<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Astron. Space Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Astronomy and Space Sciences</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Astron. Space Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-987X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1201921</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2023.1201921</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Astronomy and Space Sciences</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Dispersive propagation of nuclear electromagnetic pulse in the ionosphere</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Wei et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fspas.2023.1201921">10.3389/fspas.2023.1201921</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>Yongli</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2086055/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Dinghan</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Zongxiang</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Lihua</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Yuan</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Tianchi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xing</surname>
<given-names>Bin</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>Baofeng</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Peng</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>College of Information and Communication Engineering</institution>, <institution>Harbin Engineering University</institution>, <addr-line>Harbin</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1603815/overview">Chen Zhou</ext-link>, Wuhan University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1599656/overview">Sampad Kumar Panda</ext-link>, K L University, India</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2530782/overview">Xiang Xu</ext-link>, Wuhan University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Peng Li, <email>lipeng@sklnbcpc.cn</email>; Baofeng Cao, <email>caobaofeng@sklnbcpc.cn</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>09</day>
<month>11</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1201921</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>07</day>
<month>04</month>
<year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>23</day>
<month>10</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2023 Wei, Zhu, Li, Wang, Wang, Zhang, Xing, Cao and Li.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Wei, Zhu, Li, Wang, Wang, Zhang, Xing, Cao and Li</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>
<bold>Introduction:</bold> On the propagation path to the satellite, the ionosphere will distort the nuclear electromagnetic pulse (NEMP) and change its physical properties.</p>
<p>
<bold>Methods:</bold> This paper proposes a method for calculating the propagation of NEMP to the satellite. The method decomposes NEMP into the superposition of simple harmonic waves, and each simple harmonic wave is calculated separately in the ionosphere. With the consideration of different time of arrival and critical frequency of the ionosphere, the NEMP after propagating in the ionosphere is obtained by superposition of simple harmonic waves in time domain rather than the inverse Fourier transform which will erase the time domain information.</p>
<p>
<bold>Results:</bold> The results show that NEMP is dispersive in ionosphere with the pulse broadened, the speeds changed and the bandwidth narrowed. The time-frequency spectrum can provide the frequency band where the signal energy is located.</p>
<p>
<bold>Discussion:</bold> Our proposed method provides a simple and effective way to calculate the NEMP propagation in the ionosphere, which should afford help to the design of NEMP receivers and the selection of satellite orbit altitude.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>nuclear electromagnetic pulse</kwd>
<kwd>ionosphere</kwd>
<kwd>closed-form expression</kwd>
<kwd>electromagnetic pulse propagation</kwd>
<kwd>dispersive propagation</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Space Physics</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Nuclear electromagnetic pulse (NEMP) is one of the important effects of nuclear explosions, with fast propagation speed, high peak value, wide frequency band, wide coverage and other characteristics. NEMP is appropriate for use as a detection target for space-based nuclear explosion monitoring systems. As a consequence of the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty, non-nuclear experimental and theoretical efforts are expanded to study and observe the NEMP phenomenology and to develop appropriate descriptive models. For the non-nuclear experimental efforts, especially in space-based NEMP explosion monitoring, in 1997, the United States launched a near Earth satellite, FORTE (Fast On orbit Recording of Transient Events), with an optical and radio frequency detection system. The satellite is equipped with a 90 MHz receiver and a pair of 20 MHz receivers, both of which can be tuned in the range of 30&#x2013;300 MHz. The FORTE received the pulse signal sent by the ground electromagnetic pulse generator (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Massey et al., 1998</xref>). After band-pass filtering and converting it into a digital signal, it was transmitted back to the ground for analysis, so as to obtain the ionospheric information of the propagation path (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Roussel-Dupre et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Huang and Roussel-Dupre, 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Minter et al., 2007</xref>) and carry out the ground signal source positioning algorithm (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Jacobson and Shao, 2001</xref>). With the above mentioned techniques, FORTE has the ability to detected the NEMP signal.</p>
<p>Theoretical methods for studying NEMP propagation can be classified into two categories: time-domain methods and frequency-domain methods. For the time-domain methods, the Maxwell equations are the most essential parts. The electric field components and magnetic field components are calculated with appropriate current sources, medium parameters and boundary conditions. The widely used numerical calculation method is Finite Difference Time Domain (FDTD) method. With this method, the physical process of electromagnetic pulse excited by Compton electron currents is simulated (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Meng et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Meng, 2013</xref>). The discrete iterative equations for the electromagnetic field components are presented in the CPML (Convolutional Perfect Matched Layer) media under the two-dimension and three-dimension prolate-spheroidal coordinate system (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Gao et al., 2005a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B3">Gao et al., 2005b</xref>). Chen et al. derived the time-domain difference equations for the interaction between ionosphere and electromagnetic pulse (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Chen et al., 2011</xref>). Those results show that the combination of ionospheric time-domain calculation method and NEMP calculation method is reasonable and effective. However, FDTD method is suitable for the electromagnetic field calculation of subtle structures, and it takes a very long time for the calculation of long distance electromagnetic pulse propagation.</p>
