无线电波在电离层中传播的规律及其应用的研究，早期着重于电波在电离层F2层电子密度峰值以下区域的传播问题，人造卫星上天以后，扩展到穿越整个电离层区域的传播规律问题。

电离层由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。由于自由电子的质量远小于离子的质量，一般电子的作用是主要的，只要考虑电子就够了。但在电波频率较低而接近于离子的等离子体频率时，应该考虑离子的影响。由于地磁场的存在，带电粒子也受它的影响，所以电离层又是各向异性的。对于电离层电波传播，介质的折射指数是一个最根本的参数。磁离子理论表达的折射指数的公式称为阿普尔顿-哈特里公式。折射指数是电离层电子密度和电波频率的函数，所以又称为色散公式，而电离层则是一种色散介质。对于短波和波长更短的电波传播问题，可以采用近似的射线理论，对长波和超长波则一般需要采用波动理论，有时可将地面和电离层底部之间看作一个同心球形波导。

电离层的折射指数主要取决于电子密度和电波频率，电子密度愈大或电波频率愈低，折射指数愈小。因为电离层的折射指数小于1，电波在电离层中受到向下的折射，在垂直投射的情况下，折射指数等于零时，电波不能传播，产生“反射”。在一定值的电子密度情况下，使折射指数为零的频率称为电波的临界频率，在地磁场的影响可以忽略时，这一频率等于电子的等离子体频率。电离层的电子密度随高度的变化具有分层结构，因此从地面向上传播的电波受到折射后传播路径逐步弯曲，最后转向地面，从而使地面上的远距离传播成为可能。较高频率的电波，穿透电离层的程度也较深，受折射影响偏离直线传播的程度则较小。电波频率超过某一数值时将穿透整个电离层而不被反射。在垂直投射时，对应这一频率的值就是电离层最大电子密度处的临界频率。在斜投射的情况下，也有一个大于上述垂直投射时临界频率的临界值，称为最高可用频率，用MUF表示，只有当使用的电波频率低于它时，电波才能返回地面。显然MUF与电波的投射角度有关，仰角愈小，MUF愈大，传播的距离也愈远。

电离层对电波有衰减作用，称为电离层的吸收，主要是由电子与大气的分子或原子的碰撞所引起，所以吸收主要发生在低电离层内。同时，在电波被电离层反射的区域，由于那里能量的传播速度较慢，经受吸收的时间较长，遭受的吸收也不能忽视。这一区域的吸收常被称为偏离区吸收。相对地在电波路径弯曲不大的那部分引起的吸收称为非偏离区吸收。电离层对电波的吸收与频率的平方成反比，由于非偏离区吸收是主要的，所以在短波通信中多采用较高的频率或进行夜间通信。对于一定的传播电路、一定的信号形式和调制方式、一定的噪声和干扰水平、一定的发射功率和接收机性能，以及一定的通信质量要求，使用的频率有一个下限，称为最低可用频率，用LUF表示。

电离层作为各向异性介质，在其中传播的无线电波可以分解为两个特征波，即寻常波和非常波。它们具有不同的相速和传播路径，一般地说，它们是椭圆偏振的。当传播方向同地磁场的方向平行时，它们成为圆偏振；当频率远高于电子的磁旋频率时，只要传播方向不正好同地磁场垂直，特征波的偏振近似地是圆偏振。两个圆偏振合成为一个线偏振波，但由于电离层结构特征的变化，合成波的电场强度矢量的方向缓慢地旋转，这种偏振面的旋转称为法拉第旋转。通过测量法拉第旋转速度，可以计算出电离层中沿传播路径上单位截面的柱体内的总电子含量。

如果传播路径的两端有相对运动，而且此相对速度沿传播路径的分量不等于零，则接收到的电波频率不同于发射的频率，这一效应称为多普勒频移。如果路径缩短，频移是正的，反之是负的。无线电波通过电离层传播时，频移量的变化中有一部分来自电离层的贡献，频移量与频率有关。如果利用两个频率，则可消去相对速度的贡献而得到电离层积分电子密度数据。这就是差分多普勒法。

电离层无线电波传播有长波和超长波传播，中波传播，短波传播以及超短波和微波传播。电离层电波传播和电离层探测有着密切的联系。电波法探测是开展电离层研究的重要手段。无线电波传播和电离层物理虽然都是比较成熟的学科领域，但是电离层中仍有一些现象和过程没有得到满意的解释，还需要进行深入的探测研究。