电离层无线电波传播（ ionospheric radio wave propagation ），受地球上空约55～1 000千米弱等离子体区域制约的无线电波传播，包括在这个区域内和透过这个区域的无线电波传播。

基本特性

对一定波长的无线电波，若介质性质在一个波长内变化不大，则磁离子理论能描述这些区域中的电波状态。但当波传播到反射点附近时，磁离子理论失效。在这两个区域的中间区域，磁离子理论只是一种近似描述。比磁离子理论更进一步的近似，是慢变化介质中的射线理论；在突然变化的边界则需用全波解的理论。

电离层是冷的弱等离子体，呈电中性。入射无线电波的电场引起电子强迫振荡和加速运动，发生次波辐射。所有次波辐射与入射波叠加起来形成电离层中的波场，改变入射波的波场性能。电离层中有大量中性分子和离子，运动的电子与它们碰撞后，有部分能量转变为中性分子和离子的热运动能量。这样的能量交换使无线电波能量衰减，称为电离层吸收。它有两种极端情况：一是发生在D层，这里折射指数接近于1，吸收与电子密度和碰撞频率之乘积(其值一般很大)成正比，而与频率的平方成反比，称为非偏移吸收；另一种情况发生在无线电波反射的高度附近，这里折射指数趋于零，吸收正比于碰撞频率的平均值，也正比于群折射指数与相折射指数之差，称为偏移吸收。

无线电波的电场会引起介质极化，形成极化电流，在电离层介质中引起位移电流和传导电流，二者相位差为90°，故介电常数是复数，与频率有关。在同一条件下，不同频率的无线电波有不同的折射率、传播速度和传播路径，这就是色散关系，所以电离层是色散介质。

电离层处在地磁场中，电子运动时因受地磁场的洛伦兹力作用而围绕磁力线回旋，回旋频率称为磁回旋频率，其大小可与短波频率相比。若无线电波传播方向与地磁力线平行，如在极区向上垂直发射无线电波到电离层，则称为纵传播；若无线电波传播方向与地磁场方向相互垂直，如在磁赤道向上发射无线电波到电离层则称为横传播，这时电子呈运动状态，在某一特定条件下可忽略磁场作用。一般无线电波在电离层中传播的方向与地磁场方向成一定夹角。当无线电波频率大于磁回旋频率时，电子回旋时在无线电波传播方向和垂直无线电波传播方向均出现电矢量，并不断改变方向和大小。这些场与原来场量相加，其电矢量端点轨迹将在空间描出椭圆。磁矢量也有相同情况，称为偏振。由于介质的特性，一般有两个特征椭圆偏振波，其旋转方向一个向左，一个向右。在一定条件下可退化为圆偏振或线偏振。在电离层中入射的线偏振波会分裂为两个旋转方向相反的偏振波，称为寻常波和非常波，各自独立传播。这一现象称为磁离子分裂或无线电波双折射。在临界频率附近，频率较低者对应于寻常波，频率较高者对应于非常波。在一定条件下寻常波和非常波近似于两个反向的圆极化波，它们在电离层中传播时保持各自的圆极化不变，传播路径的某一固定点上总可合成为线偏振波。由于它们的相速度不相等，在不同的点上合成波的线偏振平面互不相同，也就是在无线电波传播过程中线偏振面是不断旋转的，这种现象称为法拉第旋转。

实际上入射到电离层的无线电波并非单色波，在时间和空间上都是有限的，并带有一定的信息。即使是单一频率的无线波也不一定是单色的，而是由许许多多频率单色平面波组合而成的。这样的波群的包络称为波包。以这样调制过的无线电波射入色散介质电离层中，每个频率各自遵循自己的折射路径传播，显然传播以后不可能恢复原状而产生畸变。单色波和波包在电离层中传播的速度是不同的。单色波的速度是等相面移动速度，称为相速度；波包的传播速度称为群速度。相速度和群速度在计入地磁场影响的电离层中，在方向和数值上都不相同；如在忽略磁场影响的电离层(各向同性色散介质)中，群速度v_g和相速度v_φ方向一致，在数值上的关系为v_g=nc，和v_φ=c/n，或v_gv_φ=c²。式中c为自由空间光速；n为中心频率的折射指数。电波矢量的相速度移动所经历的路程为相路径。电波能量以群速度传播所经历的路程为群路径。在电离层探测中所得的大量信息，都是直接观测群路径而获得的。

