微波與天線結課論文

1、微波與天線結課論文課程名稱： 指導老師： 姓 名： 班 序 號： 學 號： 微波在電離層的傳播特性【摘要】微波頻率很高，容易實現(xiàn)定向通訊，在電離層中傳播時會受到大氣折射的影響，其傳播方向發(fā)生改變。因此，微波在電離層的傳播特性主要由大氣折射率的變化決定。而大氣折射率與相應傳輸層面的電子濃度有關。通過對線性條件下電離層臨界頻率和大氣折射率公式的推導，并結合電離層電子濃度經(jīng)驗分布模型對 電子濃度和大氣折射率進行數(shù)值模擬，進而對電離層大氣折射率的高度剖面圖及其變化特性進行了分析。微波頻率很高，容易實現(xiàn)窄波束定向通信，視距傳播能穿透電離層實現(xiàn)衛(wèi)星通信，但其在電離層中傳播時由于受大氣折射的影響，波束的傳播

2、方向會產(chǎn)生彎折，傳播速度也會改變。從地面向高空中的衛(wèi)星發(fā)射微波時要考慮微波在大氣中的傳輸軌跡，以便調(diào)整天線的發(fā)射角度以及計算微波在傳輸過程中的衰減，以在設計天線時留有足夠的功率余量。通過研究微波隨電離層中的大氣折射率變化的特性可以得到其傳播的宏觀特性和規(guī)律。1電離層介質特性相關理論1.1電離層的形成與分層結構電離層（Ionosphere）是地球大氣層被太陽射線電離的部分，它是地球磁層的內(nèi)界。60千米以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電離的大氣區(qū)域稱磁層。電離層的形成是太陽輻射與地球上層大氣原子和分子相互作用從而使大氣電離的結果。正常情況下，高層

3、大氣分子和原子大多呈中性，在太陽輻射和高能粒子流的作用下，部分氣體分子和少量原子會發(fā)生電離，從而形成由原子、正離子、中性分子及原子等組成的等離子體。 在電離作用產(chǎn)生自由電子的同時，電子和正離子之間碰撞復合，以及電子附著在中性分子和原子上，會引起自由電子的消失。大氣各風系的運動、極化電場的存在、外來帶電粒子不時入侵，以及氣體本身的擴散等因素，引起自由電子的遷移。在55公里高度以下的區(qū)域中，大氣相對稠密，碰撞頻繁，自由電子消失很快，氣體保持不導電性質。在電離層頂部，大氣異常稀薄，電離的遷移運動主要受地球磁場的控制，稱為磁層。電離層的主要特性由電子密度、電子溫度、碰撞頻率、離子密度、離子溫度和離子成

4、分等空間分布的基本參數(shù)來表示。但電離層的研究對象主要是電子密度隨高度的分布。電子密度（或稱電子濃度）是指單位體積的自由電子數(shù)，隨高度的變化與各高度上大氣成分、大氣密度以及太陽輻射通量等因素有關。電離層內(nèi)任一點上的電子密度，決定于上述自由電子的產(chǎn)生、消失和遷移三種效應。在不同區(qū)域，三者的相對作用和各自的具體作用方式也大有差異。根據(jù)卡普曼(Chapman)理論,單一大氣成分在太陽竊射單色光電離的情況下，單位體積電子生成率為:qh,x= n(h)I (1-1)式中， n， ，h和x分別為該成分的電離效率,吸收截面,高度及太陽天頂角。n(h)為該大氣成分密度隨高度的分布。I是傳入大氣層的單位面積太陽輻

5、射能流，且： I = Iexp-(h,x) (1-2) h,x= nhH secx (1-3)其中，式(2-3)表征太陽福射的衰減速度，稱為大氣光學厚度，H為標高。由(2-2)， (2-3)兩式可知當n(h)增大時，I減小，也就是說n(h)與I隨著高度的增大而分別增大或減小。再由(2-1)式可知，在某一高度時,生成率q(h,x)存在一個極值，表示電離層存在分層結構。大氣各成分隨高度的分布與吸收截面及電離效率均不同，并與波長有關。同時，太陽電離輻射具有一定的譜分布，其能深入大氣層內(nèi)的高度也各不相同。因此,電離層形成了隨高度的多層分布結構。電離層的分層狀況以及各層電子密度峰值大小隨時間（日、季節(jié)和

6、太陽周等）、地理位置（極區(qū)、極光帶、中緯度以及赤道）和太陽活動（太陽耀斑等）的變化非常大。常規(guī)狀態(tài)下，電離層主要分D、E、F1、F2四層結構,其主要狀態(tài)參數(shù)如下表所述。表2-1電離層各層狀態(tài)上表中，hm為各層電子濃度峰值所在的高度，Nm為各層電子濃度峰值。D層是電離層最低的一層，離地球表面50至100公里。這里主要是波長為121.5納米的來曼-氫光譜線的光電離一氧化氮。在太陽活動非常強烈時（超過50個黑子），硬X射線還可以電離空氣中的氮氣和氧氣的分子。夜間宇宙射線造成一個剩余電離。這個層里離子對自由電子的捕獲率比較高，因此電離效應比較低，從而它對高頻無線電波沒有影響。日間這里自由電子與其它粒子

