电离层简介及短波在电离层中的传播特性是什么_利用大气层中的电离层对短波无线电

前言

本文的主要内容是电离层的简单介绍及短波在电离层中的传播特性，电离层简介包括电离层概述、D层、E层和F层的介绍，短波在电离层中的传播特性涉及传播模式、工作频率选择以及短波信道特性对通信性能的影响。

电离层概述

短波传播的示意图如下图所示，天波传输主要依靠电离层完成，信道的慢衰落、快衰落和加性噪声都与电离层的特性密切相关，因此有必要掌握电离层的基本特性。

电离层 (Ionosphere) 是地球大气的一个电离区域，它是受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层，50km 以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，部分电离的大气区域是电离层，完全电离的大气区域称磁层。
电离层是短波天波传播的主要介质，作为地球高空大气层的一部分，它是由自由电子、正负离子、中性分子和原子等组成的等离子体，并从50km一直延伸到大约1000km以上的高度。在白天，电离层的下界通常离地球表面约 65km 至 75km，但也可能低至约50km；在夜间，由于没有太阳直接辐射，下界向上移动约 100km。电离层的形成是太阳辐射与地球上层大气原子与分子相互作用而使大气电离的结果。在中低纬度电离能量主要是紫外线和X射线，在极区起重要作用的还有太阳能量粒子，包括质子和电子。
电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布，电子密度是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。
电子密度达到平衡的条件主要取决于电子生成率和电子消失率。电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少，带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。
电离层从低到高依次分为D层、E层和F层等，其中F层还可分为F1层和F2层。

D层：一般是 70 ~ 90km，低至50km也不罕见。
E层：90 ~ 140km。
Sporadic-E层(突发E层)：通常是105 ~ 110km。
F层：大约140 ~ 1000km。
F1层：140 ~ 200km，仅在白天。
F2层：200 ~ 500km。
每小时、每天、季节性和周期性变化的太阳活动都会导致这些层的高度不断变化和进一步分层。

D层

D层通常延伸到地球上方70到90公里，在白天最强，它的电离与太阳在天空中的高度成正比，这一层通常向下延伸至50公里。电子浓度和相应的电离密度在最低水平非常小，但随着海拔高度迅速增加，D层电子密度在太阳正午后不久达到最大值，而在晚上则非常小，因为它只在白天被电离。D层是影响高频无线电波的最低区域，该层电子密度有明显的季节变化，夏季达到最大值。D层由于空气密度大，电离产生的电子平均几分钟就与其它粒子复合而消失，因此夜间没有日照后，D层随之消失，不再对短波通信产生影响。由于D层电子密度较低，不足以反射天波信号，所以短波以天波形式传播时将穿过D层。在穿过D层时，电波将受到严重的衰减，频率越低，衰减越大，而且D层的衰减量远大于其它层，所以它也被称为吸收层。在白天，D层决定了短波传播的距离以及为了获得良好的接收效果所必需的发射机功率和天线的增益。

E层

电离层中用于将无线电信号传回地球的最低区域是E层，它包括正常层和突发E层。该层中心区域的平均高度约为110公里，在这个高度，大气的密度足够大，因此太阳辐射释放出来的离子和电子无需经过很远的距离就能相遇并重新结合形成中性粒子。E层的密度也足够大，它可以电离，这一层的电离在日出附近开始，在中午达到最大电离，在太阳落山后不久停止。E层位置较为稳定，在白天可以认为基本不变，所以在短波通信线路设计和计算时，通常以110km作为E层高度。
Sporadic-E(Es)层又称为突发E层，是90～120km高度区域出现的一种短暂而不规则的电离增强层区，有时可反射频率高达50~80MHz 的电波，因此在目前在短波通信中，许多人都希望能选用Es层作为反射层。当然，Es层的选用应当十分小心，因为当突发E层时，将使电波难以穿过Es层而被它反射下来，产生“遮蔽”现象，对原来由F层反射的正常工作造成影响，使定点通信中断。

F层

F层的高度大约在140公里到500公里之间，在这样的高度，空气足够稀薄，离子和电子的重新结合非常缓慢，因此即使在日落之后，这一层也能保持其电离特性。F层是长距离高频传播中最重要的一层，它对短波通信最为重要，其处于电离层最高层，可以传播最远的距离，因此多数情况下，远距离短波通信都选用F作为反射层。F层在白天又分为F1、F2两层，其中F1层在晚上消失，与F2层合并为一层。F1层与F2层的高度均随一天中时间与季节发生变化，同样在白天，冬季高度最低，夏季高度最高。与其它层不同的是，在夜间F2层并不会完全消失，仍保持有剩余的电离，虽然其电子密度较白天降低了一个数量级，但仍足以反射短波某一频段的电波，当然夜间能反射的频率远低于白天。因此要保持昼夜不间断地利用天波进行短波通信，需要在昼夜间变换收发信机的工作频率以适应电离层对信号反射特性的变化。