<p>In frequency domain methods, the ionosphere is considered as the transfer function, and the Fourier transform is used to obtain the spectrum of NEMP signal. The amplitude and phase of each frequency component after propagation in the ionosphere are calculated respectively. Then, the inverse Fourier transform is used to obtain the NEMP signal received at the satellite orbit (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Meng et al., 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Yao et al., 2019</xref>). Nevertheless, the Fourier transform will erase the time domain information of NEMP signal, and the inverse Fourier transform ignores that the different frequency components have different speeds in dispersive material.</p>
<p>This paper proposes a method for NEMP propagation in the ionosphere. The method decomposes the NEMP signal into the superposition of simple harmonic waves. The propagation of each simple harmonic wave in the ionosphere is calculated separately. With the consideration of the time differences among the simple harmonic waves, the NEMP signal is obtained by superposition of simple harmonic waves after propagation in the ionosphere. This paper is organized as follows: In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the model of ionosphere, decomposition of NEMP and superposition of simple harmonic waves are presented. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, the waveforms chosen for simulation are introduced and the results and discussion are presented. In the last section, we conclude this paper and present the applications.</p>
</sec>
<sec sec-type="methods" id="s2">
<title>2 Methods</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Model of ionosphere</title>
<sec id="s2-1-1">
<title>2.1.1 Multilayer model</title>
<p>The multilayer model is used for calculation, as a result of the non-uniform distribution of the plasma density in the ionosphere. Each layer is considered to be uniform and has a thickness of <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. It is assumed that the <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer is vacuum due to the negligible plasma density.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Ionospheric electron density profile and multilayer model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g001.tif"/>
</fig>
<p>The plasma frequency of the ionosphere is <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.602176634</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>19</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the charge of electron, <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9.10956</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>31</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>kg</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the mass of electron, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8.854187817</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the vacuum permittivity, and <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the electron density.</p>
</sec>
<sec id="s2-1-2">
<title>2.1.2 Critical frequency</title>
<p>
<inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases with the increase of altitude, and after reaching the peak <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> starts to decrease. The plasma frequency corresponding to <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the critical frequency, namely, <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The frequency components below the critical frequency cannot continue to propagate upward.</p>
</sec>
<sec id="s2-1-3">
<title>2.1.3 Collision frequency</title>
<p>Particles in the ionosphere are in thermal motion and inevitably collide. Frequencies of electron-neutral and electron-ion collisions affect the ionosphere propagation of the signals (<xref ref-type="bibr" rid="B4">He and Zhao, 2009</xref>).</p>
<p>The collision frequencies of electron-neutral particle include.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(1) Collision frequency of electrons with Nitrogen molecules <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.33</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>17</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1.21</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(2) Collision frequency of electrons with Oxygen molecules <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.82</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.036</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(3) Collision frequency of electrons with Oxygen atoms <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.65</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>(4) Collision frequency of electrons with Helium atoms <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the electron temperature (in eV, 1 eV &#x3d; 11,600 K), <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the density of neutral particles <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively.</p>
<p>The collision frequency of electron-ion is<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.45</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the collision frequency of electrons with the ion <italic>i</italic>, which represents <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in this paper. <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the density of the ion <italic>i</italic>.</p>
<p>The total electron collision frequency <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>He</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-1-4">
<title>2.1.4 Refraction index</title>
<p>The propagation of electromagnetic waves in the ionosphere follows the Appleton-Lassen equation. In the absence of geomagnetic field (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Huang, 2000</xref>), the refraction index can be expressed by<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are real and imaginary parts, respectively; <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the frequency of the simple harmonic wave.</p>
