微波与天线结课论文

1、微波与天线结课论文课程名称： 指导老师： 姓 名： 班 序 号： 学 号： 微波在电离层的传播特性【摘要】微波频率很高，容易实现定向通讯，在电离层中传播时会受到大气折射的影响，其传播方向发生改变。因此，微波在电离层的传播特性主要由大气折射率的变化决定。而大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关。通过对线性条件下电离层临界频率和大气折射率公式的推导，并结合电离层电子浓度经验分布模型对 电子浓度和大气折射率进行数值模拟，进而对电离层大气折射率的高度剖面图及其变化特性进行了分析。微波频率很高，容易实现窄波束定向通信，视距传播能穿透电离层实现卫星通信，但其在电离层中传播时由于受大气折射的影响，波束的传播

2、方向会产生弯折，传播速度也会改变。从地面向高空中的卫星发射微波时要考虑微波在大气中的传输轨迹，以便调整天线的发射角度以及计算微波在传输过程中的衰减，以在设计天线时留有足够的功率余量。通过研究微波随电离层中的大气折射率变化的特性可以得到其传播的宏观特性和规律。1电离层介质特性相关理论1.1电离层的形成与分层结构电离层（Ionosphere）是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层的内界。60千米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，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。电离层的形成是太阳辐射与地球上层大气原子和分子相互作用从而使大气电离的结果。正常情况下，高层

3、大气分子和原子大多呈中性，在太阳辐射和高能粒子流的作用下，部分气体分子和少量原子会发生电离，从而形成由原子、正离子、中性分子及原子等组成的等离子体。 在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成

4、分等空间分布的基本参数来表示。但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（或称电子浓度）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。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。根据卡普曼(Chapman)理论,单一大气成分在太阳竊射单色光电离的情况下，单位体积电子生成率为:qh,x= n(h)I (1-1)式中， n， ，h和x分别为该成分的电离效率,吸收截面,高度及太阳天顶角。n(h)为该大气成分密度随高度的分布。I是传入大气层的单位面积太阳辐

5、射能流，且： I = Iexp-(h,x) (1-2) h,x= nhH secx (1-3)其中，式(2-3)表征太阳福射的衰减速度，称为大气光学厚度，H为标高。由(2-2)， (2-3)两式可知当n(h)增大时，I减小，也就是说n(h)与I随着高度的增大而分别增大或减小。再由(2-1)式可知，在某一高度时,生成率q(h,x)存在一个极值，表示电离层存在分层结构。大气各成分随高度的分布与吸收截面及电离效率均不同，并与波长有关。同时，太阳电离辐射具有一定的谱分布，其能深入大气层内的高度也各不相同。因此,电离层形成了随高度的多层分布结构。电离层的分层状况以及各层电子密度峰值大小随时间（日、季节和

6、太阳周等）、地理位置（极区、极光带、中纬度以及赤道）和太阳活动（太阳耀斑等）的变化非常大。常规状态下，电离层主要分D、E、F1、F2四层结构,其主要状态参数如下表所述。表2-1电离层各层状态上表中，hm为各层电子浓度峰值所在的高度，Nm为各层电子浓度峰值。D层是电离层最低的一层，离地球表面50至100公里。这里主要是波长为121.5纳米的来曼-氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子），硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造成一个剩余电离。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子

7、的碰撞率约为每秒1000万次。10MHz以下的电波会被D层吸收，随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。E层是中层，在地面上100至150公里。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波，对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间E层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此其高度开始上升。高空周日变化的风对E层也有一定影响。随着夜间E层的升高，电波可以被反射到更加远的地方。F层在地面以上1

8、50至超过500公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。 电离层各层之间的性质有很大的差异，且各层随着时间的变化，它们白天与黑夜的性质也差异很大，下图1-1给出中纬度地区典型的白天与黑夜的电子浓度剖面。由图可知，在白天各层电子浓度普遍比黑夜大，尤其是E层左右变化特别明显，差异最大可达三个数量级。日间电离层主要是在太阳的紫外和X射线辐射作用下形成的，辐射连续且稳定，紫外谱决定着E层和F层的电离，X射线对E层和D层有着

9、很大的影响。在夜间，D层消失，E层靠地冕的紫外辐射和来自高层的粒子沉降和微粒电离来维持。可见，电离层中的物理过程不光随着高度的变化而变化，其随着时间的变化也较明显。图1-1白天和夜晚电离层电子浓度剖面2 微波电离层传输理论 具有等离子体特性的电离层由离子、电子等组成当电磁波在其中传播时电子和离子都要受到电磁场的作用而运动，略去离子的运动和磁场的作用，暂不考虑微波传播过程中可能引起的非线性效应。此时在电离层中某一高度传播的微波可视为单色平面波，其电场强度可表示为E=E0ei(kr-t) (2-1) 等离子体在宏观上具有保持电中性的趋势，但在局部会引起电荷分离，这样破坏了原本的电中性，电子受到扰动

10、会像一个方向移动一段距离。这时相反的方向上正电荷过剩,因而产生了静电场，这个电场组织电子因扰动偏移，并作用电子向相反方向运动，由于惯性。电子又会产生反方向的偏移，这样来回往复，形成了薄层电子围绕其平衡位置的静电振荡。假设忽略粒子的热运动，且不存在磁场，振荡存在于正离子和电子之间，因为正离子质量远大于电子质量，按照惯性，电子位移距离远大于正离子，所以正离子可以看成固定不动，且分布均匀，因此电子围绕平衡位置的运动方程为md2zdt2=eE (2-2)式中m为电子的质量，e为电子电荷，z为位移。设电子的初速度为0,由式(2-1)、式(2-2)可推得：dzdt=-eE0imei(kr-t)=-eEim