各层电子密度情况

白天D层中的峰值自由电子密度可以达到$10^9$个电子/$m^3$，临界频率约为300kHz，这一临界频率远低于HF(High Frequency, 高频)波段，因此所有HF波都将以很小的折射率穿过D层。然而，当通过白天D层时，HF频带下端的频率将经历显著衰减，因此，D层为远程通信设置了白天可用频率的下限。
在E层中，白天自由电子密度峰值约为$10^{11}$个电子/$m^3$，临界频率约为3MHz，接近HF频带底部，在斜入射的情况下，E层可用于中距离通信。
F2层的峰值自由电子密度可能高达$10^{12}$个电子/$m^3$，导致临界频率约为9 MHz，在HF频带的大部分区域可能发生斜折射。在夜间，电离峰值缓慢衰减一到两个数量级，由于F层在电离层中具有最高的自由电子密度，因此穿透F层的频率会继续进入太空。因此，F层的临界频率设置了路径可用频率的上限。由于其高度，F层的反射范围达数千公里，因此F层通常是远程天波通信的首选。
为了通过F层的单次反射在超过几千公里的距离上进行通信，必须采用多跳路径，在这种情况下，从电离层返回地球的信号从地球表面散射，部分能量向上传播，再次从电离层反射，需要注意的是每次反射或散射都会导致信号强度的显著损失，天波路径的端到端损耗通常超过100 dB。

短波在电离层中的传播特性

天波进入电离层的角度称为入射角，这是由波长和发射天线的类型决定的，无线电波在进入电离层时以相同的角度折射。因此，入射角是决定通信距离的一个重要因素。对于较长的距离，入射角需要较大，相反，对于较短的距离，入射角需要较小。通常可以通过改变入射角和频率来优化链路性能。入射角是至关重要的，因为如果入射角太接近垂直，无线电波就会穿过电离层而不会被折射回地球。如果角度太大，波将会在到达上层电离层前被较低的电离层吸收。

入射角的选择应该保证电波既不穿过电离层，又不被电离层吸收。
电波进入电离层的入射角φ可以由下式确定：
$sin\phi =\sqrt{1-80.8N/f^2}$，其中 N 为反射点的电子密度，f 为电波频率。
当电波以与地面相切的方向，即射线仰角为零度的方向发射时，可以得到电波经电离层一次反射(也称一 跳)时最长的地面距离。按平均情况来说，从E层反射的一跳最远距离约为2000km，从F层反射的一跳最远距离约为4000km。若通信距离比较远时，必须经过几跳才能到达。
最高可用频率(MUF, Maximum Usable Frequency)指在实际通信中，能被电离层反射回地面的电波的最高频率。MUF与电子密度及电磁波进入电离层的入射角有关，它是短波通信线路设计要确定的重要参数之一，也是计算其他参数的基础。最高可用频率MUF又分为基本MUF与工作MUF。基本MUF指无线电波在给定终端间，在指定的场合下，只通过电离层折射可以进行传播的最高频率。工作MUF是使无线电电路在给定终端之间，在指定的时间和工作条件下，通过电离层，借信号传播的方式获得可接受的性能的最高频率。
由电离层传播理论可知，并不是所有短波都能从电离层反射回地面，由于电离层吸收的大小与频率平方成反比，因此当通信距离、发射功率和天线增益一定时，信号电平降低到刚能满足最低接收信噪比要求时，所用的频率称为该电路的最低可用频率(LUF, Lowest Usable Frequency)，它与发射机功率、天线增益、传播损耗、接收点噪声电平以及工作方式等因素有关。
当短波通信线路选用MUF作为工作频率时，由于只有一条传播路径，在一般情况下，有可能获得最佳接收，但MUF是电波能返回地面和穿出电离层的临界值，是根据电离层监测站所提供的电离层参数确定的一个预估值，只能保证通信时间的50%的时间可通率。考虑到电离层的结构随时间的变化和保证获得长期稳定的接收，在确定线路的工作频率时，一般不直接使用预报的MUF值， 而是采用最佳工作频率(OWF, Optimum Working Frequency)，它取0.85MUF，这时能保证通信线路有90%的可通率。由于工作频率较MUF下降了15%，接收点的场强较工作在MUF时损失了10~20dB。
短波信道特性对通信性能的影响： 由于地表面的弯曲、太阳活动、地磁场影响以及电子密度随高度的变化等因素而引发了多种电波传播现象，它们对短波通信的质量、效率和可靠性都造成了强烈影响，严重时可能引起通信中断。其中，多径延迟、相位起伏、幅度衰落等现象对通信误码率影响较大。
多径延迟是指在电离层传播过程中，电波经由几条不同路径到达接收点的延迟时间各异。其中最大的传输时延与最小的传输时延之差称为多径时延，它是影响短波数据通信质量的主要原因，并且随着工作频率偏离MUF的增大而增大。因此，工作频率的选择要尽可能接近MUF。此外，多径延迟也与电路距离、工作时间、天线型式、干扰状况、系统带宽等因素有关。
相位起伏是接收信号的载波相位随时间的不规则变化。多径传播、电离层的不均匀性和快速运动，是造成信号相位起伏的主要原因。电离层的快速运动所引起的相位变化，反映在频率上就会产生多普勒频移。短波相位起伏对于使用短波信道的快速数字通信系统和其它电子系统都有重要影响，特别是对相移制数字通信系统更有直接影响。
幅度衰落是指信号经过电离层传播后幅度的起伏现象。引起信号幅度衰落的原因主要包括多径波的干涉、极化面的旋转和电离层的运动等。衰落可分成快衰落、慢衰落、时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落等不同的类型。衰落时，信号强度的变化可达几十倍到几百倍，而衰落周期由几十秒到零点几秒不等。

总结

以上就是电离层简介及短波在电离层中的传播特性的所有内容了，我们应当对电离层中D层、E层和F层的各层特点有所掌握，同时也应了解短波在电离层中的传播特性。
参考内容：
电离层百度百科
基于短波中长期频率预报软件VOACAP的自动选频技术研究-刘学宇 硕士论文

今天的文章电离层简介及短波在电离层中的传播特性是什么_利用大气层中的电离层对短波无线电分享到此就结束了，感谢您的阅读。