數為零的頻率稱為電波的臨界頻率，在地磁場的影響可以忽略時，這一頻率就等於電子的電漿頻率。電離層的電子密度隨高度的變化具有分層結構（見電離層結構），因此從地面向上傳播的電波受到折射後傳播路徑逐步彎曲，最後轉向地面；從而使地面上的遠距離傳播成為可能。較高頻率的電波，穿透電離層的程度也較深，受折射影響偏離直線傳播的程度則較小。電波頻率超過某一數值時將穿透整個電離層而不被反射。在垂直投射時，對應這一頻率的值就是電離層最大電子密度處的臨界頻率。在斜投射的情況下，也有一個大於上述垂直投射時臨界頻率的臨界值，稱為最高可用頻率,用MUF表示，只有當使用的電波頻率低於它時，電波才能返回地面。顯然MUF與電波的投射角度有關,仰角愈小，MUF愈大，傳播的距離也愈遠。
電波的吸收 電離層對電波有衰減作用，稱為電離層的吸收，主要是由電子與大氣的分子或原子的碰撞所引起,所以吸收主要發生在低電離層（即D層）內。同時，在電波被電離層反射的區域，由於那裡能量的傳播速度較慢，經受吸收的時間較長，遭受的吸收也往往不能忽視。這一區域的吸收常被稱為偏離區吸收；相對地在電波路徑彎曲不大的那部分引起的吸收稱為非偏離區吸收。電離層對電波吸收的分貝數與頻率的平方成反比，由於非偏離區吸收是主要的，所以在短波通信中多採用較高的頻率或進行夜間通信。對於一定的傳播電路、一定的信號形式和調製方式、一定的噪聲和干擾水平、一定的發射功率和接收機性能，以及一定的通信質量要求，使用的頻率有一個下限，稱為最低有用頻率，用LUF表示。
短波傳播 3～30兆赫為短波範圍,它是實現電離層遠距離通信和廣播的最適當波段，在通常的電離層狀況下，它正好對應於最高可用頻率和最低有用頻率之間。 在地面兩點之間，無線電短波段在電離層中的傳播可以採取如圖所示的多種路徑。假如從天線斜向發射一束電波，其頻率大於發射點上空的臨界頻率。波束中仰角高的射線可以垂直或略微折射穿透電離層；仰角稍低的射線則如圖中1～9經反射回到地面，稱為天波。其到達地面的距離先是隨仰角的變小而逐漸向發射點靠攏，如射線 1，2，3。到達距離最近的是射線4。此後當仰角繼續降低時,射線到達地面的距離又逐漸增大。如射線5～9。由圖可見，仰角降低的同時電波反射點也變低。射線4的仰角是個臨界點，在4點以外區域中的任何一點可以看到有兩條射線到達，一條的到達仰角較高，在空中經歷的路程較長；另一條的到達仰角稍低，經歷的路程稍短。前者稱為高波，後者稱為低波。射線4是高低波重合的特殊情形，在地面上4點附近能量集中,稱為前沿聚焦。從4處到發射點之間，天波不能到達，而在靠近發射點處有沿地面傳來的地波。天波和地波都不能到達的範圍稱為靜區。E層一次反射的最大傳播距離約為2000公里,頻率不能高於E層的2000公里MUF。F層一次反射的最大傳播距離約為4000公里，頻率不能高於F層的4000公里MUF。另一方面，一次電離層反射的傳播距離也不能小於某一臨界值，該臨界值稱為越距。天波能夠經過電離層和地面的多次反射而傳播到很遠的距離，甚至可作環球傳播。
電離層短波傳播的優點是可以用不很大的功率來實現遠距離通信和廣播。它的缺點是：因為電離層是色散介質，電離層傳播的頻帶較窄，如不能傳送電視；由於有多徑效應，信號的衰落較大；太陽爆發會引起電離層暴和突然騷擾，這時電離層通信和廣播可能遭受嚴重影響，乃至中斷。
中波傳播 300千赫至3兆赫為中波波段，廣泛用於近距離廣播。在白天，由於 D層的吸收很大，天波很弱，中波傳播主要靠地波；在夜間，由於D層基本上消失,中波可能被E層反射,傳播至遠達2000公里乃至更遠處。因此相對地在近處地波較強，在遠處天波較強，在中間某個距離範圍內，天波與地波的場強相差不多，引起相互干涉的衰落現象。在夜間,E層不同反射次數的回波也可能引起干涉衰落。
