短波通信主要是利用天波傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信的。所謂天波是無(wú)線電波經(jīng)電離層反射回地面的部分，傾斜投射的電磁波經(jīng)電離層反射后，可以傳到幾千千米外的地面。電離層成為短波通信的不可缺少的重要的組成部分。

一、電離層的概念及結(jié)構(gòu)

1、電離層的概念

從地面到1000km的高空均有各種氣體存在，這一區(qū)域稱為大氣層，在接近地面的空間里，由于對(duì)流作用，成分基本穩(wěn)定，是各種氣體的混合體。在離地面60km～80km以上的高空，對(duì)流作用很小，不同成分的氣體不再混合在一起，按重量的不同分成若干層，而且就每一層而言，由于重力作用，分子或原子的密度是上疏下密。大氣層在太陽(yáng)輻射能的作用下，分子或原子中的一個(gè)或若干個(gè)電子游離出來(lái)成為自由電子而發(fā)生電離，使高空形成了一個(gè)厚度為幾百km的電離現(xiàn)象顯著的區(qū)域，稱這個(gè)區(qū)域?yàn)殡婋x層。

2、電離層的結(jié)構(gòu)

電離層電子密度呈不均勻分布，按照電子密度隨高度變化的情況，可把它們依次分為D層、E層、F_l層和F₂層，如圖1-2所示。F₂層的電子密度最大，F₁層次之，D層電子密度最小。就每層而言，電子密度也不是均勻的，而是在每層中的適當(dāng)高度上出現(xiàn)最大值Nmax。其電離層的分布情況及相關(guān)數(shù)據(jù)（包括高度、濃度、成分及成因等）詳見(jiàn)下表1-2。

圖1-2：電離層示意圖

表1-2：電離層的分布情況及相關(guān)數(shù)據(jù)

二、電離層對(duì)短波傳播的影響

這些導(dǎo)電層對(duì)短波傳播具有重要的影響，下表2做了詳盡的說(shuō)明，包括其晝夜變化情況及其對(duì)短波傳播帶來(lái)的影響。

表2：電離層各層對(duì)短波傳播的影響

在白天，電離層包括D層、E層、F_l層和F₂層。也就是說(shuō)在白天F層有兩層，它們的高度在不同季節(jié)和一天內(nèi)不同時(shí)刻是不一樣的。對(duì)F₂層來(lái)講，其高度在冬季的白天最低，而在夏天的白天最高。F₂層和其他層不同，在日落以后并沒(méi)有完全消失，仍保持有剩余的電離。其原因可能是在夜間由于F₂層的低電子密度，復(fù)合的速度減慢，以及粒子輻射仍然存在。雖然夜間F₂層的電子密度較白天降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍足以反射短波某一頻段的電波。當(dāng)然夜間能反射的頻率遠(yuǎn)低于白天。由此可以粗略看出，若要保持晝夜短波通信，則其工作頻率必須晝夜更換，而且一般情況下夜間工作頻率遠(yuǎn)低于白天工作頻率。這是因?yàn)楦叩念l率能穿過(guò)低電子密度的電離層，只在高電子密度的導(dǎo)電層反射。所以若晝夜不改變工作頻率（例如夜間仍使用白天的頻率），其結(jié)果，有可能是電波穿出電離層，造成通信中斷。

三、電離層的變化規(guī)律

電離層的變化分為規(guī)則變化和不規(guī)則變化。

1、規(guī)則變化

電離層的規(guī)則變化包括：日夜變化、季節(jié)變化、11年周期變化和隨地理位置變化。

1）日夜變化：由于日夜太陽(yáng)的照射不同，故白天電子密度比夜間大；中午的電子密度又比早晚大，D層在日落之后很快消失，而E層和F層的電子密度減少。到了日出之后，各層的電子密度開(kāi)始增長(zhǎng)，到正午時(shí)達(dá)到最大值，以后又開(kāi)始減少。F₁層夜晚與F₂合并，F₂層變化復(fù)雜，一月份不同緯度處F₂層24小時(shí)電子濃度的高度如圖3-1-1-1所示。圖3-1-1-2給出了F₂層反射時(shí)最高可用頻率與通信距離和時(shí)間關(guān)系。

圖3-1-1-1：一月份F2層高度H的近似值

圖3-1-1-2：F2層最高可用頻率與通信距離和時(shí)間關(guān)系

2）季節(jié)變化：由于在不同季節(jié)，太陽(yáng)的照射不同，故一般夏季的電子密度大于冬季，但是F₂層例外，F₂層冬天的電子密度反而比夏季大，其原因至今還不清楚，可能是由于F₂層的大氣在夏季變熱向高空膨脹，結(jié)果反而使電子密度減少。

