Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Распростарнение радиоволн

Как правило, термин лрадиоволны обозначает электромагнитнные волны, принадлежащие томуа или иному диапазону частот, применяемому в радиотехнике. Специальным решением Международного союза электросвязи (МСЭ) и Международной электротехнической комиссии (МЭК) принято различать следующие диапанзоны радиочастот и соответствующих длин радиоволн:

очень низкие частоты (ОНЧ) - от 3 до 30 кГц, или мириаметровые волны (длина волны от 100 до 10 км);

низкие частоты (НЧ) - от 30 до 300 кГц, или километровые волны (длина волны ота 10 доа 1а км);

средние частоты (СЧ) - от 300 кГц до 3 Гц, или гектометровые волны (длин волны от 1 км до 100 м);

высокие частоты (ВЧ) - от 3 до 30 Гц, илиа декаметровые волны (длина волны от 100 до 10 м);

очень высокие частоты (ОВЧ) - от 30 до 300 Гц, или метнровые волны (длин волны от 10 до 1 м);

льтравысокие частоты (УВЧ) - от 300 Гц до 3 Гц, или дециметровые волны (длина волны от 1 м до 10 см);

сверхвысокие частоты (СВЧ) - от 3 до 30 Гц, или сантиметнровые волны (длина волны от 10 до 1 см);

крайне высокие частоты (КВЧ) - от 30 до 300 Гц, или миллиметровые волны (длина волны от 1 см до 1 мм).

Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденциней к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффекнтивные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах зких телесных глов. Дело в том, что антенна с зкой диаграмнмой направленности обязательно должна иметь поперечные разнмеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое словие легко выполнить в метровом, тем более в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для мириаметровых волн имела бы совершенно неприемлемые габариты.

Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочаснтотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов со взаимно не пересекаюнщимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, с другой - применять широкополосные системы модуляции, нанпример частотную модуляцию. При определенных словиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчинвость работы радиоканала.

В практике радиовещания и телевидения сложилась также ненсколько прощенная классификация диапазонов радиоволн. Сонгласно ей, мириаметровые волны называют сверхдлинными волнанми (СДВ), километровые Ч длинными волнами (ДВ); гектометровые - средними волнами (СВ), декаметровые Чкороткими волннами (КВ), все более высокочастотные колебания с длинами волн короче 10 м относят к льтракоротким волнам (УКВ).

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ

ПРОСТРАНСТВЕ

Система передачи информации сонстоит из трех основных частей: передающенго стройства, приемного стройства и пронмежуточного звена - соединяющей линии. Промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в словиях, когда средой слунжит земная поверхность, атмосфера, косминческое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается правлению.

При распространении радиоволн в сренде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение сконрости и направления распространения, повонрот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, пронектируя линии радиосвязи, необходимо:

рассчитать мощность пенредающего стройства или мощность сигнала на входе приемного стройства (определить энергетические параметры линий);

определить оптимальные рабочие волны при заданных словиях распространения;

определить истинную скорость и нанправление прихода сигналов;

честь возможные искажения передаванемого сигнала и определить меры по их странению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхнности и атмосферы, также физические процессы, происходящие при распространеннии радиоволн.

Земная поверхность оказывает сущестнвенное влияние на распространение радионволн:

в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;

при падении на земную поверхность они отражаются;

сфенрическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

Радиоволны, распространяющиенся в непосредственной близости от поверхнности Земли, называюта земнымиа радиоволнами (1 на рис.1.1). Рассматривая распространение земнных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.

В окружающей Землю атмосфере разнличают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и занвисят от времени иа географического места.

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до высоты 7-18 км. В области тропосферы температура воздуха с высотой бывает. Тропосфера неоднороднна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метенорологических словий. В тропосфере пронисходит искривление траектории земных рандиоволн 1, называемое рефракцией. Раснпространение тропосферных радиоволн 2 возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового дианпазонов в тропосфере поглощаются.

Стратосфера простирается от тронпопаузы до высот 5Ч60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 3Ч35 км температура постоянна, далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.

Ионосферой называется область атмосферы на высоте 6Ч10 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. Радиоволны, распространяюнщиеся путем отражении от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3. На словия распространения ионосферных волн свойства земной поверхнности и тропосферы влияют мало.

словия распространения радиоволн 4,5 при космической радиосвязи обладают ненкоторыми специфическими особенностями, на радиоволны

Рис. 1.1. Пути распространения радиоволн

Рис. 1.2. Диаграммы направленности антенны по

мощности:

1 Ц изотропного излучателя; 2 - направленной

нтенны

4 основное влияние оканзывает атмосфера Земли.

1.1. Формула идеальной радиопередачи

Свободное пространство можно раснсматривать как однородную непоглощающую среду с ε =1. В действительности танких сред не существует, однако выражения, описывающие словия распространения рандиоволн в этом простейшем случае, являютнся фундаментальными. Распространение рандиоволн в более сложных случаях характенризуется теми же выражениями с внесением в них множителей, учитывающих влияние конкретных словий распространения.

Для проектирования различных радионсистем необходимо определять напряжеость электрического поля радиоволны в месте приема или мощность на входе принемного устройства.

