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电离层变化对天波传播的影响

发布者:易达瑞康 发布时间:2019年04月08日标签: 90人浏览过

1、电离层规律性变化的影响
电离层中自由电子在电磁波电力场的作用下发生定向运动的同时,也不断地与各种中性粒子、正离子和负离子发生碰撞,因而电磁波的能量将会被吸收而造成衰减。这种情况下电离层类似于导电媒质。可以证明,电磁波的频率越低这种衰减就越严重。例如,白天中波无线电波在D层能量几乎全部被吸收掉,因而不能从电离层反射到地面。夜间D层消失以后,中波无线电波才能被E层反射到地面。这就是我们只能在夜间收听到远地中波广播的原因。F1层对天波传播影响不大,它仅在夏季白天存在,其他时间消失。进入电离层的短波无线电波是在F2层发生反射的。D层和E层虽然对短波无线电波也有吸收作用,但由于短波的频率较高,电磁波能量受到的衰减并不严重。超短波和微波的频率由于特别高,不能满足天波的反射条件,进入电离层的电磁波将穿透电离层进入太空。短波波段的无线电波以地面波方式传播衰减很快,而不能以空间波等其他方式传播。因此,天波传播是短波无线电波的主要传播方式。
电离层中的自由电子浓度随季节、昼夜每时每刻都在发生变化。早晨太阳出来以后,电离层自由电子浓度增加的速率很快,中午以后自由电子浓度大。晚上太阳消失,电离层中的自由电子浓度变小。从电磁波反射条件公式可知,白天进行短波通信时,应使用较高的工作频率,反射点的虚高度比较低,电磁波的入射角应大一点,即仰角小一点;而夜间进行天波通信时,应使用较低的工作频率,反射点的虚高度比较高,电磁波的入射角应小一点。即仰角大一点。
我们知道,天波通信的频率越低,电离层吸收越严重。为了保障通信的可靠性,电离层观测站根据不同的通信地点、通信距离和通信时间,制定了短波通信的低可用频率(LUF),作为工作频率的下限。对于定点通信的情况,每天24小时的低可用频率曲线是多年来的统计平均值。 
为了减少无线电波在电离层中的衰减,总希望选择更高的工作频率。但是,根据正割定律可知,在自由电子浓度大值处,如果频率过高而不能满足反射条件,电磁波将穿透电离层不能返回地面。为了保障通信的可靠性,电离层观测站根据不同的通信地点、通信距离和通信时间,制定了短波通信的高可用频率(MUF),作为工作频率的上限。对于定点通信的情况,每天24小时的高可用频率曲线是多年来的统计平均值。
对于定点通信的情况,由于每一天的高可用频率和低可用频率都是统计平均值,加上电离层的不稳定性,无论选择高可用频率还是低可用频率来工作都不够可靠。实践证明,如果选择的工作频率比高可用频率低10%20%,不仅信号衰减较小,而且也能充分地保证通信的可靠性。这样的工作频率称为佳可用频率(OWF)。因此,电离层观测站就根据这样的标准制定了佳可用频率。同样,对于任何给定的定点通信,每天24小时的佳可用频率曲线也是由多年来的统计平均值所确定的。在实际工作中,定点通信的双方不可能随时地更换无线电波的工作频率,而是根据佳可用频率曲线,在一天24小时之内选用两种或三种频率来工作。因为电离层是性的,为了避免各国使用相同的频率进行天波通信而造成彼此之间信号的干扰,从427MHZ的频率范围要在范围内进行分配。这是1959年日内瓦世界无线电大会所确定的基本原则。
太阳黑子的周期性活动大约每11年一次循环。太阳黑子多的年份,电离层各层自由电子浓度增大,因而天波传播的临界频率也增大;反之,太阳黑子少的年份,电离层各层自由电子浓度变小,因而天波传播的临界频率也变小。

2 电离层非规律性变化的影响
电离层除了规律性变化以外,还有一些非规律性变化。例如不稳定ES层,电离层突然骚动,电离层暴变等。
不稳定ES层是在E层高度自由电子突然增高的现象。大致白天低纬度地区出现的机会多于高纬度地区,而晚上则高纬度地区出现的机会多于低纬度地区。不稳定ES层存在的时间不超过几小时,其范围可达几十千米至几百千米。不稳定ES层的突然出现有可能中断正常的短波通信。
太阳突然喷射出包含各种波长的辐射能量,其深度可达到D层,这将使大量气体发生电离,且自由电子浓度相当大,这种现象称为电离层骚动。电离层骚动会使短波通信中断,其延续时间可达一两小时。突然骚动现象在太阳黑子多的年份比较容易发生,一般仅在白天发生。
电离层突然骚动发生之后30小时左右,电离层呈现层次不清的混乱状态时间可长达几个小时,这种现象称为电离层暴变。电离层暴变现象初出现在F2层,逐渐到达下面各层。电离层暴变现象使短波通信的临界频率降低,无法使用原有的工作频率正常通信。但以较低的工作频率进行通信时,很可能又因为电离层的吸收作用也不能正常通信。电离层暴变波及的范围非常大,甚至可以遍及。一般南北极地区较为严重,赤道地区相对较轻。