3）11年周期變化：太陽(yáng)活動(dòng)性一般用太陽(yáng)一年的平均黑子數(shù)來(lái)代表，黑子數(shù)目增加時(shí)，太陽(yáng)所輻射的能量增強(qiáng)，因而各層電子密度增大。黑子的數(shù)目每年都在變化，但是根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)證明，它的變化也是有一定規(guī)律的，太陽(yáng)黑子的變化周期大約為11年，因此電離層的電子密度也與這11年變化周期有關(guān)。

4）隨地理位置變化：電離層的特性隨地理位置不同也是有變化的。這是因?yàn)椋煌攸c(diǎn)的上空受太陽(yáng)的輻射不一樣，赤道附近太陽(yáng)照射強(qiáng)，南北極弱，因此赤道附近電子密度大，南北極最小。

2、不規(guī)則變化

在電離層中除了上述幾種規(guī)則變化外，有時(shí)還發(fā)生一些電離狀態(tài)隨機(jī)的、非周期的、突發(fā)的急劇變化，稱這些變化為不規(guī)則變化。它主要包括：偶發(fā)E層（或稱Es層）、電離層暴、電離層突然騷擾等，其概念詳見(jiàn)下表3-2。出現(xiàn)不規(guī)則變化時(shí)，往往造成通信中斷。

表3-2：各種不規(guī)則變化的概念

1）偶發(fā)E層：在中緯度地區(qū)，Es層夏季出現(xiàn)較多，白天和晚上出現(xiàn)的概率相差不大。從全球來(lái)著，遠(yuǎn)東地區(qū)Es層出現(xiàn)概率較大，我國(guó)上空Es層強(qiáng)而且多，特別是在夏季出現(xiàn)頻繁。Es層對(duì)電波有時(shí)呈半透明性質(zhì)，即入射電波部分能量遭反射，部分能量穿過(guò)Es層。有時(shí)入射電波受到Es層的全反射而到達(dá)不了Es層以上的區(qū)域，形成所謂“遮蔽”現(xiàn)象。

2）電離層暴：電離層暴在F₂區(qū)表現(xiàn)最為明顯。出現(xiàn)電離層暴時(shí)常使F₂層的臨界頻率大大降低，因此就可能使原來(lái)使用的較高頻率的電波，穿透F₂層而不返回地面，造成通信中斷。電離層暴的持續(xù)時(shí)間可從幾小時(shí)到幾天之久。當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn)耀斑時(shí)，噴射出大量微粒流，也常常引起地磁場(chǎng)的很大擾動(dòng)，即產(chǎn)生磁暴。由于磁暴經(jīng)常伴隨著電離層暴，且又比電離層暴出現(xiàn)早，所以目前它是電離層暴預(yù)報(bào)的重要依據(jù)之一。此外，發(fā)生磁暴時(shí)，由于地磁場(chǎng)的急劇變化，會(huì)在大地中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種地電流會(huì)在一些通信電路中引起嚴(yán)重干擾。

3）電離層突然騷擾。電離層突然騷擾的持續(xù)時(shí)間由幾分鐘到幾小時(shí)之久。因?yàn)檫@種現(xiàn)象是在太陽(yáng)發(fā)生耀斑時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)輻射所致，所以只發(fā)生在地球上的太陽(yáng)照射區(qū)。電離層突然騷擾，對(duì)不同頻段的無(wú)線電波分別引起不同的異常現(xiàn)象。由于D區(qū)的電子密度大大增強(qiáng)，使通過(guò)D區(qū)在上面反射的短波信號(hào)遭到強(qiáng)烈吸收，甚至使通信中斷，這種現(xiàn)象稱為“短波消逝”。此外，D區(qū)的高度也有明顯的下降（有時(shí)下降可達(dá)15km），因而使D區(qū)反射的長(zhǎng)波和超長(zhǎng)波信號(hào)的相位發(fā)生突然變化，這種現(xiàn)象稱為“相位突然異常”，利用這一現(xiàn)象可以得知太陽(yáng)耀斑的發(fā)生。

電離層不僅有反射電波的作用，還有吸收電波能量的作用。電子密度N愈大，電離層對(duì)電波能量的吸收就愈大，即電波衰耗就愈大。電波頻率愈低（波長(zhǎng)越長(zhǎng)），吸收越大。電離層對(duì)電波的吸收大小除了與上述兩個(gè)因素有關(guān)外，還與電波在電離層中所走的路程有關(guān)，因?yàn)樵陔婋x層中傳播的距離遠(yuǎn)，勢(shì)必造成較大的吸收。

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