Для свободного пространства плотность энергии П (Вт/м²) на расстоянии r (м) от точечного источника, излучающего радионволны равномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим иснточником Ризл (Вт) следующей зависинмостью:

а

где П - модуль вектора Пойнтинга.

На практике антенна излучает энергию по разным направлениям неравномерно. Для чета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного дейстнвия антенны.

Коэффициент направленного действия антенны D показывает, во сколько раз изменяется плотность мощности на данном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сравнению с ненаправленным (изотропным) излучантелем.

При использовании направленного изнлучателя происходит пространственное пенрераспределение мощности, в результате ченго в некоторых направлениях плотность мощности повышается, в других снижанется по сравнению со случаем использования изотропного излучателя. Применение нанправленных антенн позволяет получить в D раз большую плотность мощности в точке приема или в D раз снизить мощность передатчика.

Величина D является функцией глов нанблюдения: в горизонтальной плоскости ξ и ва вертикальной q (рис 1.2). Обычно антенна создает максимальное излучение лишь в ненкотором направлении (ξ0 θ0), для которого D приобретает максимальное значение D_макс=D(ξ0 θ0). Зависимость величин D от глов ξ и θ называют диаграммой направленности антенны по мощнонсти, отношение F²(ξ,θ)= D(ξ θ)/D_макс

- нормированной диаграммой направленности по мощности (рис.1.2).

Плотность мощности н расстоянии r от направленной излучающей антенны

Амплитуда напряженности электрического поля радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этой волны (через сопротивление свободного пространства Z0)

E²_{m cв} =2Z₀ П = 240p П,

откуда определяется амплитудное значение напряженности электрического поля в свободном пространстве Еm cв (В/м) на задаом расстоянии r (м) от излучателя:

(1.1)

Мощность на входе приемника, соглансованного с антенной, находящейся н раснстоянии r от излучателя,

(1.2)

где

Ча эффективная площадь приемной антеы, характеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.

Мощность Рпр.св добно определять ненпосредственно через мощность Pизл и велинчину Dизл излучающей антенны:

(1.3)

Это выражение называется формулой идеальной радиопередачи.

Ослабление мощности при распространнении радиоволн в свободном пространстве, определяемое как отношение Рпр.св / Pизл, называюта потерями передачи в свободном пространстве. При ненаправлеых передающей и приемной антеннах это отношение B₀ (дБ) рассчитываюта по формуле:

, (1.4)

где- мощность, Вт;а r Ч расстояние, км; ƒ - частота, Гц.

Применение направленных антенн эквивалентно величению излучаемой мощности в араз.

Напомним, что поляризация радиоволн определяется ориентировкой вектора напряженности электрического поля радиоволнны в пространстве, причем направление векнтор определяет направление поляризации [2].В зависимости от изменения направления вектора  поляринзация может быть линейной, круговой и эллиптической. Вид поляризации радиоволн в свободном пронстранстве определяется типом излучателя (антенны). Например, антенна-вибратор излучает в свонбодном пространстве линейно поляризоваую волну.

Для получения волн с круговой поляризацией достаточно иметь в качестве передающей антенны дв линейныха вибратора, смещеых в пространстве на 90

Эллиптически поляризованная волна может быть создана, например, с понмощью антенн, в виде двух скрещенных вибраторов, плечи которых питают токами с разной амплитудой.

Для эффективного приема характер понляризации поля принимаемой волны и полянризационные свойств приемной антенны должны совпадать. Формулы (1.2) и (1.3) справедливы в случае совпадения характера и направления поляризации электрического поля и приемной антенны. Если совпадение отсутствует, мощность в приемной антенне меньшается и в казанные формулы ввондят поправки. Например, для наиболее эффективного приема волны с линнейной поляризацией вибратор приемной антенны должен быть ориентирован паралнлельно вектору . Если направление вектонра а перпендикулярно оси приемного вибрантора, то приема не будет.

1.2. Область пространства, существенная при распространении радиоволн. Метод зон Френеля

На формирование поля вблизи приемнной антенны В (рис. 1.3, ) различные области свободного пространства, через которое проходят радиоволны от излучателя A, влияют в разной степени. Излучатель создает сферическую волну, каждый элемент фронта которой вновь является источником сферической волны. Новая волновая поверхнность находится как огибающая вторичных сферических волн. Поле на некоторома расстоянии от излучателя определяется суммарнным действием вторичных источников. Оснновной вклад в эту сумму дают источники,
расположенные вблизи прямойа А В. Действие вторичных смежных излучателей, раснположенных на значительном расстоянии от этой прямой, взаимно компенсируется.

Областью, существенной при распронстранении радиоволн, называют часть пронстранства, в котором распространяется основная доля энергии. Неоднородности сренды (например, препятствия на пути волны) влияют на характеристики поля в точке приема, если они охвачены областью, сущенственной при распространении. Эта область имеет конфигурацию эллипсоида вращения с фокусами в точках А и В (рис.1.3,б). Радиус поперечного сечения эллипсоида ана расстоянии аот точки A и расстоянии r0 от точки B определяется равенством:

rn+ rn=r0+ r0+n (l/2)

и может быть вычислен из уравнения

где а- целое число.

