论电离层对中波广播传输影响

杨凯

摘要：电离层对无线电波的传输有着巨大的影响。电离层中有带电粒子，在电磁场作用下，带电粒子随着电磁场的变化而发生振动，并在振动过程中产生二次辐射。与此同时，将新生的二次辐射与原场矢量相加后，将呈现出电离层上的折射率波小于1的效果。本文就AM广播夜间接收情况变好为研究对象，就电离层与天波传播关系进行分析。

关键词：天波；电离层

使用收音机接收AM广播时，时常会出现夜晚接收到的电台数量变多的情况，相同的发射频率以及发射功率，为什么会出现这样的情况？这就要从中波传输方式说起。

1中波的传输方式

中波是指频率为300kHz～3MHz的无线电波，频率范围526.5～1606.5kHz，频道间隔是9k，频道从531～1602共有120个频道。在传播过程中，地面波和天波同时存在，而产生上述现象的主要原因就是中波以天波的形式传输时电离层对中波产生的影响。（见图1）

2电离层与天波

距地面60～1000千米高度为电离子的大氣层，就是常说的地球的电离层。在地球大气的众多层次结构中，电离层是十分重要的一个层区。通过对电离层的结构组成进行分析后可以发现，地球高层大气受到的来自太阳电磁辐射、宇宙射线以及沉降粒子的作用是产生电离层的前提条件，在上述作用过程中，将产生大量的离子、自由电子和离子，以上物质共同组成了电离层。因而，从性质上来看，电离层属于准中性等离子体区域。

电离层对无线电波的传输有着巨大的影响，因为电离层中有带电粒子，而在电磁场作用下，带电粒子将随着电磁场的变化而发生振动，并在振动过程中产生二次辐射。与此同时，将新生的二次辐射与原场矢量相加后，将呈现出电离层上的折射率波小于1的效果。此外，相较于离子质量，自由电子的质量明显更小，因此，在对电离层对无线电波传输的影响进行分析时，一般只要考虑电子的作用即可。但同时也要注意到，当无线电波的频率较低且与等离子体的频率十分接近时，则离子对无线电波传输的影响也不可忽视。进一步说，由于地球存在一定的磁场，因此，带电粒子在地磁场的影响下呈现出电离层各向异性的特点，这便是磁离子理论的原理。在对电离层的形成因素进行分析后可以发现，太阳对其形成以及结构均有重要影响，在某种程度上，太阳是直接控制电离层形成以及其结构组成的主要因素，由于太阳是不断发展变化的，受此影响，电离层也具有随时间和空间的变化而不断变化的特征。面对如此复杂的介质，要想对无线电的传输进行准确分析，就有必须建立一个相对简化的物理模型，并根据无线电波的频率采用针对性的分析理论和方法。

在对电离层的电波传播进行分析时，首先应当明确介质的折射率是最基本的参数，在众多的理论研究中，阿普尔顿

哈特里公式是目前人们广泛接受的一种折射率公式，它是电离层电子密度和波频率的函数，因而也常被称为色散公式。作为一种色散介质，在对电离层的不同波长的电波的传输问题进行研究时，应当根据实际情况选择不同的理论参数。一般情况下，对于较短波长的电波可参考射线近似理论；对于较长波长的电波，可参考波动理论。

2.1电离层的折射和反射

随着电子密度的增大、电波频率的降低，折射指数将不断下降。一般情况下，电离层折射指数不足l，此时，在电离层中，电波将向下折射；而在垂直投射时，电离层折射指数为0，电波将无法在电离层中有效传播，但会产生“反射”现象。在电子密度达到一定数值使得电波的折射指数等于零时，电波频率为电波临界值。对于电波临界值的电波频率，其对于电磁传播的影响几乎可以忽略不计，此时的电波频率一般与电子等离子体的频率相等。

另外，随着高度的变化，电离层电子密度将随之发生相应的变化，这就使得电离层具有了分层结构。受此影响，电波在地面上进行远距离传播便成为可能，分析原因：在折射作用下，地面中向上传播电波的传播路径将发生不同程度的弯曲，在不断弯曲的过程中，最后将转向地面，此时，便完成了地面电波的传输。另外，通过对不同频率电波的传播受折射影响的程度进行比较后可以发现，相较于低频率电波，高频率的电波其受折射影响的程度更小，大多情况下，其能够始终沿着直线传播。与此同时，当电波频率过高并超过某一特定的数值后，电波将不会出现反射现象，而是直接穿透整个电离层。

不同的投射角度均有一个投射临界值，在垂直投射的情况下，电离层最大的电子密度处的临界频率是其投射临界值；在斜投射情况下，其投射临界值通常被称为最高可用频率，即MUF。MUF的大小受电波投射角度影响，一般情况下，MUF随着仰角的减少而不断增大，同时传播的距离随着数值的增大而越远，为保证电波能够顺利返回地面，MUF的值应当高于使用的电波频率。

2.2电波的吸收

所谓电离层的吸收，是指电离层对电波的衰减作用。导致电离层吸收的原因众多，电子与大气中包含的分子或者原子之间的碰撞是最主要的原因之一。因此，低电离层是发生电离层吸收现象的常见区域。与此同时，相较于电离层的其他区域，被电离层反射的区域中的能量传播速度相对较慢，受此影响，电离层对其中电波的衰减作用往往是较为显著的，应当对该区域的电离层吸收问题加强重视。

2.3中波传输

一般而言，中波波段指频率在300kHz～3MHz之间的波段，中波波段的特点使其常被用于近距离的广播传播之中。中波传播所依赖的介质在白天和黑夜中有所差别，在白天，D层的吸收相对较大，此时，天波处于一个十分弱的状态，因而地波是中波传播的主要介质；在夜间，D层基本消失，中波将被E层反射，因此，E层是中波传播主要介质，在E层的作用下，中波传播距离较远，最远甚至可达到2000千米乃至更远处。

2.4电离层电子密度以及相关分层

所谓电离层的形态，简言之，即是指电离层按照不同的高度、经纬度分布的空间结构。电离层的形态不具备固定性，一般情况下，其将随着昼夜、太阳活动周期以及季节的变化而不断变化。根据高度的不同，可将电离层分为E层、D层、F层等，进一步细分，还可将F层分为F1层、F2层，不同电离层中，电子迁移的作用力大小将有所差异。n表示电离层临界频率，其体现了电离层的电子密度是随着时间以及地区的变化而不断变化的基本特点。

三结语

综上所述，由于太阳对地球上层电离层产生的影响，使得电离层中的带电粒子发生巨大变化，白天对中波吸收很大的D层在夜晚几乎消失，使得天波传输加强，因此夜晚中波传输距离变远，所以收音机接收到的中波电台数量变多。