長波和超長波傳播 對長波和超長波段（30～300千赫和3～30千赫），一般地說,射線理論（即近似的幾何光學方法）不再適用，必須用嚴格的全波理論來處理。對於幾百公里以內的近距離傳播,電離層的影響很小,天波可以不加考慮，而用一般的地波傳播理論來處理。對於遠距離的長波和超長波傳播，其傳播方式主要是地面與電離層低層邊界之間的波導傳播。這種傳播方式主要用於遠距離導航、標準時間信號的播送以及陸地對潛艇的通信。其優點在於：信號衰減較慢,傳播距離較遠,信號強度、傳播速度和相位比較穩定。它們的穩定性受低電離層的高度和結構變化的影響，在日出日落時變化較大；在電離層突然騷擾時，信號會增強。
長波和超長波還有另一種傳播方式，即所謂哨聲型傳播。哨聲是由雷電產生的頻率在聲頻範圍內的電磁脈衝信號，它的尋常波能基本上沿地球磁力線穿透電離層經磁層返回達地球另一側，並從地面反射再沿原來的磁力線路徑回到原先的半球，它甚至能往返傳播多次。由於電離層色散效應，不同頻率的成分按先高后低的次序到達，接收時可以聽到口哨一樣的聲音，故稱哨聲。
超短波的散射傳播超短波的頻率範圍從 30～300兆赫,300兆赫以上為微波波段。這兩個波段的無線電波都將穿透電離層，因此它們主要是用於地面和空間飛行器之間的跟蹤定位、遙測、遙控和通信聯絡。這時無線電波在穿透電離層的過程中或多或少地受到折射而影響到工程套用中的精度，因此要進行折射誤差的修正。另一方面超短波的低端由於電離層中不均勻結構對電波的散射作用而使地面上點與點之間的傳播成為可能，實際的電離層散射傳播方式有如下幾類：經過D層前向散射，適合於30～60兆赫，傳播距離從1000～2000公里，但由於頻帶較窄，實用意義不大；利用流星余跡反射適用於40～80兆赫的間歇式通訊,距離可達2000公里；經過F層不均勻體散射,距離可達4000公里；利用偶發E層(Es層)反射，距離可達2000公里，頻率可達80兆赫。當電路跨越極區時，可利用極光區電離氣體反射。電離層中的隨機不均勻結構對電波的散射能使它們的振幅、相位和射線到達角等都發生隨機起伏，稱為電離層閃爍。這種現象對於穿透電離層的無線電短波高端，乃至幾千兆赫的微波波段都存在。
法拉第旋轉和都卜勒頻移 電離層作為各向異性介質，在其中傳播的無線電波可以分解為兩個特徵波，即尋常波和非常波。它們具有不同的相速和傳播路徑，一般地說，它們是橢圓偏振的（見磁離子理論）。當傳播方向同地磁場的方向平行時，它們成為圓偏振；當頻率遠高於電子的磁旋頻率時，只要傳播方向不正好同地磁場垂直，特徵波的偏振近似地是圓偏振。兩個圓偏振合成為一個線偏振波，但由於電離層結構特徵的變化，合成波的電場強度矢量的方向緩慢地旋轉，這種偏振面的旋轉稱為法拉第旋轉。通過測量法拉第旋轉速度，可以計算出電離層中沿傳播路徑上單位截面的柱體內的總電子含量（見電離層信標探測）。
如果傳播路徑的兩端有相對運動，而且此相對速度沿傳播路徑的分量不等於零，則接收到的電波頻率不同於發射的頻率，這一效應稱為都卜勒頻移。如果路徑縮短，頻移是正的，反之是負的。無線電波通過電離層傳播時，頻移量的變化中有一部分來自電離層的貢獻，頻移量與頻率有關。如果利用兩個頻率，則可消去相對速度的貢獻而得到電離層積分電子密度數據。這就是差分都卜勒法。
傳播與探測 電離層電波傳播和電離層探測有著密切的聯繫。從歷史發展看，正是利用電波傳播的探測方法證實了地球電離層的存在。迄今為止，電波法探測一直是開展電離層研究的重要手段（見電離層探測）。而電離層探測的成果又使人們對電波傳播的各種機制有了更深入的認識，從而為提高無線電通信系統的效能，改善舊系統，研製新系統開創了條件。今天，無線電波傳播和電離層物理雖然都是比較成熟的學科領域，但是電離層中仍有一些現象和過程沒有得到滿意的解釋，還需要進行深入的探測研究。可以期望這兩個方面將繼續相互促進，共同發展。
參考書目
Ya.L.Al'pert,Radio Wave Propagation and theionosphere, 2nd ed., Consultants Bureau,New York,1974.
