地–電離層波導無線電波傳播，地表層與低電離層（白天為D層，夜間為E層下部）所構成的同心球殼空間，以類似於微波平行金屬板波導的機理，引導甚低頻(3～30千赫)和極低頻(0.3～3千赫)無線電波遠距離的傳播。
基本介紹
- 中文名：地–電離層波導無線電波傳播
- 所屬學科：物理學
特點,相關理論,
特點
這種波導的特點是：
①結構複雜。上面的低電離層中電離氣體的密度隨高度而變化，不存在明確的邊界面。同時，由於晝夜效應和緯度效應，其高度具有明顯的空間變化，且在地磁場影響下，其電特性呈現各向異性。下面的地表層具有幾何上和地質上的明顯變化（海、陸、山地、平原和沙漠等）。
②變化複雜。由於受太陽輻射和宇宙線等電離因素及有關日–地空間物理效應變化的影響，低電離層的電子密度隨晝夜和季節而改變，並以太陽黑子11年的周期而變化，還有隨機性。因此，地–電離層波導傳播的理論求解和特性分析較複雜。但對甚低頻和極低頻無線電波，兩壁介質具有良好的反射特性，且大量擾動的尺度比波長小，因此對傳播特性影響不大。且甚低頻和極低頻地–電離層無線電波傳播仍具有傳播距離遠和相位穩定兩個突出優點，可套用於遠距離通信、導航、頻率和時間標準的傳送。
相關理論
波導模式理論
在模式理論中，將地表與低電離層等效為具有特定表面阻抗的兩個反射壁，用麥克斯韋方程組和邊界條件，求得波導中的場為一系列傳播模之和。每個波導模式都有特定的場結構，橫向為駐波，軸向為具有特定相速和衰減率的行波。當不考慮地磁場影響時，表面阻抗為一標量，傳播模可區分為橫磁(TM)波模式和橫電(TE)波模式。垂直電偶極子或磁偶極子僅能相應地激勵TM或TE模式，而水平電偶極子或磁偶極子則能同時激勵TE和TM兩種模式。在甚低頻段，地表層電特性接近於導體的電特性，有利於垂直極化波傳播，故甚低頻發射台一般採用垂直電天線。這種情況下接收點電場的垂直分量為：式中E0為與理想導電球地面繞射傳播的場幅度；Fn為與收、發兩點天線高度增益和波導激勵有關的因子；k為自由空間的波數；a為地球半徑；θ為角距離；αn與βn與分別為n階模的衰減率和相位常數。當考慮地磁場影響時，電離層呈現各向異性並產生波模式耦合效應，波導中的場不可能再區分為純TM和純TE模。但由於地磁場對電離層反射特性的影響比基本參數（電子密度和碰撞頻率）所產生的影響小得多，波模特性仍然與不計地磁場影響時的相近。
一部分以TM模為主而TE分量很弱，稱為準TM模；另一部分則相反，稱為準TE模。基模 甚低頻地–電離層波導傳播，也有“截止”現象，不過它存在無截止的TM1(即TEM)波模。甚低頻段的優勢模為準TM1，其截止頻率為2～4千赫，在f=8～30千赫時，TM1的衰減率最小，僅為(2～4)×10−3分貝/千米。因為當n＞1時，準TMn、準TEn的衰減率迅速增加，經過一定距離後只有準TM1起主要作用，稱為基模。在截止頻率以下的極低頻傳播中，基模則變為TEM模。基模占絕對優勢的區域稱為單模區。單模傳播時相位隨距離的變化接近於線性，時間上的穩定性高，應是導航、定位套用的基礎。
多模干涉
在各階波導模中，衰減率隨模次增高而迅速增大。高階模的激勵因子比低階模的大，故在離發射台很近的距離上，高階模可能占優勢，對較高頻率，甚至在數千千米的距離上高階模還有一定的影響。各階模具有不同的相速和衰減率，總場幅度和相位隨距離的變化呈現振盪特性，故稱為多模干涉。多模干涉效應夜間比白天強，向東比向西強，頻率高比頻率低更為嚴重。橫電波（主要是TE1）模比較特殊，在夜間向西傳播時，TE1模的衰減率比TM1模的還小，而在垂直電天線情況下，其激勵因子也小得多，但當頻率高於15千赫時，在5 000～6 000千米以外處TE1模仍可能超過TM1模而成為優勢模。晝夜過渡期 在傳播路徑中的期間，日出線與日落線稱為接收點的日出和日落過渡期。在傳播路徑上由於晝夜過渡期的波導特性發生急劇變化（尤以日出情況為甚），波的傳播將出現波模轉換並伴隨有附加損耗，可能使接收點發生模式轉換干涉，場強相位穩定性變差。
幅度與相位的穩定性和異常變化
甚低頻和極低頻傳播特性隨時間的變化主要包括：
①大氣不均勻運動所引起的介質特性的短期隨機變化。
②大氣電離的源的變化所產生的較大區域電離層特性變化，引起傳播特性緩慢的隨機變化。
③太陽活動和核爆炸等異常事件導致的異常變化。10千赫頻段單模區相位短期隨機起伏標準偏差的統計測量結果為上式中d為傳播距離；白天取常數K為1，夜間為2.4。在多模干涉區和晝夜過渡期，相位穩定性較差。
傳播相速預測修正
傳播相位的單值性、可預測性和穩定性，是導航套用的基本要求。在甚低頻單模（基模）傳播區，傳播相位與距離的線性關係意味著存在一個平均相速v'，導航接收機測定相延tφ或相延差Δtφ，並由傳播測試研究得出相速預測值v，即可求得距離d＝vtφ或距離差Δd＝vΔtφ。傳播相速預測精度直接關係到導航定位的精度。基模相速與波導兩壁電參數有關，因而具有時空上的變化。由於不可能確切掌握實際路徑上的參數，理論計算結果僅有參考價值。工程上通常是合理地假定一個平均相速預測模型，通過某些簡單函式來研究一些有規律的時、空變化，統計大量相位測試數據而確定模型中的待定係數。
