论电离层特性对短波传输的影响

李伟

国家新闻出版广电总局203台　内蒙古　呼和浩特市　010070

论电离层特性对短波传输的影响

李伟

国家新闻出版广电总局203台内蒙古呼和浩特市010070

本文通过对电离层特性的深入研究，结合工作经验，论述了电离层对短波传输的影响。

电离层短波传输吸收

引言

随着广播电视技术的日新月异，尤其是短波发射技术的迅猛发展，对提高广播质量与广播效果起到了至关重要的作用。电离层作为短波的传输介质，对电波传输至关重要。作为广播监测部门，通过深度了解电离层，掌握电波传输规律，会使我们更有效的对中短波的传播进行监测，快速判断各类异态现象，为上级部门提供准确的监测资料。

1　电离层的特性

1.1电离层概念

在地面以上的50公里至大约2000公里之间，包围地球的高层大气中，太阳的紫外线辐射和粒子流使大气电离而形成电离层。在这个地球高层大气区域内，存在相当多的分子和原子，在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正负离子，形成等离子体区域。电离层能使无线电波发生折射、反射和散射，并对不同波段的电波产生不同程度的吸收和衰减。

1.2电离层主要特性

电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。由于大气层的温度随高度变化，大气层的成分也是不均匀的，在几个不同的高度上，电子浓度出现极大值。每个极大值及其附近区域称为层或区，从低到高电离层的各层分别称为D层、E层、F1层和F2层等。

1.2.1D层

D层高度介于50～90km，电子浓度：日间约为108～109个电子/m3，夜间变小；夏季浓度高，冬季小。D层对中、短波主要起吸收作用。

1.2.2E层

E层高度介于70～130km，电子浓度：在105～110km处约为1011个电子/m3；白天浓度高，夜间低；夏季浓度高，冬季低。E层对中波能起反射作用，有时对短波传播亦能起控制作用。

1.2.3F层

F层在白天分为F1与F2两个层，在夜间则为F2层。

1.2.4F1层

仅在白天存在，高度约130～210km，电子浓度约为2×1011个电子/m3。F1层随昼夜、季节变化，情况与E层相似。

1.2.5F2层

F2层高度介于225～450km，电子浓度白天典型值为1012个电子/m3，夜间降低至约5×1010个电子/m3。F2层受气流扩散等影响较大，它的电离特性不能简单地用太阳辐射来解释，如有些地区最大电子浓度出现在当地时间13:00～15:00；在季节上也有反常现象，如冬季白天电子浓度比夏季的高等。F2层是短波天波的主要反射层。

2　电离层的周期性变化对电波传输的影响

电离层的特性一般有三方面的周期性变化，分别为昼夜周期性变化、季节周期性变化和随太阳黑子数周期性变化。

由于短波传播以天波为主要传输方式，天波又与电离层的变化密不可分。根据波长与频率的关系：λ=V/f，式中，λ为波长（m）；f为频率（Hz）；V为传播速度（m/s），频率越高，波长越小，在电离层受自由电子和离子碰撞的机会就会减少，电离层D层对电波的吸收作用就会减少；反之，频率越低，波长越长，在电离层受自由电子和离子碰撞的机会就会增加，电离层D层对电波的吸收作用也会增加。

2.1昼夜周期性变化

在白天和黑夜，由于太阳照射的强弱不同，电离层的电离程度也不同。白天太阳照射强，电离层电离程度高，电子密度增加，对短波的吸收会明显增加，低频段相对高频段吸收会更大，所以，世界广播在选频的时候，白天会选择较高频段进行广播，如11M、13M、15M、17M，这些高频段的频率会在更高的电离层进行发射、折射，并传播较远距离；而夜晚由于太阳活动减弱，电离层密度降低，对短波的吸收会明显降低，所以更适合较低频段的频率传输，如6M、7M、9M。如使用频率过高，电波会有部分或全部能量穿出电离层而无法反射回地面，造成接收效果差。电离层的电子浓度与高度的关系见图1。

图1　电离层的昼夜变化

从上图可以看出，随着电离层高度的增加，其电子浓度无论在白天还是黑夜总体走向是升高的，在接近400Km时，电子浓度会逐步下降。

2.2季节周期性变化

在不同的季节，太阳的高度和昼夜的长短会发生改变，太阳的照射强度会有较大的变化。春夏季，太阳活动强，电离层电离程度高，电子密度增加，对低频段的频率吸收会更大，传输效果差，而高频段更容易被电离层反射，吸收小，电波的传输效果会增加，所以，在每年的春季换频后，世界各国会调整广播频率，根据播向区的位置来确定播音频率，9M以上的频率会更多的被使用；秋冬季，太阳活动减弱，电离层电子密度会随之而降低，对低频段的电波吸收减弱，更有利于低频传输，9M以下的频率会更多的被使用，而高频由于电离层电子密度降低，等效高度降低，使用频率过高会穿透电离层而无法返回，会造成接收信号弱。

2.3随太阳黑子数的周期性变化

太阳黑子对大气层的电离程度影响极大，并影响到短波传播的可能性，它的活动周期大约为11年。太阳黑子数目多，电离层受紫外线和其他射线的影响，电离程度会增强，电离层D层的电子浓度会显著增加，通过该层的频率会受到严重吸收，尤其是低频段，而E层和F层会反射更高的频率；当太阳黑字数少时，电离层电离程度不高且稳定，低频段会更有利于传播，各国在使用频率上均会使用相对较低的频段，造成频道拥挤、相互干扰。所以，对太阳黑字数的研究和关注，更有利于我们掌控频率的使用，也对监测工作起到有效的辅助作用。

