《高频率电磁波在电离层的传播特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频率电磁波在电离层的传播特性（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、1、 高频率电磁波在电离层的传播特性 具有等离子体特性的电离层由离子、电子和中性粒子等组成，当电磁波在其中传播时 电子和粒子都受到电磁场的作用。我们略去粒子的运动和电磁场的作用，暂不考虑高频率微 波传播过程中引起的非线性效应。将电离层某一高度的微波视为单色平行波，按照等离子体 理论，忽略地磁场的影响以及电子与离子、分子之间的碰撞效应时，电离层介质大气折射指数 n 可表示为03 2f 2n 2 二 1 = 1 p 032f 2式中； 3 为电磁波角频率； f 和 f 分别为电磁波频率和等离子体频率。 p带入电子电荷e、电子质量m可得f /MHz = 8.978x10-6N1/2peN为电离层电子
2、浓度，单位m -3。大气折射指数eO804 IO10 N )1/2f2式中f的单位为MHz。2、电离层电子浓度分布自然状态下电离层电子浓度N随时间（昼夜、季节、太阳活动强弱的是一年周期）和经e纬度剧烈地变化。根据统计值可以给出某时某地的电子浓度随高度分布（电子浓度剖面）N （h） 。此剖面的数学表达式为eh hN 1(二)2,h y h hmE y mE mE mEmEN N N h N hjmE h + mE j j mE, h h hN (h)= eh hh hmEjj mEj mEh hN 1(-)2,h h hmF 2yjmF 2mF 21h. h-hhNexp_(1mF2 eh2),
3、 h h 1000kmmF22HmF2式中:E层最大电子浓度高度h为115km, E层半厚度y 为20km, E层最大电子浓度N , mEmEmEF2层最大电子浓度N， F2层最大电子浓度高度h，F2层半厚度y ，N、h、fmF 2mF 2mF 2j j j与 H 分别由文献（？）给出的公式计算可得。各参数具体值参见下图:层数D层E层F1层F 2层夏季白天高度/ km609090150150200200450夏季夜间咼度/ km消失90140消失150以上160180冬季白天高度/ km609090150（经常消失）170 以上冬季夜间咼度/ km消失90140消失150以上白天最大电子密度/
4、 （个/m3）2 x 1092 x10112x10114x10118x10112x1012夜间最大电子密度/ （个/m3）消失5x109消失10113x1011电子密度最大值的高度/ km80115180200350碰撞频率/（次/秒）10610810510610410103白天临界频率/ MHZ 0.4 3.6 5.6 12.7夜间临界频率/ MHZ/ 0.6/ 5.5半厚度 /km10202550100200中性院子及分子密度/（个2x10216x101810161014/m3)研究电波在电离层等离子体内传播的吸收损耗，先引入一些基本的数学表达式。在矢 径r正方向传播的平面波可以表示为E
5、二 E ej（ t-kr）二 E e j（ t-nk0r）0 0 0式中，2兀72兀；k =九0九n 是复折射指数，n = - j X卩和X分别是n的实部和虚部。由此，式（1）变为E = E e-k0X ej(t-nk0r) = Eiej(t-nk0r) 0此平面波的振幅为Ei = E e-k0x0 随距离指数衰减，其中卩=k0X= X0c0称为电波在介质中的吸收系数，表示单位距离引起的电波吸收衰减。另一方面，由于忽略磁场的 A-H 公式n2 = (H j X )2 = 1 -1 jZ可以得到二 Im ,1 X1jZ这样就有33 TB= X= lm cc3式中，lm表示取虚部；c为真空中的光速
6、；3为穿过等离子体的电波角频率；X ,33p3为等离子体角频率，为空间位置函数；Z = “,3为电子碰撞角频率。3e再考虑电波吸收衰减的结果。对于离散电离层背景下的射线追踪给出了射线的精确路径，由参考文献(？)可计算出路径上每一点的吸收系数卩，吸收系数卩沿整个路径S积分，得到总的吸收L为L 二 8.68J 0 dS(dB)S接下来讨论电磁波在海水界面反射的情况。先引入海面复介电常数，他由海水相对介 电常数8,海水电导率b和电波波长九构成，表达式为& =8 + i 60 九b海水相对介电常数8 的表达式为70,f 2253.58958 = 2253.5895 a + bf + cf 2 + df
7、 3 + ef 4其中，f为电波频率，单位为MHz；a = 1.4114535402b = 5.212249710-8c = 5.854782910-nd=7.6717421016e=2.98563181021则利用上面你和函数可计算出海水相对介电常数8 各电波频率对应值。再引入海水电导率b，其表达式为50,f 1106.207b = 1106.2071 + Uf + Vf 2 + wf 3其中各参数值为r = 3.8586749s = 9.1253873 x10-4t = 1.5309921x10-8u = -2.1179295 x10-5v=6.5727504x10-10w=-1.9647
8、663x10-15由拟合函数可计算出海水电导率b在个电波频率处对应值。进一步根据平面波斜射到理想介质分界面上的反射定律，即snell定律，可得在光滑海 水上的水平极化波和垂直极化波的Fresnel反射系数公式为sin9 一罷 一 cos2 9sin 9 + 屈 一 cos2 98 sin9 一血 一 cos2 9 e sin9 + 丫8 cos29其中9 为掠入射角，将8 表达式带入上式，可以求得水平极化波和垂直极化波的反射系数。 对于粗糙海面的反射问题，我们采用光滑海面反射系数前乘以粗糙修正因子P进行修 正，即：R = P R其中R为粗糙海面反射系数，R为光滑海面反射系数。国际无线电顾问委员
9、会给出了粗糙 修正因子p的表达式为13.2 g 一 2 +、(3.2 g )2 - 7 g + 9其中g = 0.5严吋 sin9 )2cc为光速，f为电波频率，h为海面均方根高度，它可根据Phillips海浪模型给出h = 0.0051w 2w为海面附近高度的风速，单位为m/s。综合上式可得出粗糙修正因子，进而计算出粗糙海 面反射系数。手稿在实际应用中，尤其是移动通信系统中，一般采用垂直极化的传播方式。对于海水而言，我 们通过查阅资料可知(接1)下面研究电磁波入射到海水中的衰减情况。设电磁波的电场方程为E = E ea ze-i 卩 z0其瞬时表达式为E(zt) = E e-az cos(w
10、t-卩 z)0这里a是衰减系数，卩是相位系数 由亥姆霍兹方程V 2 E + k 2 E = 0, k 22就两)2 -1)解得a海水的电导率b为4.6s/m，海水的相对磁导率约为1。对于我们研究的频率为330MHz的电波而言，取f = 10MHzb _4_ 8.8x 108曲2兀f x8疋一 f0当 f 107Hz是,b云口 1，海水视为良导体,a u 12.6N - P / m当振幅衰减一半且e-az _ 2时，z u 0.055(m)显然，对于入射到海水中的能量，仅考虑接受反射后的电波，故我们重点考虑垂直极化波的反射系数，由于数据有限，我们只能对f _ 1GHz是垂直极化波在海水表面反射式的反射系数幅度随入射角的变化关系。
高频率电磁波在电离层的传播特性