<p>In vacuum, the speed of a simple harmonic wave <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is equal to the speed of light <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, namely, <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In the ionosphere considering collisions, the phase speed <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed by (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Liu et al., 2010</xref>) <disp-formula id="e8">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where, <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the conductivity. <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the real part of <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> The item <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is always great than 1, resulting in <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. According to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">8</xref>, as the frequency <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases, <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> also increases, shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Speed of different frequencies of simple harmonic waves.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g002.tif"/>
</fig>
<p>The propagation time in each layer of ionosphere is given by<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In vacuum, the amplitude is a function of distance from the source point<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial amplitude, <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the amplitude at <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> distance from the source point.</p>
<p>In the ionosphere, the attenuation of amplitude with distance <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the amplitude at <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> distance from the source point; <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the attenuation coefficient with frequency <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Dispersive propagation in the ionosphere</title>
<sec id="s2-2-1">
<title>2.2.1 Decomposition of NEMP</title>
<p>In the light of Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, the influence of the ionosphere differ with the frequency <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, we decompose NEMP into <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> simple harmonic waves, and study the propagation of each simple harmonic wave in the ionosphere.</p>
<p>The Fourier transform is applied to <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the signal is converted from the time domain <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the frequency domain <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The complex value corresponding to frequency <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The simple harmonic wave decomposed from <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be described as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the frequency, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>arctan</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) are the initial amplitude and phase, respectively. The superposition of all simple harmonics can be expressed as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the simple harmonic wave with highest frequency <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the simple harmonic wave with the lowest frequency <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2">
<title>2.2.2 A simple harmonic wave propagation in the ionosphere</title>
<sec id="s2-2-2-1">
<title>2.2.2.1 Propagation from <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>For a simple harmonic wave with frequency <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, when propagating vertically upward from <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the bottom layer <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the ionosphere, where there is no plasma, the propagation time is calculated by<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>and the amplitude is calculated by<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The expression is derived from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref> as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2-2">
<title>2.2.2.2 Propagation from <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>When propagating from <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., in <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer, the refraction index of <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer is expressed by<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The propagation time is calculated by<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The absorption loss can be derived from Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the attenuation coefficient in <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> is then expressed as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2-3">
<title>2.2.2.3 Propagation from <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</title>
<p>By analogy, when the simple harmonic wave <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> propagates to the height <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the expression is<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the attenuation coefficient in <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer, <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the propagation time in <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> layer, and <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the propagation time from <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-2-2-4">
<title>2.2.2.4 Definition domain</title>
<p>Each simple harmonic wave has the same duration <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The time difference <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, propagating from <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given by<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> represents that when <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reaches <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> needs <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to reach it. Simple harmonic waves of different frequencies propagation in the ionosphere are shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Simple harmonic waves of different frequencies propagation in the ionosphere.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g003.tif"/>
</fig>
