高频率电磁波在电离层的传播特性.doc

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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可表示为式中；为电磁波角频率；和分别为电磁波频率和等离子体频率。带入电子电荷、电子质量可得为电离层电子浓度，单位。大气折射指数式中的单位为。2、电离层电子浓度分布自然状态下

2、电离层电子浓度随时间（昼夜、季节、太阳活动强弱的是一年周期）和经纬度剧烈地变化。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）。此剖面的数学表达式为式中：E层最大电子浓度高度为115km，E层半厚度为20km，E层最大电子浓度，F2层最大电子浓度，F2层最大电子浓度高度，F2层半厚度，、、与分别由文献（？）给出的公式计算可得。各参数具体值参见下图：层数层层层层夏季白天高度60~9090~150150~200200~450夏季夜间高度消失90~140消失150以上冬季白天高度60~9090~150160~

3、180（经常消失）170以上冬季夜间高度消失90~140消失150以上白天最大电子密度/（个）~~夜间最大电子密度/（个）消失消失~电子密度最大值的高度80115180200~350碰撞频率/（次/秒）~~~白天临界频率夜间临界频率//半厚度1020~2550100~200中性院子及分子密度/（个）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。在矢径正方向传播的平面波可以表示为式中，；是复折射指数，和分别是的实部和虚部。由此，式（1）变为此平面波的振幅为随距离指数衰减，其中称为电波在介质中的吸收

4、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公式可以得到这样就有式中，表示取虚部；为真空中的光速；为穿过等离子体的电波角频率；为等离子体角频率，为空间位置函数；为电子碰撞角频率。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，吸收系数沿整个路径积分，得到总的吸收为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，海水电导率和电波波长构成，表达式为海水相对介电常数的表达式为其中，为电波频率

5、，单位为MHz；则利用上面你和函数可计算出海水相对介电常数各电波频率对应值。再引入海水电导率，其表达式为其中各参数值为由拟合函数可计算出海水电导率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反射系数公式为其中为掠入射角，将表达式带入上式，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进行修正，即：其中为粗糙海面反射系数，为光滑海面反射系数。国际无线电顾问委员

6、会给出了粗糙修正因子的表达式为其中为光速，为电波频率，为海面均方根高度，它可根据Phillips海浪模型给出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其瞬时表达式为这里是衰减系数，是相位系数由亥姆霍兹方程解得海水的电导率为4.6s/m，海水的相对磁导率约为1。对于我们研究的频率为3~30MHz的电波而言，

7、取当是，，海水视为良导体，当振幅衰减一半且时，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。