电离层电波传播特性，可从磁离子理论最基本的阿普顿–哈特里公式导出。这个公式给出了介质中寻常波和非常波折射指数与等离子频率、碰撞频率、磁旋频率、无线电波频率以及入射波方向与磁场夹角之间的关系。

单层的电离层的电子密度N随高度的增加而增至极大值Nmax，然后随高度增加而减小。在不计入磁场和碰撞时，电离层的折射指数n与电子密度(N和电波频率f的关系为：

当高度低于电子密度极大值的高度时，随着高度的增加，折射指数从1变得越来越小；当高于极大值以上的高度时，随高度的增加而越来越接近于1。如果把电离层分成很多薄层，并把折射定律应用到薄层间的每一分界面上，对以φ0角入射的电波，则有：

由于 n逐渐变小而 φ逐渐变大，因此射线渐趋于水平，这就是 无线电波无线折射。若 无线电波在某处 φ n≈90°

且 N n≠ N max，则 无线电波满足全内反射条件而被 电离层反射，最后被折回地面。如果不满足上述条件，而电子密度随高度增加而减小， n越来越趋于1，则 无线电波不发生全内反射而穿过 电离层折射到外层空间中去。因此，当 无线电波以一定角度入射某一 电离分布的 电离层时，频率越低则越易被反射，且深入 电离层越浅；反之，频率越高则越易穿过 电离层，路径被 电离层弯曲程度越小。

传播方式

电离层对超长波至微波频段的电波均有影响，只是影响程度不同，传播效应各异。

透射传播

高于100兆赫的无线电波因电离层电子密度不足以造成反射，且折射作用也不大，能直接穿过电离层。地–空通信、远程警戒雷达就基于这个原理。但电离层存在大量不同尺度的不均匀结构，使透射电离层的信号的振幅和相位产生起伏，这种现象称为电离层闪烁。闪烁现象在磁赤道±20°之内出现较多，极区也较严重，而中纬地区较弱。

散射传播

利用电离层中不均匀结构对甚高频波段（3～100兆赫）无线电波的散射作用，可实现远距离散射传播。利用D层湍流混合的不均匀性散射，可实现30～60兆赫频段电波在1 000～2 000千米内的通信；利用电离层中流星余迹间歇的散射和反射现象，可实现40～80兆赫频段电波在2 000千米内的突发通信；利用F区的不均匀性突发或强的散射，可实现直到50兆赫频率电波在距离大于4 000千米时的通信；Es反射或散射可使直到80兆赫频段的无线电波传播2 000千米而造成电视频道的干扰。散射传播效率低，信号强度弱，衰落快，距离有限且信道间互相干扰，因而限制了它们的广泛应用。

反射传播

对长波、中波和短波(30千赫至30兆赫)的电波，可利用电离层反射实现远距离甚至环球传播。长波天波传播广泛应用于导航和授时。中波天波传播广泛用于广播和导航。短波传播广泛用于通信和广播。短波设备简单、经济、方便、传播距离远，是远距离通信的重要手段之一。中波、长波传播有天波和地波干涉的问题，而短波信道则易受电离层不稳定的影响。

波导传播

极低频、甚低频（0.3～30千赫）波段的无线电波，可在地与电离层所构成的同心球壳间实现“波导传播”，其优点是传播相位稳定和传播距离远，广泛用于导航、授时和通信（见地–电离层波导无线电波传播）。