<p>Taking the moment when <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reaches <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the zero moment, then the time domain of <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In particular, the time domain of <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2-2-3">
<title>2.2.3 Superposition of simple harmonic waves</title>
<p>The ionosphere will reflect the simple harmonic waves with frequencies below the critical frequency <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The simple harmonic waves that can penetrate the ionosphere are <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x2026;, <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x2026;, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the last simple harmonic wave that can penetrate the ionosphere. <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x2026;, <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will be reflected by the ionospheric electron frequency peak (foF2).</p>
<p>With the consideration of the critical frequency and the different definition domain, the simple harmonic waves <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, &#x2026;, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are superimposed, so NEMP signal <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that propagates from <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vertically upward to <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is finally described as<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Simulation</title>
<p>The NEMP is emitted at the ground and is received at an altitude of 800 km and let <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> km. The data of electron density and ions density are downloaded from the International Reference Ionosphere (International Reference Ionosphere - IRI (2016) &#x7c; CCMC (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://nasa.gov">nasa.gov</ext-link>)). The data of neutral particle density are downloaded from the NRLMSISE-00 Atm Model (NRLMSISE-00 Atm Model &#x7c; CCMC (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://nasa.gov">nasa.gov</ext-link>)). The electron density of the ionosphere as a function of altitude is plotted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. The parameters of ionosphere are shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Parameters of ionosphere.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Date and time</th>
<th align="center">Latitude</th>
<th align="center">Longitude</th>
<th align="center">Top height</th>
<th align="center">Critical frequency</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">12:00 21 March 2020</td>
<td align="center">40.2&#xb0;N</td>
<td align="center">115.4&#xb0;E</td>
<td align="center">800km</td>
<td align="center">6.24MHz</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Simulation waveform</title>
<p>We choose Bell Laboratory pulse as the simulation waveform. The first reason is that the method proposed in this paper is to study the dispersion of NEMP in the ionosphere, rather than the generation of NEMP. Therefore, the simulation waveform can be adjusted and replaced to meet the needs of the simulation. The second reason is that it is easier to be simulated, which facilitates post-calculation analysis.</p>
<p>Bell Laboratory pulse is represented by the double exponential function<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the maximum amplitude, <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the modifying factor, <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the parameters characterizing both the rise time and fall time simultaneously, <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the peak time.</p>
<p>Parameters of Bell Laboratory pulse are shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The original waveform <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and superposition waveform <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which is obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, are shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. The relative error is less than 1 &#xd7; 10<sup>&#x2212;11</sup>%. Compared to the order of original waveform, the error is negligible.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Parameters of Bell Laboratory pulse.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center"/>
<th align="center">
<italic>&#x3b1;</italic>/s<sup>-1</sup>
</th>
<th align="center">
<italic>&#x3b2;</italic>/s<sup>-1</sup>
</th>
<th align="center">
<italic>t</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub>/ns</th>
<th align="center">
<italic>t</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub>/ns</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Bell Laboratory</td>
<td align="center">4,000,000</td>
<td align="center">476,000,000</td>
<td align="center">4.1</td>
<td align="center">184</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Bell Laboratory pulse, superposition waveform and the relative error.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Results and discussion</title>
<p>Let <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the Bell Laboratory pulse after propagation in the ionosphere. <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes an oscillatory waveform with a long tail after propagation in the ionosphere, and is stretched from 1 to 30 &#x3bc;s. The rising edge of the envelope becomes slower, and the duration of the rising edge and the falling edge are almost the same. In addition, there is a peak time delay of 10 &#x3bc;s for <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Bell Laboratory pulse after propagation in the ionosphere.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g005.tif"/>
</fig>
<p>The delay can be explained with the simple harmonic waves&#x2019; arrival time differences and amplitudes, shown in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>. From 0 to 6 &#x3bc;s, the frequencies of the simple harmonic waves are all above 50 MHz, but their amplitudes are small, so the envelope of <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is flat. The envelope begins to rise at 6 &#x3bc;s, corresponding to the arrival time of a 50 MHz harmonic wave. Simple harmonic waves with lower frequencies but larger amplitudes then arrive and superimposed one after another. The energy of the pulse accumulates and reaches the peak at 10 &#x3bc;s. After 10 &#x3bc;s, although the amplitude of the arriving simple harmonic waves is larger than those that have arrived before 10 &#x3bc;s, the time difference of arrival is also increasing, so that the overlap between adjacent simple harmonic waves is constantly reduced. The energy of the pulse fails to accumulate, and the envelope begins to fall.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Amplitudes and time differences of simple harmonic waves.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">Frequency/MHz</th>
