論電離層對中波廣播傳輸影響

楊凱

摘要：電離層對無線電波的傳輸有著巨大的影響。電離層中有帶電粒子，在電磁場作用下，帶電粒子隨著電磁場的變化而發(fā)生振動，并在振動過程中產(chǎn)生二次輻射。與此同時，將新生的二次輻射與原場矢量相加后，將呈現(xiàn)出電離層上的折射率波小于1的效果。本文就AM廣播夜間接收情況變好為研究對象，就電離層與天波傳播關(guān)系進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：天波；電離層

使用收音機(jī)接收AM廣播時，時常會出現(xiàn)夜晚接收到的電臺數(shù)量變多的情況，相同的發(fā)射頻率以及發(fā)射功率，為什么會出現(xiàn)這樣的情況？這就要從中波傳輸方式說起。

1中波的傳輸方式

中波是指頻率為300kHz～3MHz的無線電波，頻率范圍526.5～1606.5kHz，頻道間隔是9k，頻道從531～1602共有120個頻道。在傳播過程中，地面波和天波同時存在，而產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因就是中波以天波的形式傳輸時電離層對中波產(chǎn)生的影響。（見圖1）

2電離層與天波

距地面60～1000千米高度為電離子的大氣層，就是常說的地球的電離層。在地球大氣的眾多層次結(jié)構(gòu)中，電離層是十分重要的一個層區(qū)。通過對電離層的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，地球高層大氣受到的來自太陽電磁輻射、宇宙射線以及沉降粒子的作用是產(chǎn)生電離層的前提條件，在上述作用過程中，將產(chǎn)生大量的離子、自由電子和離子，以上物質(zhì)共同組成了電離層。因而，從性質(zhì)上來看，電離層屬于準(zhǔn)中性等離子體區(qū)域。

電離層對無線電波的傳輸有著巨大的影響，因?yàn)殡婋x層中有帶電粒子，而在電磁場作用下，帶電粒子將隨著電磁場的變化而發(fā)生振動，并在振動過程中產(chǎn)生二次輻射。與此同時，將新生的二次輻射與原場矢量相加后，將呈現(xiàn)出電離層上的折射率波小于1的效果。此外，相較于離子質(zhì)量，自由電子的質(zhì)量明顯更小，因此，在對電離層對無線電波傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行分析時，一般只要考慮電子的作用即可。但同時也要注意到，當(dāng)無線電波的頻率較低且與等離子體的頻率十分接近時，則離子對無線電波傳輸?shù)挠绊懸膊豢珊鲆暋＿M(jìn)一步說，由于地球存在一定的磁場，因此，帶電粒子在地磁場的影響下呈現(xiàn)出電離層各向異性的特點(diǎn)，這便是磁離子理論的原理。在對電離層的形成因素進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，太陽對其形成以及結(jié)構(gòu)均有重要影響，在某種程度上，太陽是直接控制電離層形成以及其結(jié)構(gòu)組成的主要因素，由于太陽是不斷發(fā)展變化的，受此影響，電離層也具有隨時間和空間的變化而不斷變化的特征。面對如此復(fù)雜的介質(zhì)，要想對無線電的傳輸進(jìn)行準(zhǔn)確分析，就有必須建立一個相對簡化的物理模型，并根據(jù)無線電波的頻率采用針對性的分析理論和方法。

在對電離層的電波傳播進(jìn)行分析時，首先應(yīng)當(dāng)明確介質(zhì)的折射率是最基本的參數(shù)，在眾多的理論研究中，阿普爾頓

哈特里公式是目前人們廣泛接受的一種折射率公式，它是電離層電子密度和波頻率的函數(shù)，因而也常被稱為色散公式。作為一種色散介質(zhì)，在對電離層的不同波長的電波的傳輸問題進(jìn)行研究時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的理論參數(shù)。一般情況下，對于較短波長的電波可參考射線近似理論；對于較長波長的電波，可參考波動理論。

