大连海事大学通信复试课件

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1、第6章　天波传播与短波天线§6-1电离层的电气特性§6-2天波传播的基本条件§6-3天波传播与无线电通信的关系§6-4短波双极天线§6-5短波天线的馈电第6章　天波传播与短波天线§6-1电离层的电气特性一、电离层简介二、理想化电离层的电气特性一、电离层简介短波:工作波长范围是10~100m的无线电波。短波无线电波以地面波的方式传播，衰减很快，最多只能传播几十千米的距离。短波无线电波的主要传播方式是天波传播。天波传播：地面上的水平天线以一定的仰角把无线电波送到电离层，在电离层中无线电波连续折射最后又反射回地面的传播方式。地球表面上方60km到几百千米的大气层内，一些气体分子和原子的电子与

2、它们分离开来成为自由电子，而剩余部分成为正离子。这一区域称为电离层。电离层中的自由电子浓度处于一种动态平衡状态。电离层中不同位置的自由电子浓度不同。在大气层较高处，虽然太阳辐射强烈，但气体稀薄，因而自由电子浓度并不大。在大气层较低处，虽然气体密度较大，但太阳光中的紫外线经过较厚的大气层以后，其强度已大大减弱，因此自由电子的浓度也不大。在适当的高度上，自由电子的浓度最大。电离层出现自由电子浓度最大值的高度不止一个。使气体的分子或原子发生电离的原因:1、光致电离2、碰撞电离依照出现自由电子浓度最大值的几个不同高度，把电离层自下而上划分成D层、E层、F1层和F2层。表6-1-1电离层各分层的

3、高度范围和自由电子浓度电离层的各分层高度范围(km)自由电子浓度的最大值Nmax(1/m3)D层60~90109~1010E层90~150109~1011F1层150~2001011F2层200~5001011~1012高度最低的D层只是白天存在，夜间就消失了。白天存在时自由电子浓度最大值的高度为70km左右。E层白天晚上都存在，自由电子浓度最大值的高度约为110km。表6-1-1电离层各分层的高度范围和自由电子浓度电离层的各分层高度范围(km)自由电子浓度的最大值Nmax(1/m3)D层60~90109~1010E层90~150109~1011F1层150~2001011F2层200

4、~5001011~1012F1层仅夏季白天存在，其他时间与F2层合为一层。F1层自由电子浓度最大值的高度约200km。F2层自由电子浓度最大，各季节白天和晚上都存在。其自由电子浓度最大值的高度约为300km，或者更高。F2层以下的区域称为下电离层，F2层以上的区域称为上电离层。二、理想化电离层的电气特性理想化电离层：电离层中自由电子浓度分布是均匀的，处处为N。电磁波进入理想化电离层以后，电离层中的自由电子在电磁波电场力和磁场力的作用下发生运动。假设单频率电磁波的电场强度矢量E的极化方向沿z方向，质量为m，电荷为e的自由电子在电场力eE的作用下，将沿z方向发生定向运动，即设瞬时电场的

5、表达式为E=E0cos(t)与电场力eE的作用相比，磁场力evB=evH=evE/0=eEv/c的作用很小，可以忽略不计。E=E0cos(t)把上面微分式等号两边同时积分一次，整理后可得理想化电离层中自由电子定向运动形成运流电流。在与速度方向垂直的单位横截面上，每秒钟通过的自由电子总数为　　　，因此运流电流密度为理想化电离层中的位移电流密度为E=E0cos(t)运流电流Jv的方向和位移电流JD的方向都沿着电场矢量E的极化方向，所以总的电流密度为定义理想化电离层的等效介电常数定义理想化电离层的相对等效介电常数m=9.1061031kg，e=1.6021019C，=2

6、f比照理想介质，理想化电离层的折射率理想化电离层可看成是折射率为n的理想介质。电离层中电磁波的折射率n<1，与真空(空气)相比，电离层为光疏媒质。理想化电离层中单频率电磁波的相位常数相应的单频率电磁波的相速为结论：理想化电离层的折射率n，相位常数和相速vp都是电磁波频率f的函数，故理想化电离层是一种色散媒质。无线电波所携带信息的运动速度，即信号的速度，称为群速。电磁波的群速可按下式计算把相位常数表达式代入上式得由于电离层的折射率n<1，电离层中电磁波的相速大于光速，但这仅是电磁波等相位面运动的速度，而代表信号运动速度的群速才是电磁波能量运动的速度。第6章　天波传播与短波天线§6-2

7、天波传播的基本条件一、电离层中电磁波的折射和反射二、反射条件和正割定律三、电离层的虚高与实高一、电离层中电磁波的折射和反射在下电离层中，自由电子的浓度基本上是自下而上逐渐增大的。电离层划分成无限多层。每一薄层内的自由电子浓度N可以认为是处处相同的，可以看成是理想化电离层。N1