高頻率電磁波在電離層的傳播特性.doc

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1、1、高頻率電磁波在電離層的傳播特性具有等離子體特性的電離層由離子、電子和中性粒子等組成，當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)，電子和粒子都受到電磁場(chǎng)的作用。我們略去粒子的運(yùn)動(dòng)和電磁場(chǎng)的作用，暫不考慮高頻率微波傳播過(guò)程中引起的非線(xiàn)性效應(yīng)。將電離層某一高度的微波視為單色平行波，按照等離子體理論，忽略地磁場(chǎng)的影響以及電子與離子、分子之間的碰撞效應(yīng)時(shí)，電離層介質(zhì)大氣折射指數(shù)可表示為式中；為電磁波角頻率；和分別為電磁波頻率和等離子體頻率。帶入電子電荷、電子質(zhì)量可得為電離層電子濃度，單位。大氣折射指數(shù)式中的單位為。2、電離層電子濃度分布自然狀態(tài)下

2、電離層電子濃度隨時(shí)間（晝夜、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱的是一年周期）和經(jīng)緯度劇烈地變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)值可以給出某時(shí)某地的電子濃度隨高度分布（電子濃度剖面）。此剖面的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：E層最大電子濃度高度為115km，E層半厚度為20km，E層最大電子濃度，F(xiàn)2層最大電子濃度，F(xiàn)2層最大電子濃度高度，F(xiàn)2層半厚度，、、與分別由文獻(xiàn)（？）給出的公式計(jì)算可得。各參數(shù)具體值參見(jiàn)下圖：層數(shù)層層層層夏季白天高度60~9090~150150~200200~450夏季夜間高度消失90~140消失150以上冬季白天高度60~9090~150160~

3、180（經(jīng)常消失）170以上冬季夜間高度消失90~140消失150以上白天最大電子密度/（個(gè)）~~夜間最大電子密度/（個(gè)）消失消失~電子密度最大值的高度80115180200~350碰撞頻率/（次/秒）~~~白天臨界頻率夜間臨界頻率//半厚度1020~2550100~200中性院子及分子密度/（個(gè)）研究電波在電離層等離子體內(nèi)傳播的吸收損耗，先引入一些基本的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在矢徑正方向傳播的平面波可以表示為式中，；是復(fù)折射指數(shù)，和分別是的實(shí)部和虛部。由此，式（1）變?yōu)榇似矫娌ǖ恼穹鶠殡S距離指數(shù)衰減，其中稱(chēng)為電波在介質(zhì)中的吸收

4、系數(shù)，表示單位距離引起的電波吸收衰減。另一方面，由于忽略磁場(chǎng)的A-H公式可以得到這樣就有式中，表示取虛部；為真空中的光速；為穿過(guò)等離子體的電波角頻率；為等離子體角頻率，為空間位置函數(shù)；為電子碰撞角頻率。再考慮電波吸收衰減的結(jié)果。對(duì)于離散電離層背景下的射線(xiàn)追蹤給出了射線(xiàn)的精確路徑，由參考文獻(xiàn)（？）可計(jì)算出路徑上每一點(diǎn)的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)沿整個(gè)路徑積分，得到總的吸收為接下來(lái)討論電磁波在海水界面反射的情況。先引入海面復(fù)介電常數(shù)，他由海水相對(duì)介電常數(shù)，海水電導(dǎo)率和電波波長(zhǎng)構(gòu)成，表達(dá)式為海水相對(duì)介電常數(shù)的表達(dá)式為其中，為電波頻率

5、，單位為MHz；則利用上面你和函數(shù)可計(jì)算出海水相對(duì)介電常數(shù)各電波頻率對(duì)應(yīng)值。再引入海水電導(dǎo)率，其表達(dá)式為其中各參數(shù)值為由擬合函數(shù)可計(jì)算出海水電導(dǎo)率在個(gè)電波頻率處對(duì)應(yīng)值。進(jìn)一步根據(jù)平面波斜射到理想介質(zhì)分界面上的反射定律，即snell定律，可得在光滑海水上的水平極化波和垂直極化波的Fresnel反射系數(shù)公式為其中為掠入射角，將表達(dá)式帶入上式，可以求得水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)。對(duì)于粗糙海面的反射問(wèn)題，我們采用光滑海面反射系數(shù)前乘以粗糙修正因子進(jìn)行修正，即：其中為粗糙海面反射系數(shù)，為光滑海面反射系數(shù)。國(guó)際無(wú)線(xiàn)電顧問(wèn)委員

6、會(huì)給出了粗糙修正因子的表達(dá)式為其中為光速，為電波頻率，為海面均方根高度，它可根據(jù)Phillips海浪模型給出為海面附近高度的風(fēng)速，單位為m/s。綜合上式可得出粗糙修正因子，進(jìn)而計(jì)算出粗糙海面反射系數(shù)。手稿在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般采用垂直極化的傳播方式。對(duì)于海水而言，我們通過(guò)查閱資料可知（接1）下面研究電磁波入射到海水中的衰減情況。設(shè)電磁波的電場(chǎng)方程為其瞬時(shí)表達(dá)式為這里是衰減系數(shù)，是相位系數(shù)由亥姆霍茲方程解得海水的電導(dǎo)率為4.6s/m，海水的相對(duì)磁導(dǎo)率約為1。對(duì)于我們研究的頻率為3~30MHz的電波而言，

7、取當(dāng)是，，海水視為良導(dǎo)體，當(dāng)振幅衰減一半且時(shí)，顯然，對(duì)于入射到海水中的能量，僅考慮接受反射后的電波，故我們重點(diǎn)考慮垂直極化波的反射系數(shù)，由于數(shù)據(jù)有限，我們只能對(duì)是垂直極化波在海水表面反射式的反射系數(shù)幅度隨入射角的變化關(guān)系。