11、 (2-3)设电子密度为Ne（个/m3），则电离层中的传导电流密度为：je=Needzdt=-Nee2imE (2-4)因此，相应的电导率为：c=-Nee2im (2-5)可认为等离子体是电中性的，但其中的传导电流不等于零，平面电磁波在其中传播时，它的波矢和频率之间的关系为：-k2+2c2+ic0c2=0 (2-6)把式(2-5)代入(2-6)可得：k2=1c2(2-p2) (2-7)p2=Nee20m (2-8)称 p 为等离子体角频率.按照等离子体理论，当忽略地磁场的影响以及电子 与离子、分子之间的碰撞效应时，电离层介质的介电常数 和大气折射指数n可 表示为：n2=1-p22=1-fp2f

12、2 (2-9)式中， 为电磁波角频率，f 和 fp 分别为电磁波频率和等离子体频率。由以上式子，可以得到：当 <p 时，k2<0 ，k为纯虚数。此时人射到等离子体上的电磁波都将被反射回去。当 >p 时，k为实数，电磁波可以在其中传播。因此，将 =p ，即 f=fp 时的频率f称为临界频率，用fc 表示：fc=fp=e2Ne42m0=8.9787×10-6Ne12(MHz) (2-10)大气折射指数n为：n=(1-0.8046×10-10Nef2)(12) (2-11)式中，f 的单位为MHz。大气折射率N可以表示为：N=(n-1)×106 (2-

13、12)由式(2-11)、(2-12)可知，测出Ne即可计算得到折射指数n和折射率N。对给定频率的微波，其在电离层中传输时的介电常数 和大气折射率N仅与传输高度上的电子密度有关（线性条件下）。因此，通过研究电离层的电子浓度随高度分布的模式，就可以得到折射率N随高度变化的规律。3电离层电子浓度分布理论模型电离层随着时间(昼夜、季节、年周期)和空间(维度、经度、高度)的变化而变化，电离层中电子浓度也随之变化。实际的电子浓度变化复杂，多样且不均匀，电子浓度最大的区域既不在电离层最上层，也不在电离层最下层。在低电离层，气体分子密度较小，产生电离情况也小，电子浓度偏低，电子浓度随高度升高而上升，到达一定高

14、度时电子浓度产生极大值，然后随着高度上升而减小。假定只有一类被电离的粒子和由单色辐射使这些粒子电离，当温度T为常数时，中性粒子的高度关系可用如下的公式描述：n=n0exp(-zH) (3-1) 对于平面地球,电子产生率 J 可由下面的公式描述:J=Jm0exp1-h-e-hsec=J(,z,t) (3-2)式(3-2)中J 是高度z 、太阳赤纬 、观测点对北极的角距 和时间t 的函数。 为太阳天顶角，对太阳平纬来说， 太阳赤纬时角以及黄纬的函数。在电离平衡条件下，dNdt0 ，可以假定 NJ 。电子产生率最大值 Jm0所处的高度与电子浓度峰值高度重合。因此，可由电子产生率公式推导得电子浓度表达

15、式：N=Nmexp121-z-zmH+ez-zm-H (3-3)式中，N=Nm0cos ；Nm0 是当 =0时N 的峰值处的数量。 把式(3-3)按(z-zm)/H 幂级数展开并忽略大于2的高次项：N=Nm1-(z-zm2H)2 (3-4)式（3-4）为半厚度为2H的抛物线层，层的开始点和转折点高度的确定在文献2上有详细的说明。当上述公式推广到球形地球时，可以得到更详细的电子浓度剖面表达式。3 数值分析 用文献2给出的电子浓度剖面表达式，通过仿真可以得到电离层电子浓度剖面图，如图3-1所示。由式(3-3)式(3-4)可得到大气折射率随高度的变化曲线（模拟的电离层最高高度为800km），如图3-

16、2所示。图3-1 电离层电子浓度剖面图图3-2 大气折射率垂直高度变化图 图3-1和图3-2分别为6月份，格林尼治（平均）时间为 12 时，地理纬度=25 ，经=120 度，太阳黑子数为150时电子浓度与大气折射率的预测值。由图3-1和图3-2可以看出，大气折射率随着电子浓度的变化而变化。从电离层底层开始到最大电子浓度高度hmF2，电子浓度逐渐增大，在大约350km高度达到电离层电子浓度最大值.从最大电子浓度高度hmF2直至电离层外空间，电子浓度逐渐减小到零。折射率N在电离层中总是为负值，这是电离层等离子体特性的体现。在最大电子浓度高度hmF2处，折射率N达到负的最大值。因此，在高功率微波从电

17、离层底端到最大电子浓度高度hmF2的传输路径上，折射率N由零减小到负的极值，微波一直是从波密介质向波疏介质折射，其传播方向逐渐 向地心方向弯曲，曲率中心在靠近地心的方向。从最大电子浓度高度hmF2到电 离层外空间折射率N由负的极值逐渐增加到零，微波从波疏介质向波密介质折射，其传播方向逐渐向大气层外空间方向弯曲，曲率中心在远离地心的方向。 4. 总结由上述可出，微波在从电离层底端到电离层外空间的传输过程中不是简单地向一个方向偏折。尤其对于低轨卫星与地面测控设备联络时，其近地点高度在400600km，而微波波束的传播轨迹的曲率中心变化的高度也在400km左右，因此定量地研究微波的传播轨迹很有必要的。以上假定只有一类被电离的粒子和由单色辐射使这些粒子电离，并且略去离子的运动和磁场的作用，分析了大气折射率随高度的变化曲线、电离层电子浓度变化，从而得到微波在电离层传播特性。【参考文献】1许正文.电离层对卫星信号传播及其性能影响的研究D.西安电子科技大学,20052国防科学技术工业委员会. 雷达电波传