地表層與低電離層(白天為D層，夜間為E層下部)所構成的同心球殼空間，以類似於微波平行金屬板波導的機理，引導甚低頻（3～30千赫）和極低頻(0.3～3千赫)電波進行遠距離直至全球範圍的傳播。這種波導的特點是：①結構複雜，特別是作為上壁的低電離層中電離氣體的密度隨高度而變化，不存在明確的邊界面。同時，由於晝夜過渡效應和緯度效應，其高度具有明顯的甚至急劇的空間變化；在地磁場影響下，其電特性呈現各向異性。作為下壁的地表層具有幾何上和地質上的明顯變化（海、陸、山地、、平原和沙漠等）；②變化復雜，由於受太陽輻射和宇宙射線等電離因素，以及有關日－地空間物理效應變化的影響，低電離層的電子密度隨晝夜和季節而變化，並以11年為周期而變化，還有隨機性變化等。因此，地－電離層波導傳播的理論求解和特性分析比一般金屬波導復雜得多。但是，對於甚低頻和極低頻電波，兩壁介質具有良好的反射特性，且大量擾動的尺度比波長小，因此對傳播特性影響不大。甚低頻和極低頻地－電離層波導傳播仍具有傳播距離遠和相位穩定兩個突出優點，可應用於遠距離通信、導航、頻率和時間標準的傳送。例如，美國於70年代建成的工作頻段為10～15千赫的奧米加導航系統，規模巨大，有8個發射臺，可覆蓋全球。蘇聯在此期間也建立瞭包括3個發射臺的類似系統。

　　波導模理論　嚴格求解各向異性非均勻有損球殼波導問題是很困難的，需要采用一些簡化模型。在模理論中，將地表層與低電離層等效為具有特定表面阻抗的兩個反射壁，利用麥克斯韋方程和邊界條件，求得波導中的場為一系列傳播模之和。每個波導模都有特定的場結構，橫向為駐波，軸向為具有特定相速和衰減率的行波。當不考慮地磁場影響時，表面阻抗為一純量，傳播模可以區分為橫磁(TM)波模和橫電(TE)波模。垂直電或磁偶極子僅能相應地激勵TM或TE模，而水平電或磁偶極子則能同時激勵TE和TM兩種模。在甚低頻段，地表層電特性接近於導體的電特性，有利於垂直極化波傳播，故甚低頻發射臺一般采用垂直電天線。在這種情況下接收點電場的垂直分量為

式中E0為與理想導電球地面繞射傳播有關的場幅度；Fn為與收、發兩點天線高度增益和波導激勵有關的因子；k為自由空間的波數；ɑ為地球半徑；θ為角距離；αn與βn分別為 n 階模的衰減率和相位常數。傳播常數tn＝

由模方程 A( t) B( t)=1求得。式中 A( t)、 B( t)為波導兩壁參數和艾裡函數表示的復雜函數，分別描述地面和電離層的反射特性。當考慮地磁場影響時，電離層呈現各向異性並產生波模耦合效應，波導中的場不可能再區分為純TM和純TE模。但由於地磁場對電離層反射特性的影響比基本參數（電子密度和碰撞頻率）所產生的影響小得多，波模特性仍然與不計地磁場影響時的相近。一部分以TM模為主而TE分量很弱，稱為準TM模；另一部分則相反，稱為準TE模。

　　基模　類似於微波金屬波導和甚低頻地－電離層波導傳播，也有“截止”現象，不過後者存在無截止的TM0(即TEM)波模。甚低頻段的優勢模為準TM1，其截止頻率為2～4千赫，在f=8～30千赫時，TM1的衰減率最小，僅為(2～4)×10-3分貝/公裡。因為當n＞1時，準TMn和準TEn的衰減率迅速增加，經過一定距離後隻有準TM1起主要作用，稱為基模。在截止頻率以下的極低頻傳播中，基模則變為TEM模。在基模占絕對優勢的區域，稱為單模區。單模傳播時相位隨距離的變化接近於線性，同時時間上的穩定性高，因是導航、定位應用的基礎。

　　多模幹涉　在各階波導模中，衰減率隨模次增高而迅速增大。高階模的激勵因子比低階模的大，故在離發射臺很近的距離上。高階模可能占優勢，對較高頻率，甚至在數千公裡的距離上高階模還有一定的影響。由於各階模具有不同的相速和衰減率，總場幅度和相位隨距離的變化具有振蕩特性，稱為多模幹涉。在多模幹涉區的某些位置上，特別是當出現優勢模改變時，場強隨距離的變化出現很深的最小值點，而相位隨距離變化的斜率則急劇增加。多模幹涉效應一般夜間比白天強，向東比向西強，頻率高比頻率低更為嚴重。橫電波(主要是TE1)模比較特殊，在夜間向西傳播時，TE1模的衰減率比TM1模的還小，而在垂直電天線情況下，其激勵因子也小得多，但當頻率高於15千赫時，在5000～6000公裡以遠處TE1模仍可能超過TM1模而成為優勢模。

　　晝夜過渡期　日出線與日落線切過傳播路徑的期間，稱為接收點的日出和日落過渡期。由於在傳播路徑上晝夜過渡區的波導特性發生急劇變化(尤以日出情況為甚)，波的傳播將出現波模轉換並伴隨有附加損耗，可能使接收點發生模轉換幹涉，場強相位穩定性變差。

　　幅度與相位的穩定性和異常變化　甚低頻和極低頻傳播特性隨時間的變化。主要包括：①由於大氣不均勻運動所引起的媒質特性的短期隨機變化；②致離源的變化所產生的較大區域電離層特性變化，引起傳播特性緩慢的隨機變化；③太陽活動和核爆炸等異常事件導致的異常變化。10千赫頻段單模區相位短期隨機起伏標準偏差的統計測量結果為

式中d為傳播距離（×103公裡）；白天取常數K為1，夜間為2.4。在多模幹涉區和晝夜過渡期，相位穩定性要差得多。

　　傳播相速預測修正　傳播相位的單值性、可預測性和穩定性，是導航應用的基本要求。在甚低頻單模(基模)傳播區，傳播相位與距離的線性關系意味著存在一個平均相速v′，導航接收機測定相延

或相延差Δ ，並由傳播測試研究得出相速預測值 v，即可求得距離 d＝ v 或距離差Δ d＝ vΔ 。傳播相速預測精度直接關系到導航定位的精度。基模相速與波導兩壁電參數有關，因而具有時空上的變化。由於不可能確切掌握實際路徑上的參數，理論計算結果僅有參考價值。工程上通常是合理地假定一個平均相速預測模型，通過某些簡單函數來研究一些有規律的時、空變化，統計大量相位測試數據而確定模型中的待定系數。在基模相速預測時，白天相對誤差為 ，夜間為 （ c為光速）。