图2　太阳黑子数的周期性变化

2.4随地理位置变化

由于各国地理位置不尽相同，经纬度的差异造成太阳对每个地区的照射强度存在明显差异，靠近低纬度，太阳光照强，电子密度大；靠近高纬度，太阳光照弱，电子密度减小。所以，经纬度是不同国家在选频上所考虑的重要因素之一。

3　电离层的非周期性变化对电波传输效果造成巨大影响

电离层的变化大部分是有规律的，可以预测的，但有时在太阳发生耀斑时，会辐射大量紫外线和X射线，造成电离层电子浓度发生巨大变化，影响短波传输。

3.1电离层突发性吸收

电离层突发性吸收也叫电离层突然骚扰，当太阳表面爆发强烈耀斑时，辐射出大量紫外线，这种强烈的紫外线使E层和D层发生强烈电离，D层电子密度比正常值大10倍以上，通过D层的电波受到强烈的吸收，使短波严重衰减，尤其在春分前后，日凌发生时，会出现大面积广播中断。

D层的突发性吸收只发生在白天，且与电波的频率相关，频率越低吸收越大，在监测过程，低频段广播会首先出现“无载波”的现象，然后依次向高频段延伸，通常会持续几分钟至几十分钟；恢复时电离层电子浓度逐渐减小，高频段先恢复，当浓度降低到一定程度时，才能恢复低频段频率进行传输。

3.2电离层骚扰

电离层骚扰又叫电离层爆，当太阳表面发生强烈耀斑时，除了辐射大量射线外，还会喷射出大量带电微粒子流，当带电粒子接近地球时，大部分被挡在地球磁层之外绕道而过，一小部分穿过磁层到达电离层，出现正常电离层结构遭破坏的现象，电子密度降低，自F层、E层、D层依次受到影响，F2层受影响最大，临界频率急剧下降，一些在F2层正常传输的高频会瞬间穿透电离层而无法返回地面，造成广播中断，在监测中，首先会出现高频率“无载波”的现象，依次向低频段延伸；恢复时，低频段首先恢复正常传输，高频段随着F2层电子浓度的增加，会逐步恢复正常广播。

因此，在监测过程中，发现短波大面积中断，要充分利用电离层特性，准确判断异态现象，避免对停播原因作出误判。

4　短波频率的选用要充分考虑电离层对电波的影响

短波传播有两种基本形式，分别为地波传播和天波传播，但由于短波相对于中波，频率高，波长短，在地面传播时遇障碍物的绕射能力差，因此更容易被建筑物返回或衰减，其传输距离不远；而天波则可以传输很远，可达几千公里，而天波传输又跟电离层特性有着密切关系。

4.1电波在电离层传输时不断发生反射和折射

电波在电离层传输可看作在电离层中不断折射。

图3　电波在电离层中的折射

从图3可以看出，当入射波进入电离层后，随着电子浓度的增加，电波从光疏媒质进入光密媒质后，折射角要大于入射角，电波通过不断的折射向前传输，当折射角为90°时，射入的电波在层内达到最高处，此后电波射线方向将发生转变，开始向地面方向折射，最终返回地面。

4.2电波在电离层中传输会发生损耗

电波从发射点到接收点，通过电离层时，会与其中的自由电子、离子和中性分子发生碰撞而产生热量，造成吸收损耗，其主要发生在D层，损耗的大小还要考虑工作频率、发射的仰角等，通常情况，频率高损耗小，射线仰角高损耗也会小。

4.3频率的选用要充分考虑电离层因素

短波广播传播距离远，服务区大，因此各国对外广播主要选择短波广播。由于电波是一种有限的资源，短波专用频段内的电台十分拥挤，同、邻频干扰严重，另外，受电离层影响，传播不稳定。

4.3.1短波频段的选用应考虑季节和昼夜因素

2-4MHz：热带频率，太阳黑子数少，传输效果好，一些赤道附近的国家可用作国内广播。

6-7MHz：秋冬季或夜间使用较多，适用于近距离广播。

9-11MHz：频段适中，适用于对内对外全天广播。

13MHz：白天效果好，适用于远距离广播。

15-17MHz：在春夏季使用，效果会更佳。

4.3.2电波在电离层中传播会产生衰落

电波经电离层传播，到达接收地点时，信号强度有时会忽大忽小，呈现无规则的变化。

（1）干涉性衰落

电波经电离层反射，在接收地点会有多条射线，不同的射线路径不同，相位不同，相互会产生干扰，形成衰落。

（2）选择性衰落

短波信号有时会随频率高低呈现无规则的变化，在某一特定时间内，经过电离层的某一频率会产生严重衰落。

（3）极化衰落

受地球磁层影响，电波在电离层内传播时，分离成为寻常波与非寻常波两个射束，各射束在电离层内的吸收与相移不同，因而经电离层反射的电波，它的极化变成为一个随机椭圆极化，而与射入电离层前不同。

结束语

如今，随着新兴媒体的快速发展，短波广播作为传统媒体的重要组成部分，仍然发挥这不可替代的作用。纵观世界，一些发达国家的短波广播发射地点虽然距离我们很遥远，但一些信号达到我国时比较强，广播声音清晰，除了机器性能本身外，充分考虑电离层因素，有效利用电波传输理论，也是值得我们学习和借鉴的。因此，电离层是大自然馈赠我们的有限资源，作为广电人要拥有扎实的理论基础，不断研究电离层，使我们广播更好的传遍世界各地。

审稿人：严志刚内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台正高级工程师

责任编辑：王学敏

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李伟国家新闻出版广电总局203台高级工程师