地球磁场对天波传播的影响
在地球磁场的作用下,电离层处于磁化等离子状态。磁化等离子体是各向异性的。
由于地球不同位置的地磁场不同,因而磁化等离子体的磁旋频率(fg)也不同。在南北极附近,fg=1.6~1.7MHz;在赤道附近,fg=0.7MHz。由介电常数等式可知,当工作频率f接近磁旋频率时,电磁波的能量几乎全部被吸收,不能返回地面。可见中波的频率比较接近磁旋频率,容易被电离层吸收;而短波和超短波的频率与磁旋频率相差较大,不容易被电离层吸收。
从电磁场理论中我们知道,沿着恒定磁场相同或相反方向传播的线极化波,进入磁化等离子体后,将分裂成正旋圆极化波和负旋圆极化波。从磁化等离子体出来以后,正旋圆极化波和负旋圆极化波又重新合成线极化波,但极化方向发生了变化,这就是法拉第旋转现象。从电磁场理论中我们还知道,沿着垂直于恒定磁场方向传播的线极化波,进入等离子体后,将分裂成正常波和非常波(又叫非正常波或反常波)。正常波仍然是横电磁波,即TEM波;但非常波却是横磁波,即TM波。在磁化等离子体中,它们以不同的相速传播。这种象限称为双折射。

短波通信的几个现象
在定性分析天波传播路径的时候,可以把电离层对电磁波连续折射的结果,近似看成是以光速传播的电磁波受到的镜面反射。但实际电离层对电磁波的反射毕竟不是镜面反射,因此,到达接收点的电磁波射线,是从许多不同路径传来的。进入电离层的电磁波射线,不仅能分解为正旋圆极化波和负旋圆极化波,分裂成正常波和非常波,而且由于电离层的漫反射作用,一条电磁波射线往往被分裂成许许多多条射线。这些不同路径传到同一个接收点的信号没有固定的相位差,它们相互叠加的结果忽大忽小有时甚至收不到信号。这种现象称为衰落。衰落现象是多路径信号彼此叠加,由相位差无规律变化所引起的信号强弱的无规律变化,以致无法实现正常接收的一种现象。可见衰落现象不同于有规律变化的衰减现象。 

衰落现象一般由三种原因引起:
1 由两路反射次数不同的电磁波到达同一接收点而引起的;
2 由一条正常波射线与一条非常波射线到达同一地点引起的;
3 由于漫反射,原来的一条电磁波射线分裂后又重新合到一起而引起的。 
在地面与电离层之间多次来回反射,环绕地球一周的信号,有时还能与经过一次反射的正常路径的信号同时到达接收点,而被接收机同时接收,这种现象称为环球回波。由于两条路径信号的相位差相当大,接收机收到的信号是紊乱的。例如,原来的一个脉冲信号可能变成两个脉冲信号。

一般的,短波和超短波通信以地面方式传播的距离不超过几十千米。以几十度的仰角进入电离层的电磁波,经过一次反射到达地面的近距离往往也在100公里以上。可见,在地面波的大距离与天波的小距离之间的一个环形区域内,收不到短波信号。这一环形区域成为通信的寂静区。由于电离层每时每刻都在不断变化,寂静区的大小与形状也随之发生变化。

 短波电台通讯对天线的要求

在短波段上,大地的导电性能要显得差一点。因此,无线电波以地面波方式传播的衰减很大,传播的距离很近。因此,天波传播是短波的主要传播途径。根据天波传播的要求,天线应与地面保持仰角。大的虽然不是理想导体,但采用水平天线仍然能满足这一要求。因此,一般情况下短波天线都是水平的。并且,近距离通信时可采用架设高度较低的水平天线,实现高仰角的辐射;远距离通信时则采用架设较高的水平的天线,实现低仰角辐射。 
电离层每时每刻都在发生变化,无线电波被反射的状态也在不断地发生变化。为了保证通信的可靠性,短波天线在垂直和水平两个主平面内方向性图的主瓣应有足够的宽度。如果白天和夜晚都用同一副天线工作,须使用宽频带的天线,才能适应更换频率的要求。

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