浅谈电离层对短波的影响

摘 要

本文通过对电离层与短波传播的基本理论以及无线电短波段在电离层的传播路径，简单分析了电离层对短波传播的影响。

【关键词】电离层 短波通信 广播

1 电离层与短波传播基本理论

1.1 短波广播

短波广播指的是载波频率在3.2到26.1兆赫兹频段（High Frequency）间的广播。以往的短波广播多采用调幅制，此频段能够较稳地实现在大气的电离层中的发射，并且波衰减速度很快，所以天波传播成为了短波广播的主要形式。

短波广播信号的特点很多，如A3E是短波广播信号的主要发射类别，AM是它的通用调制方式；短波信号带宽幅度为50HZ～9kHz；短波广播的电平随信号强度的变化而变化；广播信号一般汇聚在特定的广播专用频段内，在此频段内可能会出现少量的非法电台的数字信号。

1.2 电离层

电离层一般就是指离地面60千米以上的高空的一个大气区域，这个区域的大气层都处于部分电离或完全电离的状态，在这部分区域里有着非常丰富的自由电子和离子，这些电子与离子影响着无线电波的传播速度，并对无线电波进行折射、反射和散射，导致无线电波被部分吸收或者是出现极化面的旋转。太阳辐射中紫外线和X射线是造成电离层大气电离的主要因素，太阳高能带电粒子和银河宇宙射线对电离层的电离也起到一定的影响。在电磁波电力场影响下，电离层中自由电子在定向运动过程中与各种中性粒子、正离子和负离子碰撞，这样就会造成电磁波的能量被吸收，能量衰减。这样来看电离层大致就是一种导电媒质。

2 无线电短波段在电离层中的传播路径

在地面两点之间，电离层中无线电短波段的传播可以采取以下图中多种途径。假设从天线斜向发射一束电波，频率大于发射点上空的临界频率，波束中仰角高的射线可以垂直或略折射穿透电离层；仰角稍低的射线则如图1-9反射回到地面，称为天波。到达地面的距离先随仰角的变小而渐渐与发射点靠近，如射线 1-3。到达距离最近的是射线4。当仰角继续降低时，射线到达地面的距离又渐渐增大，如射线5～9。由图可见，仰角降低的同时电波反射点也变低。射线4的仰角是个临界点，在4点以外区域中的任何一点可以看到有两条射线到达，一条的到达仰角较高，在空中经历的路程较长；另一条的到达仰角稍低，经历的路程稍短。前者称为高波，后者称为低波。射线4是高低波重合的特殊情形，在地面上4点附近能量集中，称为前沿聚焦。从4到发射点之间，天波不能到达，而靠近发射点处有沿地面传来的地波。天波和地波都不能到达的范围称为静区。E层一次反射的最大传播距离约为2000公里，频率不能高于E层的2000公里MUF。F层一次反射的最大传播距离约为4000公里，频率不能高于F层的4000公里MUF。

无线电波短波在电离层中的传播路径

3 电离层对短波的影响

电离层是一种有耗媒质，它会随时空变化发生耗损，而影响耗损的因素很多，主要分为四种：地面反射损耗、电离层吸收损耗、自由空间传输损、额外损耗。

电离层吸收损耗是造成天波传输损耗中的第二大因素，就短波来讲，指的是电波穿过电离层时由D-E区引起的吸收损耗。这种耗损的特点是：（1）中午时刻，D区电子浓度大，衰减程度高，信号差；傍晚时刻D区不存在，衰减程度低，信号好，但同时干扰信号强烈造成夜间通信状况仍然不好。（2）衰减常数口大致和频率的平方成反比，频率低，电离层吸收损耗大，所以，短波广播应当选择高频率。（3）地磁场对电子运动影响较大，在工作频率与磁旋频率（）相近的时候，电子振荡速度就会急剧增大，衰减也非常厉害，而就短波广播频率来看，是能够避免的。

电离层传输媒质具有随机时变性，它的这种特性是的短波广播传播的信号出现传输损耗、多径时延和干扰等问题，这些问题伴随着频率、时间、地点等而随机变化着。

4 短波天波通信的频率选择与预测

由于电离层是由太阳辐射构成，因此电离层的高度以及密度是随着太阳的照射而变化的，因此通过天波传播的短波信道及其不稳定，由此可见短波天波通信工作频率的选择是极为重要的。通常情况下，频率的选择应遵循如下原则：

4.1 短波天波通信频率需低于最高可用频率

当通信距离是固定时，最高可用频率指的就是能够被电离层反射回来的最高频率。通信频率必须低于最高可用频率，这样才能够减少电波穿出电离层问题的发生。最高可用频率与电离层电子密度成正比，电离层电子密度越大，最高可用频率也就越大。

4.2 短波天波通信频率需高于的最低可用频率

短波通信进行中，电离层对电波的吸收受频率影响，且成反比，频率越低，电离层吸收电波越大。一旦频率低到无法实现对通信所必须的信噪比程度时，通信质量会变差甚至通信中断。研究表明，不同距离、不同时段的最低可用频率应当低于最佳工作频率，一般应当低3-4Mhz。当频率为1.4Mhz时，周围的电波会与电离层中的自由电子的振动产生谐振，并导致谐振被大量吸收。所以天波通信时工作频率必须大于2Mhz。

4.3 一天之内适当改变工作频率

工作频率一般情况下指的是最低可用频率与最佳工作频率之间的频段。通过上面我们可以了解到，工作频率不是一直固定不变的，而是随着时间的变化而改变的，然而电台的工作不能随着频率的变化而变化，所以只能根据实际电台的工作情况适时的改变工作频率，也只有这样才能确保最终的通信效果和收听效果。

参考文献

[1]朱莹.短波天波传播浅谈[J].科技致富向导，2012（06）.

[2]张太福，韩宇.浅谈短波的电波传播特点和工作频率选择[J].科技信息，2013（01）.

作者单位

国家新闻出版广电总局726台 云南省宣威市 655400