西安电子科技大学：《电波传播》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六部分 电离层传播

Xidian University 第六部分电高层传播

第六部分 电离层传播

Xidian University ■天波传播 经高空电离层反射后到达接收点的传播方式 ■长、中、短波都可利用天波进行通信 传输损耗小,因而可以利用较小的功率进行远距离通信 由于电离层是一种随机、色散、各向异性的媒质,电波 在其中传播时会产生各种效应,例如多径传输、多普勒 频移等都会对传输信号特别是短波信号有较大的影响 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 ◼ 天波传播 ◼ 经高空电离层反射后到达接收点的传播方式 ◼ 长、中、短波都可利用天波进行通信 ◼ 传输损耗小，因而可以利用较小的功率进行远距离通信 ◼ 由于电离层是一种随机、色散、各向异性的媒质，电波 在其中传播时会产生各种效应，例如多径传输、多普勒 频移等都会对传输信号特别是短波信号有较大的影响

Xidian University 电离层的等效电参数 电波未射入电离层之前,电离层中的中性分子和离子与 电子一起进行着漫无规律的热运动。 当电波进入电离气体时,自由电子在入射波电场作用下 作简谐运动。一般情况下,运动中的电子还将与中性分 子等发生碰撞,将它由电波得来的能量转移给中性分子 ,变成热能损耗,这种损耗叫做媒质的吸收损耗。 由于电离层中空气的密度很大,以致分子、原子、离子 之间的平均距离远小于波长,因此可以电离层作为具有 定电特性参数ε和σ的媒质来研究。 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 电离层的等效电参数 电波未射入电离层之前，电离层中的中性分子和离子与 电子一起进行着漫无规律的热运动。 当电波进入电离气体时，自由电子在入射波电场作用下 作简谐运动。一般情况下，运动中的电子还将与中性分 子等发生碰撞，将它由电波得来的能量转移给中性分子 ，变成热能损耗，这种损耗叫做媒质的吸收损耗。 由于电离层中空气的密度很大，以致分子、原子、离子 之间的平均距离远小于波长，因此可以电离层作为具有 一定电特性参数ε和σ的媒质来研究

L Xidian University 当电波通过电离层时,电离层中的自由电子在电场作用 下产生运动,也有是原来无规则热运动加上有规则的运 动,形成传导电流。 在电离层中总电流密度J等于位移电流密度J和传导电 流密度J之和: J=J。+J 而电场强度可写为 E=Ee/(ot-kor) 其中k为电离层中电波传播的波矢量,k=O√AE 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 当电波通过电离层时，电离层中的自由电子在电场作用 下产生运动，也有是原来无规则热运动加上有规则的运 动，形成传导电流。 在电离层中总电流密度J等于位移电流密度JD和传导电 流密度JC之和： D C J = J + J 而电场强度可写为 j t ( ) Ee  − • = k r E 其中k为电离层中电波传播的波矢量， k = 

Xidian University 对于时谐场,在电离层气体中的位移电流密度为 D=08E 自由电子在电场作用下作规则运动,设电子运动速度 为V,单位体积中的电子数为N,则传导电流表达式为: J=eVw 其中电子电荷e=-1.602×10-C 所以,电流密度总和为J=108E+eVN 因此,麦克斯韦方程组中磁场旋度方程为 V×H=joE+eN 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 对于时谐场，在电离层气体中的位移电流密度为 0 = j D J E 自由电子在电场作用下作规则运动，设电子运动速度 为V，单位体积中的电子数为N，则传导电流表达式为： C J V = e N 其中电子电荷 19 e 1.602 10 C − = −  所以，电流密度总和为 0 J E V = + j e N  因此，麦克斯韦方程组中磁场旋度方程为 0   = + H E V j e N 

Xidian University 首先,不考虑电子和其他粒子的碰撞。这时,电场能量全部 转为电子动能。根据能量定理,电子所受的电场力为其动量 的增量,即 e= dt 式中电子质量m=9.106×10°kg 在时谐场中,上式为eE=jom 所以 eE 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 首先，不考虑电子和其他粒子的碰撞。这时，电场能量全部 转为电子动能。根据能量定理，电子所受的电场力为其动量 的增量，即 d e m dt = V E 式中电子质量 在时谐场中，上式为 e jm = E V 31 m kg 9.106 10− =  e j m E V =  所以

Xidian University eE V×H=jo0E+eⅤM mo 将其代入麦克斯韦旋度方程,可得 V×H=j0sE+eW/e J J080 1 E o m8 J08CE 式中 Ne o mE 0 物理与光电工程学院电波播动岁

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 将其代入麦克斯韦旋度方程，可得 式中 e jm = E V 0  = + H E V j e N  2 0 2 0 0 0 1 r e j eN jm Ne j m j            = +       = −     = E H E E E 2 2 0 1 r Ne m    = −

Xidian University Ne 代入e和m的值,可得 N 1-80.8 En为电离层的等效介电常数,其值小于1。 在不考虑电子和其他粒子碰撞时,电离层具有理想电 介质的特性(σ=0),即电场的能量仅使电子发生运动,没 有任何损耗。 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 代入e和m的值，可得 2 2 0 1 r Ne m    = − 2 1 80.8 r N f  = − εr为电离层的等效介电常数，其值小于1。 在不考虑电子和其他粒子碰撞时，电离层具有理想电 介质的特性(σ=0),即电场的能量仅使电子发生运动，没 有任何损耗

Xidian University 接下来考虑电子与其他粒子的碰撞。 此时电场能量一部分转变为分子动能,另一部分转变为电离 层的热能。 设γ为碰撞频率(表示单位时间内电子与其他粒子的平均碰 撞次数),并设碰撞时电子原有动量全部转移给其他粒子。 电子运动方程为 dv ee=m+myv= jomv+myv 所以 eE Jom+mr 物理与光电工程学院电浪传镯研究所

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 接下来考虑电子与其他粒子的碰撞。 此时电场能量一部分转变为分子动能，另一部分转变为电离 层的热能。 设 γ为碰撞频率(υ表示单位时间内电子与其他粒子的平均碰 撞次数)，并设碰撞时电子原有动量全部转移给其他粒子。 d e m m j m m dt = + = +    V E V V V 电子运动方程为 e j m m   = + E V 所以

Xidian University eE式中s=+ V J080 am+m Ne 将其代入麦克斯韦旋度方程 mE0(y2+O2) Ne V×H=/EE+eN om m(y2+02) σ为等效电导率,表征电离层中由电子碰撞所引起的能量 吸收作用。 E;和σ都是频率的函数,说明电离层是色散媒质。 N在电离层中不是一个常数,所以电离层是非均匀媒质。 物理与光电工程学院电浪传播研究所 西学

物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学 电波传播概论 e j m m   = + E V 将其代入麦克斯韦旋度方程，可得 0  = + H E V j e N  2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 1 ( ) ( ) r e j eN j m m j j Ne j Ne m   m               = +     +       = +           = − + + E H E E E 式中 2 2 2 0 2 2 2 0 1 ( ( ) ) r r r Ne em j N m             = − + = + = + σ为等效电导率，表征电离层中由电子碰撞所引起的能量 吸收作用。 εr和σ都是频率的函数，说明电离层是色散媒质。 N在电离层中不是一个常数，所以电离层是非均匀媒质