7、的碰撞率約為每秒1000萬次。10MHz以下的電波會被D層吸收，隨著電波頻率的增高這個吸收率下降。夜間這個吸收率最低，中午最高。日落后這個層減弱非常大。D層最明顯的效應是白天遠處的中波電臺收不到。E層是中層，在地面上100至150公里。這里的電離主要是軟X射線和遠紫外線對氧氣分子的電離。這個層只能反射頻率低于10MHz的電波，對頻率高于10MHz的電波它有吸收的作用。E層的垂直結構主要由電離和捕獲作用所決定。夜間E層開始消失，因為造成電離的輻射消失了，由于捕獲在低處比較強，因此其高度開始上升。高空周日變化的風對E層也有一定影響。隨著夜間E層的升高，電波可以被反射到更加遠的地方。F層在地面以上1

8、50至超過500公里。在這里太陽輻射中的強紫外線（波長10至100納米）電離單原子氧。F層對于電波傳播來說是最重要的層。夜間F層合并為一個層，白天分為F1和F2兩個層。大多數(shù)無線電波天波傳送是F層形成的。在白天F層是電離層反射率最高的層。 電離層各層之間的性質有很大的差異，且各層隨著時間的變化，它們白天與黑夜的性質也差異很大，下圖1-1給出中緯度地區(qū)典型的白天與黑夜的電子濃度剖面。由圖可知，在白天各層電子濃度普遍比黑夜大，尤其是E層左右變化特別明顯，差異最大可達三個數(shù)量級。日間電離層主要是在太陽的紫外和X射線輻射作用下形成的，輻射連續(xù)且穩(wěn)定，紫外譜決定著E層和F層的電離，X射線對E層和D層有著

9、很大的影響。在夜間，D層消失，E層靠地冕的紫外輻射和來自高層的粒子沉降和微粒電離來維持。可見，電離層中的物理過程不光隨著高度的變化而變化，其隨著時間的變化也較明顯。圖1-1白天和夜晚電離層電子濃度剖面2 微波電離層傳輸理論 具有等離子體特性的電離層由離子、電子等組成當電磁波在其中傳播時電子和離子都要受到電磁場的作用而運動，略去離子的運動和磁場的作用，暫不考慮微波傳播過程中可能引起的非線性效應。此時在電離層中某一高度傳播的微波可視為單色平面波，其電場強度可表示為E=E0ei(kr-t) (2-1) 等離子體在宏觀上具有保持電中性的趨勢，但在局部會引起電荷分離，這樣破壞了原本的電中性，電子受到擾動

10、會像一個方向移動一段距離。這時相反的方向上正電荷過剩,因而產(chǎn)生了靜電場，這個電場組織電子因擾動偏移，并作用電子向相反方向運動，由于慣性。電子又會產(chǎn)生反方向的偏移，這樣來回往復，形成了薄層電子圍繞其平衡位置的靜電振蕩。假設忽略粒子的熱運動，且不存在磁場，振蕩存在于正離子和電子之間，因為正離子質量遠大于電子質量，按照慣性，電子位移距離遠大于正離子，所以正離子可以看成固定不動，且分布均勻，因此電子圍繞平衡位置的運動方程為md2zdt2=eE (2-2)式中m為電子的質量，e為電子電荷，z為位移。設電子的初速度為0,由式(2-1)、式(2-2)可推得：dzdt=-eE0imei(kr-t)=-eEim

11、 (2-3)設電子密度為Ne（個/m3），則電離層中的傳導電流密度為：je=Needzdt=-Nee2imE (2-4)因此，相應的電導率為：c=-Nee2im (2-5)可認為等離子體是電中性的，但其中的傳導電流不等于零，平面電磁波在其中傳播時，它的波矢和頻率之間的關系為：-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)稱 p 為等離子體角頻率.按照等離子體理論，當忽略地磁場的影響以及電子 與離子、分子之間的碰撞效應時，電離層介質的介電常數(shù) 和大氣折射指數(shù)n可 表示為：n2=1-p22=1-fp2f

12、2 (2-9)式中， 為電磁波角頻率，f 和 fp 分別為電磁波頻率和等離子體頻率。由以上式子，可以得到：當 <p 時，k2<0 ，k為純虛數(shù)。此時人射到等離子體上的電磁波都將被反射回去。當 >p 時，k為實數(shù)，電磁波可以在其中傳播。因此，將 =p ，即 f=fp 時的頻率f稱為臨界頻率，用fc 表示：fc=fp=e2Ne42m0=8.9787×10-6Ne12(MHz) (2-10)大氣折射指數(shù)n為：n=(1-0.8046×10-10Nef2)(12) (2-11)式中，f 的單位為MHz。大氣折射率N可以表示為：N=(n-1)×106 (2-

