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论电离层对中波广播传输影响

作者：杨凯

来源：《海峡科技与产业》2018年第5期

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

中图分类号：TN011.2文献标识码：A

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气层，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1，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