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Radio Wave Propagation 无线电波传播 第一讲 课程内容概要 近地空间、波动现象 参考教材 刘选谋，无线电波传播，高教出版社，1987 吕保维，无线电波传播理论及其应用，科学出版社，2005 焦培南，雷达环境与电波传播特性，电子工业出版社，2007 J. A. Kong, 电磁波理论 课程主要内容 近地空间 波动现象 Maxwell方程和波动方程 电磁波的基本特性 天线理论概要 地波传播 无线电波在对流层中的传播 高空大气物理与等离子体物理概要 电离层中的电波传播 电波传播相关其它技术 无线电波传播应用问题 可靠的远距离通信问题 高精度远距离定位问题 高精度远距离导航和传送精确时间信号问题 地下通信问题 空间通信问题 对卫星的侦察、导弹预警、空间碎片观测 核爆炸对传播的影响 多径效应、传播信道统计特性问题 传播特性的准确预报问题 电波传播及散射机制与雷达系统设计问题 宇宙间的等离子体电动力学问题 无线电波频段 Electromagnetic wave spectrum EM Spectrum Data Table 近地空间 Magnetospheric Regions 电离层简介 电离层（ionosphere）是指大气层中存在数量庞大的带电粒子，并足以影响电波传播的范围。对地球电离层而言，它涵盖自地球表面上约50 公里到数千公里的大气区域。 依其电子密度随高度的分布，电离层可分成D、E、F 三层。日间F层可能有两个层峰，因此可再细分成F1 和F2 层。到了夜间F1 和F2 层合并成为F 层。 日间电离层电子密度随高度分布示意图 会随着地区、日夜、季节和太阳活动性（通常以太阳黑子数为其指数）等因素而变 Day and night structure of the ionosphere Solar Radiation Absorption D层 D 层约在50 至95 公里的高度，日间的电子密度约2.5×109 m-3，没有明显的层峰，而且随太阳天顶角（zenith angle）的减少和太阳活动性的增强而增加，到了夜间会降到很小。 E层 E 层约在95 至140公里的高度，日间的电子密度约2.0×1011 m-3，夜间约下降至2.0×1010 m-3 左右，层峰高度hmE 大约在110-120 公里之间。 F层 F 层的高度约140 公里以上至数千公里。F1 层约在140-220 公里之间，层峰高度约在180公里。 在太阳活动极小期间（solar minimum）或夏季等F2 层电子密度较小的时候，F1层才较为明显。 F2 层峰拥有最大电子密度，在日间可达2.0×1012 m-3，夜间亦有2.0×1011 m-3，层峰高度约在200-300 公里之间。 等离子体层和磁层 在F 层以上即属于等离子体层（plasmasphere）的范围， 两者并没有很明显的分界。等离子体层顶（plasmapause）距离地心平均约4 个地球半径。 穿过等离子体层顶后，电子密度急据下降至原来的1%左右，即为磁层（magnetosphere）的开始。 The Ionosphere: “…a battleground between the earth’s neutral atmosphere and the sun’s fully ionized atmosphere…” - Michael Kelley 机制 电离层电子密度的变化主要来自三种物理化学反应机制，即电子产生、消散和传输过程，如下式： 其中?N/?t表示电子密度随时间的变化；q 为电子产生率；L 为电子损失率；V为等离子体漂移速度。 电子的产生或损失属于光化学过程（photochemical process），而??(N V)为等离子体传输过程（transport process） 电子的产生 电子产生主要来自太阳光中的短波辐射离化中性气体。 D层的离化电子主要来自太阳辐射的X 射线和紫外线，尤其是Lyman-α波段。 E 层离化电子主要来自X 射线和超紫外线（EUV） F 层则几乎来自超紫外线 电子的损失 电子损失有主要有两种过程， 即复合( recombination) 和附著(attachment)。 复合过程为电子和正离子重新結合成为中性粒子 附著过程则是指电子吸附于中性粒子而形成负离子 输运过程 传输过程也是影响电离层变化的重要机制。 传输过程主要来自电磁力、等离子体和中性气体碰撞、地球重力，以及等离子体本身的压力梯度力等 D、E、F1 层的变化和太阳天顶角有密切的关系，因此这些层主要为光化学过程所支配 F2 层的变化虽然和太阳有关，但也由地球磁场支配，因此F2 层是受到光化学和传输两种过程的控制 总电子含量TEC 人造卫星上的电波发射台发射无