Распространение радиоволн в лесной среде. Теория боковой волны
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?ельности
В работе [3] исследуется зависимость от расстояния интенсивности боковой волны, при распространении над лесом. В работе показано, что изменение напряженности поля боковой волны с расстоянием имеет зависимость ?-2. Это следует из формулы, определяемой значение поля боковой волны [1].
, (4)
где n - комплексный показатель преломления лесной среды, I*l - ток в антенне и ее длина, s=2h-z-z0, h - толщина лесного слоя, z, z0 - высоты передающей и приемной антенны.
Такая зависимость обуславливает большие потери по сравнению с распространением в свободном пространстве и фактически объясняется тем обстоятельством, что боковая волна является по существу дифракционным полем. Разумеется, в точку приема приходит прямая волна и волны, отраженные от поверхности раздела "лес - воздух". Также из работы видно, что боковая волна распространяется, как бы скользя вдоль вершин деревьев, следуя по контуру леса. При этом необходимо, чтобы радиус кривизны был большим по сравнению с длиной волны, ибо в противном случае боковая волна будет испытывать большие потери вследствие сильного рассеяния.
Отметим, что модель боковой волны предполагает, что растительность, заполняющая пространство между приемной и передающей антеннами, не воздействует на волны, проходящие вдоль нее и над ней. Чтобы объяснить этот факт, авторы работ [3-7] первоначально вынуждены были принять гипотезу, что листва вызывает потери, не зависящие от расстояния. Модель боковой волны легко объясняет, природу этого физического явления и поэтому она нашла дальнейшее развитие и экспериментальное подтверждение в работе [22]. В этой работе модель развита применительно к диапазону частот 2-200 МГц. Здесь лес представляется как однородная преломляющая среда с относительной диэлектрической проницаемостью , где n - средний показатель преломления лесной растительности. Геометрия задачи, представлена на рисунке 2.
Рис 2. Путь луча TABR внутри слоя леса
Для больших расстояний напряженность поля боковой волны определяется выражением
, (5)
где I*l - момент диполя, k - волновое число, и
(6)
(7)
. (8)
Выражение F (?) есть коэффициент отражения земли (h1=0) для плоской волны, падающей под углом ? из среды, заполненной растительностью. Для горизонтальной или вертикальной поляризации F (?) есть соответственно коэффициент напряжения или тока. Поляризация задана M и m следующим образом
M=m=1, для горизонтальной поляризации
M=N2; m=n2 для вертикальной поляризации
Выражение (5) описывает боковую волну, представленную на рисунке 2. Это подтверждается тем, что экспонента из (5) представляет собой оптическую длину луча ТАВR,
, (9)
где s=2h-h1-h2, - угол полного внутреннего отражения. Разумеется, является комплексной величиной, поскольку n - комплексная величина. Однако для малых потерь вещественная часть преобладает и близка к единице, и это обстоятельство дает физическую интерпретацию лучей ТА и ВR.
Величины и вызваны влиянием на боковую волну земной поверхности, которая воздействует на амплитуду поля боковой волны, отражая часть энергии обратно по направлению к границе "лес-воздух". Этот эффект влияния земли становится незначительным для больших значений h1 и h2, в этом случае близко к единице.
В работе [24] отмечается, что боковая волна есть составляющая дифракционного поля, которое изменяется с расстоянием как r-2 и поэтому убывает быстрее, чем волна свободного пространства, но являются основной частью суммарного поля. Волны, отраженные от границы раздела "земля-лес", "лес-воздух" проходят большие расстояния внутри поглощающего слоя леса и поэтому более ослаблены. Напротив, боковая волна испытывает потери только на относительно малых участках ТА и BR, а большую часть своего пути проходит над лесом, почти не испытывая потерь.
1.4 Эффект усиления поля по высоте при размещении антенн в лесной растительности и над ней
Как уже отмечалось, модель боковой волны дает простое объяснение эффекту усиления поля с увеличением высоты антенн. Влияние растительности на значение напряженности поля в модели боковой волны описывается функцией F, определяемой как
, (10)
где ? - коэффициент ослабления, вызванный наличием растительности:
?=2?Im (n2-1) 1/2/?. (11)
Ввиду того, что в экспоненте появляется параметр s, высота растительности над приемной и передающей антенне играет важную роль. Увеличение высоты антенн приводит к тому, что параметр s уменьшается (так как уменьшается пути TA и BR, на которых волна испытывает потери). Таким образом, полные потери уменьшаются, а уровень поля с увеличением высоты антенны растет. Данная экспоненциальная зависимость подтверждается экспериментальными измерениями. Отклонение от экспоненциальной зависимости для низких высот антенн происходит, вероятно, из-за сильного влияния леса. Для определения параметра ? по формуле (11), необходимо знать значения электрических параметров среды ? и ?. Напомним, что экспериментальные значения, полученные в работе [3], лежат в пределах 1,05???1,5; 10-3???10-5 см/м. Выделенная по этим данным предельное значе