短波通信主要是利用天波傳播來實現長距離通信的。所謂天波是無線電波經電離層反射回地面的部分，傾斜投射的電磁波經電離層反射后，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、電離層的概念及結構

1、電離層的概念

從地面到1000km的高空均有各種氣體存在，這一區域稱為大氣層，在接近地面的空間里，由于對流作用，成分基本穩定，是各種氣體的混合體。在離地面60km～80km以上的高空，對流作用很小，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。大氣層在太陽輻射能的作用下，分子或原子中的一個或若干個電子游離出來成為自由電子而發生電離，使高空形成了一個厚度為幾百km的電離現象顯著的區域，稱這個區域為電離層。

2、電離層的結構

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高度上出現最大值Nmax。其電離層的分布情況及相關數據（包括高度、濃度、成分及成因等）詳見下表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數據

二、電離層對短波傳播的影響

這些導電層對短波傳播具有重要的影響，下表2做了詳盡的說明，包括其晝夜變化情況及其對短波傳播帶來的影響。

表2：電離層各層對短波傳播的影響

在白天，電離層包括D層、E層、F_l層和F₂層。也就是說在白天F層有兩層，它們的高度在不同季節和一天內不同時刻是不一樣的。對F₂層來講，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數量級，但仍足以反射短波某一頻段的電波。當然夜間能反射的頻率遠低于白天。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低于白天工作頻率。這是因為高的頻率能穿過低電子密度的電離層，只在高電子密度的導電層反射。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、電離層的變化規律

電離層的變化分為規則變化和不規則變化。

1、規則變化

電離層的規則變化包括：日夜變化、季節變化、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，各層的電子密度開始增長，到正午時達到最大值，以后又開始減少。F₁層夜晚與F₂合并，F₂層變化復雜，一月份不同緯度處F₂層24小時電子濃度的高度如圖3-1-1-1所示。圖3-1-1-2給出了F₂層反射時最高可用頻率與通信距離和時間關系。

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間關系

2）季節變化：由于在不同季節，太陽的照射不同，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，結果反而使電子密度減少。

3）11年周期變化：太陽活動性一般用太陽一年的平均黑子數來代表，黑子數目增加時，太陽所輻射的能量增強，因而各層電子密度增大。黑子的數目每年都在變化，但是根據長期觀測證明，它的變化也是有一定規律的，太陽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。

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。這是因為，不同地點的上空受太陽的輻射不一樣，赤道附近太陽照射強，南北極弱，因此赤道附近電子密度大，南北極最小。

2、不規則變化

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

表3-2：各種不規則變化的概念

1）偶發E層：在中緯度地區，Es層夏季出現較多，白天和晚上出現的概率相差不大。從全球來著，遠東地區Es層出現概率較大，我國上空Es層強而且多，特別是在夏季出現頻繁。Es層對電波有時呈半透明性質，即入射電波部分能量遭反射，部分能量穿過Es層。有時入射電波受到Es層的全反射而到達不了Es層以上的區域，形成所謂“遮蔽”現象。

2）電離層暴：電離層暴在F₂區表現最為明顯。出現電離層暴時常使F₂層的臨界頻率大大降低，因此就可能使原來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。電離層暴的持續時間可從幾小時到幾天之久。當太陽出現耀斑時，噴射出大量微粒流，也常常引起地磁場的很大擾動，即產生磁暴。由于磁暴經常伴隨著電離層暴，且又比電離層暴出現早，所以目前它是電離層暴預報的重要依據之一。此外，發生磁暴時，由于地磁場的急劇變化，會在大地中產生感應電流，這種地電流會在一些通信電路中引起嚴重干擾。

3）電離層突然騷擾。電離層突然騷擾的持續時間由幾分鐘到幾小時之久。因為這種現象是在太陽發生耀斑時產生的強輻射所致，所以只發生在地球上的太陽照射區。電離層突然騷擾，對不同頻段的無線電波分別引起不同的異常現象。由于D區的電子密度大大增強，使通過D區在上面反射的短波信號遭到強烈吸收，甚至使通信中斷，這種現象稱為“短波消逝”。此外，D區的高度也有明顯的下降（有時下降可達15km），因而使D區反射的長波和超長波信號的相位發生突然變化，這種現象稱為“相位突然異常”，利用這一現象可以得知太陽耀斑的發生。

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（波長越長），吸收越大。電離層對電波的吸收大小除了與上述兩個因素有關外，還與電波在電離層中所走的路程有關，因為在電離層中傳播的距離遠，勢必造成較大的吸收。

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