13、12)由式(2-11)、(2-12)可知，測出Ne即可計算得到折射指數(shù)n和折射率N。對給定頻率的微波，其在電離層中傳輸時的介電常數(shù) 和大氣折射率N僅與傳輸高度上的電子密度有關（線性條件下）。因此，通過研究電離層的電子濃度隨高度分布的模式，就可以得到折射率N隨高度變化的規(guī)律。3電離層電子濃度分布理論模型電離層隨著時間(晝夜、季節(jié)、年周期)和空間(維度、經(jīng)度、高度)的變化而變化，電離層中電子濃度也隨之變化。實際的電子濃度變化復雜，多樣且不均勻，電子濃度最大的區(qū)域既不在電離層最上層，也不在電離層最下層。在低電離層，氣體分子密度較小，產(chǎn)生電離情況也小，電子濃度偏低，電子濃度隨高度升高而上升，到達一定高

14、度時電子濃度產(chǎn)生極大值，然后隨著高度上升而減小。假定只有一類被電離的粒子和由單色輻射使這些粒子電離，當溫度T為常數(shù)時，中性粒子的高度關系可用如下的公式描述：n=n0exp(-zH) (3-1) 對于平面地球,電子產(chǎn)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 、太陽赤緯 、觀測點對北極的角距 和時間t 的函數(shù)。 為太陽天頂角，對太陽平緯來說， 太陽赤緯時角以及黃緯的函數(shù)。在電離平衡條件下，dNdt0 ，可以假定 NJ 。電子產(chǎn)生率最大值 Jm0所處的高度與電子濃度峰值高度重合。因此，可由電子產(chǎn)生率公式推導得電子濃度表達

15、式：N=Nmexp121-z-zmH+ez-zm-H (3-3)式中，N=Nm0cos ；Nm0 是當 =0時N 的峰值處的數(shù)量。 把式(3-3)按(z-zm)/H 冪級數(shù)展開并忽略大于2的高次項：N=Nm1-(z-zm2H)2 (3-4)式（3-4）為半厚度為2H的拋物線層，層的開始點和轉折點高度的確定在文獻2上有詳細的說明。當上述公式推廣到球形地球時，可以得到更詳細的電子濃度剖面表達式。3 數(shù)值分析 用文獻2給出的電子濃度剖面表達式，通過仿真可以得到電離層電子濃度剖面圖，如圖3-1所示。由式(3-3)式(3-4)可得到大氣折射率隨高度的變化曲線（模擬的電離層最高高度為800km），如圖3-

16、2所示。圖3-1 電離層電子濃度剖面圖圖3-2 大氣折射率垂直高度變化圖 圖3-1和圖3-2分別為6月份，格林尼治（平均）時間為 12 時，地理緯度=25 ，經(jīng)=120 度，太陽黑子數(shù)為150時電子濃度與大氣折射率的預測值。由圖3-1和圖3-2可以看出，大氣折射率隨著電子濃度的變化而變化。從電離層底層開始到最大電子濃度高度hmF2，電子濃度逐漸增大，在大約350km高度達到電離層電子濃度最大值.從最大電子濃度高度hmF2直至電離層外空間，電子濃度逐漸減小到零。折射率N在電離層中總是為負值，這是電離層等離子體特性的體現(xiàn)。在最大電子濃度高度hmF2處，折射率N達到負的最大值。因此，在高功率微波從電

17、離層底端到最大電子濃度高度hmF2的傳輸路徑上，折射率N由零減小到負的極值，微波一直是從波密介質向波疏介質折射，其傳播方向逐漸 向地心方向彎曲，曲率中心在靠近地心的方向。從最大電子濃度高度hmF2到電 離層外空間折射率N由負的極值逐漸增加到零，微波從波疏介質向波密介質折射，其傳播方向逐漸向大氣層外空間方向彎曲，曲率中心在遠離地心的方向。 4. 總結由上述可出，微波在從電離層底端到電離層外空間的傳輸過程中不是簡單地向一個方向偏折。尤其對于低軌衛(wèi)星與地面測控設備聯(lián)絡時，其近地點高度在400600km，而微波波束的傳播軌跡的曲率中心變化的高度也在400km左右，因此定量地研究微波的傳播軌跡很有必要的。以上假定只有一類被電離的粒子和由單色輻射使這些粒子電離，并且略去離子的運動和磁場的作用，分析了大氣折射率隨高度的變化曲線、電離層電子濃度變化，從而得到微波在電離層傳播特性。【參考文獻】1許正文.電離層對衛(wèi)星信號傳播及其性能影響的研究D.西安電子科技大學,20052國防科學技術工業(yè)委員會. 雷達電波傳