2.1電離層的折射和反射

隨著電子密度的增大、電波頻率的降低，折射指數(shù)將不斷下降。一般情況下，電離層折射指數(shù)不足l，此時，在電離層中，電波將向下折射；而在垂直投射時，電離層折射指數(shù)為0，電波將無法在電離層中有效傳播，但會產(chǎn)生“反射”現(xiàn)象。在電子密度達(dá)到一定數(shù)值使得電波的折射指數(shù)等于零時，電波頻率為電波臨界值。對于電波臨界值的電波頻率，其對于電磁傳播的影響幾乎可以忽略不計，此時的電波頻率一般與電子等離子體的頻率相等。

另外，隨著高度的變化，電離層電子密度將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，這就使得電離層具有了分層結(jié)構(gòu)。受此影響，電波在地面上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播便成為可能，分析原因：在折射作用下，地面中向上傳播電波的傳播路徑將發(fā)生不同程度的彎曲，在不斷彎曲的過程中，最后將轉(zhuǎn)向地面，此時，便完成了地面電波的傳輸。另外，通過對不同頻率電波的傳播受折射影響的程度進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，相較于低頻率電波，高頻率的電波其受折射影響的程度更小，大多情況下，其能夠始終沿著直線傳播。與此同時，當(dāng)電波頻率過高并超過某一特定的數(shù)值后，電波將不會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，而是直接穿透整個電離層。

不同的投射角度均有一個投射臨界值，在垂直投射的情況下，電離層最大的電子密度處的臨界頻率是其投射臨界值；在斜投射情況下，其投射臨界值通常被稱為最高可用頻率，即MUF。MUF的大小受電波投射角度影響，一般情況下，MUF隨著仰角的減少而不斷增大，同時傳播的距離隨著數(shù)值的增大而越遠(yuǎn)，為保證電波能夠順利返回地面，MUF的值應(yīng)當(dāng)高于使用的電波頻率。

2.2電波的吸收

所謂電離層的吸收，是指電離層對電波的衰減作用。導(dǎo)致電離層吸收的原因眾多，電子與大氣中包含的分子或者原子之間的碰撞是最主要的原因之一。因此，低電離層是發(fā)生電離層吸收現(xiàn)象的常見區(qū)域。與此同時，相較于電離層的其他區(qū)域，被電離層反射的區(qū)域中的能量傳播速度相對較慢，受此影響，電離層對其中電波的衰減作用往往是較為顯著的，應(yīng)當(dāng)對該區(qū)域的電離層吸收問題加強(qiáng)重視。

2.3中波傳輸

一般而言，中波波段指頻率在300kHz～3MHz之間的波段，中波波段的特點(diǎn)使其常被用于近距離的廣播傳播之中。中波傳播所依賴的介質(zhì)在白天和黑夜中有所差別，在白天，D層的吸收相對較大，此時，天波處于一個十分弱的狀態(tài)，因而地波是中波傳播的主要介質(zhì)；在夜間，D層基本消失，中波將被E層反射，因此，E層是中波傳播主要介質(zhì)，在E層的作用下，中波傳播距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)甚至可達(dá)到2000千米乃至更遠(yuǎn)處。

2.4電離層電子密度以及相關(guān)分層

所謂電離層的形態(tài)，簡言之，即是指電離層按照不同的高度、經(jīng)緯度分布的空間結(jié)構(gòu)。電離層的形態(tài)不具備固定性，一般情況下，其將隨著晝夜、太陽活動周期以及季節(jié)的變化而不斷變化。根據(jù)高度的不同，可將電離層分為E層、D層、F層等，進(jìn)一步細(xì)分，還可將F層分為F1層、F2層，不同電離層中，電子遷移的作用力大小將有所差異。n表示電離層臨界頻率，其體現(xiàn)了電離層的電子密度是隨著時間以及地區(qū)的變化而不斷變化的基本特點(diǎn)。

三結(jié)語

綜上所述，由于太陽對地球上層電離層產(chǎn)生的影響，使得電離層中的帶電粒子發(fā)生巨大變化，白天對中波吸收很大的D層在夜晚幾乎消失，使得天波傳輸加強(qiáng)，因此夜晚中波傳輸距離變遠(yuǎn)，所以收音機(jī)接收到的中波電臺數(shù)量變多。