地面-電離層波導

地面-電離層波導是電離層下層與地球表面之間可供電磁波傳輸的通道。

基本介紹

• 中文名：地面-電離層波導
• 外文名：earth-ionshere waveguide

波導簡介

1.1定義

波導（WAVEGUIDE），用來定向引導電磁波的結構。常見的波導結構主要有平行雙導線、同軸線、平行平板波導、矩形波導、圓波導、微帶線、平板介質光波導和光纖。從引導電磁波的角度看，它們都可分為內部區域和外部區域，電磁波被限制在內部區域傳播（要求在波導橫截面內滿足橫向諧振原理）。

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸的電磁波完全限制在金屬管內，又稱封閉波導；後者將引導的電磁波約束在波導結構的周圍，又稱開波導。當無線電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而採用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優點是導體損耗和介質損耗小；功率容量大；沒有輻射損耗；結構簡單，易於製造。波導管內的電磁場可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現象，色散現象說明電磁波的傳播速度與頻率有關。表面波波導的特徵是在邊界外有電磁場存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和製造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優點是結構簡單，製作容易，可具有積體電路需要的平面結構。表面波波導的主要形式有：介質線、介質鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

1.2基本特徵

電磁波在波導中的傳播受到波導內壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬製成，有時內壁鍍有銀或金），通常可假定波導壁是理想導體，波導管內的電磁場分布可由麥克斯韋方程組結合波導的邊界條件來求解。波導管內不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在著嚴重的色散現象。波導中可能存在無限多種電磁場的結構或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TE模）和磁波（TM模）兩大類。

地面-電離層波導簡介

頻率為幾十千赫以下（波長約在10km以上）時，大地的σ/ωε值至少在10以上，對於電波的作用有如導體。電離層最低的D區或E區的電子自由振動頻率已經高於電磁波頻率，電離層的等效折射率成為虛數，電磁波基本上不能進入。於是電磁能流由發射天線發出後，被限制在電離層下層與地球表面之間的球殼狀空間內，通常稱這種傳播區域為地面-電離層波導。在夜間，吸收中波的D區消失後，甚至幾百千赫的電磁波也能在電離層E區與地球表面之間往返反射而傳播至成千公里的距離外。短波的一定頻段在適當的季節和時間甚至可在電離層與地球表面之間往返反射而達到地球上任何地點。廣義地說，也和被導中的部分波相似，但由於地面的吸收較強，並非以任何仰角射入電離層的波都能回到地面，中間有的地段反而收不到信號。對於這種情形，套用幾何光學的方法來分析比波導的概念更符合實際。

電磁波在波導內沿大圓弧傳播，在發射點的對極點又匯聚於一處，於是這裡的場強突起。電磁波越過對極點仍然繼續傳播，於是在每一大圓弧上都有對向傳播的波，其相互干涉的結果，在每一大圓弧上場強的分布是起伏的。即使是長波，沿大圓弧傳播時仍然是要衰減的，只是較慢而已。因此場強沿大圓弧的分布是在衰減曲線上疊加起伏，而在發射點的對極點上，場強分布的衰減曲線驟然突起。