<th align="center">Bell laboratory Amplitude/&#x3bc;V</th>
<th align="center">Time difference/s</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">500</td>
<td align="center">0.86</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">450</td>
<td align="center">0.88</td>
<td align="center">1.5361 &#xd7; 10<sup>&#x2212;8</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">400</td>
<td align="center">0.95</td>
<td align="center">3.6837 &#xd7; 10<sup>&#x2212;8</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">350</td>
<td align="center">1.09</td>
<td align="center">6.8161 &#xd7; 10<sup>&#x2212;8</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">300</td>
<td align="center">1.31</td>
<td align="center">1.1642 &#xd7; 10<sup>&#x2212;7</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">250</td>
<td align="center">1.74</td>
<td align="center">1.9660 &#xd7; 10<sup>&#x2212;7</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">200</td>
<td align="center">2.46</td>
<td align="center">3.4409 &#xd7; 10<sup>&#x2212;7</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">150</td>
<td align="center">3.92</td>
<td align="center">6.6290 &#xd7; 10<sup>&#x2212;7</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">100</td>
<td align="center">7.39</td>
<td align="center">1.5750 &#xd7; 10<sup>&#x2212;6</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">50</td>
<td align="center">17.48</td>
<td align="center">6.5323 &#xd7; 10<sup>&#x2212;6</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">45</td>
<td align="center">19.17</td>
<td align="center">8.0962 &#xd7; 10<sup>&#x2212;6</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">40</td>
<td align="center">20.89</td>
<td align="center">1.0292 &#xd7; 10<sup>&#x2212;5</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">35</td>
<td align="center">22.47</td>
<td align="center">1.3517 &#xd7; 10<sup>&#x2212;5</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">30</td>
<td align="center">23.47</td>
<td align="center">1.8534 &#xd7; 10<sup>&#x2212;5</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">25</td>
<td align="center">22.97</td>
<td align="center">2.6988 &#xd7; 10<sup>&#x2212;5</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">10</td>
<td align="center">0.69</td>
<td align="center">2.0598 &#xd7; 10<sup>&#x2212;4</sup>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Because of the critical frequency, the simple harmonic waves below it will be reflected. The critical frequency in the ionosphere is 6.24 MHz, and there are no amplitudes below the critical frequency, which are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. It should be noted that <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> is the one-to-one correspondence between simple harmonic waves and their amplitudes after propagation in the ionosphere. The frequency spectrum has the same shape as the original waveform.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Frequency spectrum of Bell Laboratory pulse after propagation in the ionosphere.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g006.tif"/>
</fig>
<p>The spectrum of the time-frequency of <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> shows that the simple harmonic waves with higher frequencies arrive earlier, which is consistent with the time-frequency spectrum of the signal observed by the satellite (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Massey et al., 1998</xref>). The brightest area in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> represents the frequency band with the highest concentration of energy and corresponds to the peak of <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, too.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Time&#x2013;frequency spectrum of Bell Laboratory pulse after propagation in the ionosphere.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-10-1201921-g007.tif"/>
</fig>
<p>Comparing the above results with other scholars&#x2019; great work (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Liang and Zheng, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Chen et al., 2011</xref>), our proposed method can explain the changes of waveforms after propagation in the ionosphere, such as the delay of the peak time, in light of the arrival time differences and amplitudes of simple harmonic waves. Besides, the application of inverse Fourier transform requires that the frequency components have the same wave front, in other words, the frequency components have the same propagation speed. Therefore, inverse Fourier transform is not suitable for the dispersive materials (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Yao et al., 2019</xref>). Our proposed method is to superimpose the simple harmonic waves directly, which coincides with realistic physical process.</p>
<p>We have chosen different values of <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to calculate the peak value of <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results are shown in <xref ref-type="table" rid="T4">Table 4</xref>. The origin peak value of the pulse is 50,000 V/m, and peak value of the pulse after propagation in the ionosphere is in the order of mV/m. The order of amplitude of the calculation is what we care about most.</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>TABLE 4</label>
<caption>
<p>Peak value and thickness of each layer.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x394;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/km</th>
<th align="center">10</th>
<th align="center">7</th>
<th align="center">4</th>
<th align="center">1</th>
<th align="center">0.5</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>/(mV/m)</td>
<td align="center">3.2</td>
<td align="center">4.2</td>
<td align="center">2.9</td>
<td align="center">3.0</td>
