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

Xidian University 第六都分电离层传播 主讲：李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh CN/index.htm

第六部分 电离层传播 主讲： 李仁先 rxli@mail.xidian.edu.cn https://faculty.xidian.edu.cn/LRX2/zh_CN/index.htm

电波传播概论 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波传播研究所 西安电子科技大学

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 ◼ 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

电波传播概论 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 一定电特性参数E和0的媒质来研究。 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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

电波传播概论 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JD和传导电 流密度Jc之和： J=Jp+Jc 而电场强度可写为 E=Ee/(or-kor) 其中k为电离层中电波传播的波夫量，k=O√B 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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 ( ) 0 j t e  − • = k r E E 其中k为电离层中电波传播的波矢量， k = 

电波传播概论 Xidian University 对于时谐场，在电离层气体中的位移电流密度为 Jp jos,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： Jc =eVN 其中电子电荷e=-1.602×1019C 所以，电流密度总和为 J=j@sE+eVN 因此，麦克斯韦方程组中磁场旋度方程为 V×H=josE+eVN 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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 

电波传播概论 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 dv eE=m dt 式中电子质量m=9.106×1031kg 在时谐场中，上式为eE=jomV 所以 eE imo 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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

电波传播概论 Xidian University eE VxH=j@sE+eVN 将其代入麦克斯韦旋度方程，可得 eE V×H=josE+eN jmo =j0e0 Ne a'me E =jos08 E 式中 8=1 Ne2 o-mEo 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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    = −

电波传播概论 Xidian University Ne2 8n=1 wmEo 代入e和m的值，可得 e,=1-80.8 N 8,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波传播研究所 西安电子科技大学

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 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

电波传播概论 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（γ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+my 物理与光电工程学院电波传播研究所 西安电子科技大学

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 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(γ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

电波传播概论 Xidian University eE 式中 8.=￡，+ ja8o om+m Ne2 8.=1- 将其代入麦克斯韦旋度方程 m6(y2+o2) el Ne'y V×H=josE+eW 0= jom m(y2+o Ne2 Ne2y 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。 和σ都是频率的函数，说明电离层是色散蝶质。 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波传播研究所 西安电子科技大学

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 e m 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