K. Davies,Ionosphere Radio Propagation,U.S.Government Printing Office,Washington D.C.,1965.
基本理論 電離層由自由電子、正離子、負離子、分子和原子組成，是部分電離的電漿介質。帶電粒子的存在影響無線電波的傳播，其機制是帶電粒子在外加電磁場的作用下隨之振動，從而產生二次輻射，同原來的場矢量相加，總的效果表現為電離層對電波的折射指數小於1。由於自由電子的質量遠小於離子的質量,一般電子的作用是主要的，只要考慮電子就夠了。但如電波頻率較低而接近於離子的電漿頻率時，離子的影響也不能忽略。由於地磁場的存在，帶電粒子也受它的影響，所以電離層又是各向異性的（見磁離子理論）。電離層的形成和結構特性是受太陽控制的，因此它既隨時間又隨空間變化。在這樣複雜的介質中，分析無線電波傳播問題必須建立相對簡化的物理模型並根據電波的頻率採用相應的理論和方法。對於電離層電波傳播，介質的折射指數是一個最根本的參數，實驗證明相當有效。為人們普遍接受的磁離子理論表達的折射指數的公式稱為阿普爾頓-哈特里公式,它是電離層電子密度和電波頻率的函式，所以又被稱為色散公式，而電離層則是一種色散介質。對於短波和波長更短的電波傳播問題，可以採用近似的射線理論，對長波和超長波則一般需要採用波動理論，有時可將地面和電離層底部之間看作一個同心球形波導。
折射和反射 電離層的折射指數主要取決於電子密度和電波頻率，電子密度愈大或電波頻率愈低，折射指數愈小。因為電離層的折射指數小於1,電波在電離層中受到向下折射，在垂直投射的情況下，折射指數等於零時，電波不能傳播，產生“反射”。在一定值的電子密度情況下，使折射指數為零的頻率稱為電波的臨界頻率，在地磁場的影響可以忽略時，這一頻率就等於電子的電漿頻率。電離層的電子密度隨高度的變化具有分層結構（見電離層結構），因此從地面向上傳播的電波受到折射後傳播路徑逐步彎曲，最後轉向地面；從而使地面上的遠距離傳播成為可能。較高頻率的電波，穿透電離層的程度也較深，受折射影響偏離直線傳播的程度則較小。電波頻率超過某一數值時將穿透整個電離層而不被反射。在垂直投射時，對應這一頻率的值就是電離層最大電子密度處的臨界頻率。在斜投射的情況下，也有一個大於上述垂直投射時臨界頻率的臨界值，稱為最高可用頻率,用MUF表示，只有當使用的電波頻率低於它時，電波才能返回地面。顯然MUF與電波的投射角度有關,仰角愈小，MUF愈大，傳播的距離也愈遠。
電波的吸收 電離層對電波有衰減作用，稱為電離層的吸收，主要是由電子與大氣的分子或原子的碰撞所引起,所以吸收主要發生在低電離層（即D層）內。同時，在電波被電離層反射的區域，由於那裡能量的傳播速度較慢，經受吸收的時間較長，遭受的吸收也往往不能忽視。這一區域的吸收常被稱為偏離區吸收；相對地在電波路徑彎曲不大的那部分引起的吸收稱為非偏離區吸收。電離層對電波吸收的分貝數與頻率的平方成反比，由於非偏離區吸收是主要的，所以在短波通信中多採用較高的頻率或進行夜間通信。對於一定的傳播電路、一定的信號形式和調製方式、一定的噪聲和干擾水平、一定的發射功率和接收機性能，以及一定的通信質量要求，使用的頻率有一個下限，稱為最低有用頻率，用LUF表示。