<td align="center">2.8</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>This paper proposes a method for calculating the propagation of NEMP in the ionosphere. Our method surpasses the weakness of the inverse Fourier transform that erases the propagation time difference for different frequencies. The results show that the NEMP signal is broadened as 30 times as its original length in the ionosphere. The spectrum of NEMP signal has the shape of the original signal envelope. The obtained dispersed spectrum is consistent with the satellite observations. The method can be used for the design of the space-based NEMP detectors and satellite-ground docking experiments. The propagation model may be optimized upon receipt of downlink data from the satellite.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding authors.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>YLW proposed the model and the method, and wrote the paper. DHZ and ZXL ran the simulation. LHW and YW analyzed the results. TCZ and BX wrote the paper. BFC and PL did the literature review and checked the paper. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This paper is supported by the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDA17040503).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Calculation of high altitude nuclear electromagnetic pulse propagation in ionosphere</article-title>. <source>HIGH POWERLASER Part. BEAMS</source> <volume>23</volume> (<issue>02</issue>), <fpage>441</fpage>&#x2013;<lpage>444</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3788/hplpb20112302.0441</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005a</year>). <article-title>Application of CPML to two-dimension numerical simulation of nuclear electromagnetic pulse from air explosions</article-title>. <source>HIGH POWERLASER Part. BEAMS</source> <volume>07</volume>, <fpage>1111</fpage>&#x2013;<lpage>1116</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005b</year>). <article-title>The application of CPML in three-dimensional numerical simulation of low-altitude electromagnetic pulse</article-title>. <source>Chin. J. Comput. Phys.</source> <volume>22</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>292</fpage>&#x2013;<lpage>298</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.19596/j.cnki.1001-246x.2005.04.002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Ionospheric loss of high frequency radio wave propagated in the ionospheric regions</article-title>. <source>Chin. J. Radio Sci.</source> <volume>24</volume> (<issue>04</issue>), <fpage>720</fpage>&#x2013;<lpage>723&#x2b;747</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <source>Correction for atmospheric refractive error of radio wave</source>. <publisher-loc>Beijing</publisher-loc>: <publisher-name>National Defense Industry Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roussel-Dupre</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Total electron content (TEC) variability at Los Alamos, New Mexico: a comparative study: FORTE-derived TEC analysis</article-title>. <source>Radio Sci.</source> <volume>40</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>RS6007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2004rs003202</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jacobson</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Using geomagnetic birefringence to locate sources of impulsive, terrestrial VHF signals detected by satellites on orbit</article-title>. <source>Radio Sci.</source> <volume>36</volume> (<issue>04</issue>), <fpage>671</fpage>&#x2013;<lpage>680</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2000rs002555</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liang</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Calculation of nuclear electromagnetic pulse propagation into space</article-title>. <source>Nucl. Electronics&#x26; Detect. Technol.</source> <volume>29</volume> (<issue>06</issue>), <fpage>1393</fpage>&#x2013;<lpage>1396</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <source>Finite difference time domain method for dispersive media</source>. <publisher-loc>Beijing</publisher-loc>: <publisher-name>Science Press</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Massey</surname>
<given-names>R. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knox</surname>
<given-names>S. O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Franz</surname>
<given-names>R. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Holden</surname>
<given-names>D. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rhodes</surname>
<given-names>C. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Measurements of transionospheric radio propagation parameters using the FORTE satellite</article-title>. <source>Radio Sci.</source> <volume>33</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1739</fpage>&#x2013;<lpage>1753</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/98rs02032</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Numerical simulation of the HEMP environment</article-title>. <source>IEEE Trans. Electromagn. Compat.</source> <volume>55</volume>(<issue>3</issue>), <fpage>440</fpage>&#x2013;<lpage>445</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/temc.2013.2258024</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Effects of the HOB and the burst yield on the properties of NEMP</article-title>. <source>Chin. J. Comput. Phys.</source> <volume>20</volume>(<issue>2</issue>), <fpage>173</fpage>&#x2013;<lpage>177</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.19596/j.cnki.1001-246x.2003.02.016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gong</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>The analysis of the propagation of transient electromagnetic pulse through ionosphere</article-title>. <source>Nucl. Electron. Detect. Technol.</source> <volume>24</volume> (<issue>04</issue>), <fpage>369</fpage>&#x2013;<lpage>372&#x2b;406</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Minter</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Robertson</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spencer</surname>
<given-names>P. S. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jacobson</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Full-Rowell</surname>
<given-names>T. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Araujo-Pradere</surname>
<given-names>E. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>A comparison of Magic and FORTE ionosphere measurements</article-title>. <source>Radio Sci.</source> <volume>42</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>RS3026</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2006rs003460</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Roussel-Dupre</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jacobson</surname>
<given-names>A. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Triplett</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Analysis of FORTE data to extract ionospheric parameters</article-title>. <source>Radio Sci.</source> <volume>36</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1615</fpage>&#x2013;<lpage>1630</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2000rs002587</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yao</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shan</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>), &#x201c;<article-title>Waveform prediction of V/UHF EMP signal propagation in the ionosphere</article-title>&#x201d;, in <conf-name>Proceedings of the 2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC)</conf-name>, <conf-loc>Singapore</conf-loc>, <conf-date>December 2019</conf-date>. <fpage>1062</fpage>&#x2013;<lpage>1064</lpage>.</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>