Распростарнение радиоволн
Методическое пособие - Радиоэлектроника
Другие методички по предмету Радиоэлектроника
исать в таком виде:
(4.3)
Это основная расчетная формула для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Очевидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.
Частота , при которой выполняется условие e = 0,
(4.4)
называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, удобным для оценки условий распространения радиоволн.
Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной частоты ионизированного газа:
(4.5)
При < относительная диэлектрическая проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент преломления является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания не распространяются и быстро затухают.
4.4. Скорость распространения радиоволн в ионизированном
газе (плазме)
Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы и зависит от частоты колебаний, поэтому и скорость распространения радиоволн в ионизированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты, называются диспергирующими. В диспергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью. Фазовая скорость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6). Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.5)
(4.6) Фазовая скорость волны в ионизированном газе больше скорости света в свободном пространстве. Однако скорость распространения сигналов не может быть больше скорости света в свободном пространстве. Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью. Гармонические составляющие сигнала в диспергирующей среде распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала.
Под групповой скоростью понимают скорость распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотношением для ионизированного газа
(4.7)
В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного газа () групповая скорость уменьшается (0), а фазовая скорость резко возрастает ().
4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)
Коэффициент затухания радиоволн в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из (4.1) и g из (4.2).
Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и ионами и переходом электромагнитной энергии в тепловую энергию движения тяжелых частиц. В этом процессе важно соотношение между периодом электромагнитных колебаний (T=1/ ) и средним временем между двумя соударениями электрона с молекулами или ионами . На низких частотах при T> энергия электромагнитной волны передается от электрона тяжелой частице малыми порциями, при Т< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях поглощение мало. При T наступает явление резонанса между частотой колебаний электрона под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц, причем поглощение существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей максимум в области частоты , близкой к величине , т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы 107 1/с и условие = / выполняется для волн длиной около 200 м. Поэтому в диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.
Рис. 4.2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн в ионизированном газе от частоты при
Nэ = 105 см-3 и = 10-3
Рис. 4.3. Схема отражения радиоволн от ионосферы
4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух ионизиро