短波傳播 3～30兆赫為短波範圍,它是實現電離層遠距離通信和廣播的最適當波段，在通常的電離層狀況下，它正好對應於最高可用頻率和最低有用頻率之間。 在地面兩點之間，無線電短波段在電離層中的傳播可以採取如圖所示的多種路徑。假如從天線斜向發射一束電波，其頻率大於發射點上空的臨界頻率。波束中仰角高的射線可以垂直或略微折射穿透電離層；仰角稍低的射線則如圖中1～9經反射回到地面，稱為天波。其到達地面的距離先是隨仰角的變小而逐漸向發射點靠攏，如射線 1，2，3。到達距離最近的是射線4。此後當仰角繼續降低時,射線到達地面的距離又逐漸增大。如射線5～9。由圖可見，仰角降低的同時電波反射點也變低。射線4的仰角是個臨界點，在4點以外區域中的任何一點可以看到有兩條射線到達，一條的到達仰角較高，在空中經歷的路程較長；另一條的到達仰角稍低，經歷的路程稍短。前者稱為高波，後者稱為低波。射線4是高低波重合的特殊情形，在地面上4點附近能量集中,稱為前沿聚焦。從4處到發射點之間，天波不能到達，而在靠近發射點處有沿地面傳來的地波。天波和地波都不能到達的範圍稱為靜區。E層一次反射的最大傳播距離約為2000公里,頻率不能高於E層的2000公里MUF。F層一次反射的最大傳播距離約為4000公里，頻率不能高於F層的4000公里MUF。另一方面，一次電離層反射的傳播距離也不能小於某一臨界值，該臨界值稱為越距。天波能夠經過電離層和地面的多次反射而傳播到很遠的距離，甚至可作環球傳播。
電離層短波傳播的優點是可以用不很大的功率來實現遠距離通信和廣播。它的缺點是：因為電離層是色散介質，電離層傳播的頻帶較窄，如不能傳送電視；由於有多徑效應，信號的衰落較大；太陽爆發會引起電離層暴和突然騷擾，這時電離層通信和廣播可能遭受嚴重影響，乃至中斷。
中波傳播 300千赫至3兆赫為中波波段，廣泛用於近距離廣播。在白天，由於 D層的吸收很大，天波很弱，中波傳播主要靠地波；在夜間，由於D層基本上消失,中波可能被E層反射,傳播至遠達2000公里乃至更遠處。因此相對地在近處地波較強，在遠處天波較強，在中間某個距離範圍內，天波與地波的場強相差不多，引起相互干涉的衰落現象。在夜間,E層不同反射次數的回波也可能引起干涉衰落。
長波和超長波傳播 對長波和超長波段（30～300千赫和3～30千赫），一般地說,射線理論（即近似的幾何光學方法）不再適用，必須用嚴格的全波理論來處理。對於幾百公里以內的近距離傳播,電離層的影響很小,天波可以不加考慮，而用一般的地波傳播理論來處理。對於遠距離的長波和超長波傳播，其傳播方式主要是地面與電離層低層邊界之間的波導傳播。這種傳播方式主要用於遠距離導航、標準時間信號的播送以及陸地對潛艇的通信。其優點在於：信號衰減較慢,傳播距離較遠,信號強度、傳播速度和相位比較穩定。它們的穩定性受低電離層的高度和結構變化的影響，在日出日落時變化較大；在電離層突然騷擾時，信號會增強。
長波和超長波還有另一種傳播方式，即所謂哨聲型傳播。哨聲是由雷電產生的頻率在聲頻範圍內的電磁脈衝信號，它的尋常波能基本上沿地球磁力線穿透電離層經磁層返回達地球另一側，並從地面反射再沿原來的磁力線路徑回到原先的半球，它甚至能往返傳播多次。由於電離層色散效應，不同頻率的成分按先高后低的次序到達，接收時可以聽到口哨一樣的聲音，故稱哨聲。
超短波的散射傳播超短波的頻率範圍從 30～300兆赫,300兆赫以上為微波波段。這兩個波段的無線電波都將穿透電離層，因此它們主要是用於地面和空間飛行器之間的跟蹤定位、遙測、遙控和通信聯絡。這時無線電波在穿透電離層的過程中或多或少地受到折射而影響到工程套用中的精度，因此要進行折射誤差的修正。另一方面超短波的低端由於電離層中不均勻結構對電波的散射作用而使地面上點與點之間的傳播成為可能，實際的電離層散射傳播方式有如下幾類：經過D層前向散射，適合於30～60兆赫，傳播距離從1000～2000公里，但由於頻帶較窄，實用意義不大；利用流星余跡反射適用於40～80兆赫的間歇式通訊,距離可達2000公里；經過F層不均勻體散射,距離可達4000公里；利用偶發E層(Es層)反射，距離可達2000公里，頻率可達80兆赫。當電路跨越極區時，可利用極光區電離氣體反射。電離層中的隨機不均勻結構對電波的散射能使它們的振幅、相位和射線到達角等都發生隨機起伏，稱為電離層閃爍。這種現象對於穿透電離層的無線電短波高端，乃至幾千兆赫的微波波段都存在。
法拉第旋轉和都卜勒頻移 電離層作為各向異性介質，在其中傳播的無線電波可以分解為兩個特徵波，即尋常波和非常波。它們具有不同的相速和傳播路徑，一般地說，它們是橢圓偏振的（見磁離子理論）。當傳播方向同地磁場的方向平行時，它們成為圓偏振；當頻率遠高於電子的磁旋頻率時，只要傳播方向不正好同地磁場垂直，特徵波的偏振近似地是圓偏振。兩個圓偏振合成為一個線偏振波，但由於電離層結構特徵的變化，合成波的電場強度矢量的方向緩慢地旋轉，這種偏振面的旋轉稱為法拉第旋轉。通過測量法拉第旋轉速度，可以計算出電離層中沿傳播路徑上單位截面的柱體內的總電子含量（見電離層信標探測）。
如果傳播路徑的兩端有相對運動，而且此相對速度沿傳播路徑的分量不等於零，則接收到的電波頻率不同於發射的頻率，這一效應稱為都卜勒頻移。如果路徑縮短，頻移是正的，反之是負的。無線電波通過電離層傳播時，頻移量的變化中有一部分來自電離層的貢獻，頻移量與頻率有關。如果利用兩個頻率，則可消去相對速度的貢獻而得到電離層積分電子密度數據。這就是差分都卜勒法。
傳播與探測 電離層電波傳播和電離層探測有著密切的聯繫。從歷史發展看，正是利用電波傳播的探測方法證實了地球電離層的存在。迄今為止，電波法探測一直是開展電離層研究的重要手段（見電離層探測）。而電離層探測的成果又使人們對電波傳播的各種機制有了更深入的認識，從而為提高無線電通信系統的效能，改善舊系統，研製新系統開創了條件。今天，無線電波傳播和電離層物理雖然都是比較成熟的學科領域，但是電離層中仍有一些現象和過程沒有得到滿意的解釋，還需要進行深入的探測研究。可以期望這兩個方面將繼續相互促進，共同發展。
參考書目
Ya.L.Al'pert,Radio Wave Propagation and theionosphere, 2nd ed., Consultants Bureau,New York,1974.
K. Davies,Ionosphere Radio Propagation,U.S.Government Printing Office,Washington D.C.,1965.