Кольцевую область, построенную на плоскости S, перпендикулярной линии АВ, с радиусами Rn называют зонойа Френеля номер n (рис. 1.3, в).

Если н пути распространения волны помещен экран с круглым отверстиема (плонскость экрана перпендикулярна линии АВ), то при измененииа радиус отверстия (или перемещении экран вдоль трассы) напрянженность поля в точке В будет периодиченски изменяться (рис.1.4).

Рис. 1.3. К определению зон Френеля

Ц формирование волнового фронта; б - к определению

размеров зон Френеля и конфигурация 1-й зоны вдоль трассы;

в - проекция зон Френеля на плоскость, перпендикулярную к направлению трассы

Рис. 1.4. Изменение напряженности поля за

экраном с круглым отверстием при

изменении радиуса отверстия R

(

Напряженность поля будет максимальной, когда радиус отверстия в экране равен радиусу первой зонны Френеля и радиусам зон Френеля со слендующими нечетнымиа номерами. При больншом размере отверстия (больше радиуса шестой зоны Френеля) амплитуд напряженности поля стремится к Em св (рис.1.4), поэтомуа радиус поперечного сечения области, существенной при распространении, счинтают равным радиусу зоны Френеля с номенрами Ч10. Однакоа для ориентировочных
расчетов часто размер существенной облансти можно принять равным радиусу первой зоны Френеля.

1.3. Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют классификации диапазонов радиоволн? Приведите эти классификации.

2. Почему существует тенденция к освоению всё более высокочастотных диапазонов радиоволн?

3. Какова последовательность проектирования линий радиосвязи?

4. Какие факторы оказывают влияние на виды путей распространения радиоволн?

5. Запишите формулу идеальной радиопередачи. Поясните ее.

6. Какие существуют виды поляризации радиоволн?

7. Почему для эффективного приёма необходимо учитывать характер поляризации принимаемой волны и поляризационные свойства приемной антенны?

8. Какая часть пространства называется областью, существенной при распространении радиоволн?

9. С какой целью вводится понятие зон Френеля?

10. Изобразите и поясните график зависимости величины напряженности поля за непрозрачным экраном от радиуса отверстия в этом экране.

2. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Н РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

2.1. Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности

Конечные пункты радиолиний в больншинстве случаев расположены в непосреднственной близости от поверхности Земли. Присутствие полупроводящей поверхности Земли вызываета поглощение и отражение радиоволн, иногда с изменениема поляризанции волны. Количественно эти явления занвисят от электрических параметров земной поверхности:а диэлектрической проницаемонсти ε и проводимости а(табл.2.1). Величинны ε и аопределяются экспериментально по поглощению радиоволн земной поверхнностью и отражению от нее и зависят от структуры земной поверхности, ее влажнонсти, слоистости, температуры, также от рабочей частоты.

Из табл.2.1 видно, что с повышением частоты (уменьшением длины волны) ε морской и пресной воды бывает. Это бывание ε вызвано тем, что молекулы воды полярны и при повышении частоты не спенвают ориентироваться в направлении элекнтрического поля.

Почва является сложным диэлектриком, состоящим из твердого компонента - сухонго грунта и жидкого компонента Ч водного раствора солей. Величины ε и ажидкого компонента существенно больше, чем тверндого компонента, и электрические параметнры почвы определяются в основном свойстнвами жидкого компонента.

словия распространения радиоволн в среде характеризуются тангенсом угла потерь в среде, численно равныма отноншению плотностей токов проводимости и смещения [1]

Если , то в среде преобладанет ток смещения и она по своим свойствам приближается к диэлектрику. Если же , то в среде преобладает ток пронводимости и ее свойства приближаются к свойствам проводника. Равенство плотнонстей токов проводимости и токов смещения наступает при определенной граничной длинне волны lгр. Так, для морской воды

.

Поэтому для радиоволн сантиметровонго диапазона морская вода может рассматнриваться как диэлектрик. Для влажной почвы

.

Таблица 2.1

Значения диэлектрической проницаемости и проводимости для наиболее типичныха видов земной поверхности

Вид земной поверхности или покрова	Длина волны, м	ε	, См/м
Морская вода (t = 20С)	>1,0 0,1 0,03 0,003	78 70 40 10	5,0 5,0 20,0 5,0
Пресная вода рек, озер (t = 20	>1,0 0,1 0,03 0,003	90 80 40 10	210 -2 5 20 5
Влажная почва (t = 20	>1,0 0,1 0,03	15-30 15-30 10-15
Сухая почва (t = 20	>1,0 0,1 0,03	3-6 3-6 2-5

Лед (t = -10	>1,0 0,1 0,03	4-5 3,5 3,2
Снег (t = -10	>1,0 0,1 0,03	1,2 1,2 1,2	10-6 10-5 10-5
Мерзлая почва (t = -35	>1,0 0,1 0,03	Ч7 Ч Ч	10-Ч10-2 Ч Ч
Лес	>10 0,Ч5	1,004 1,0Ч1,4	10-6а - 10-5 10-5 - 10-3

Продолжение табл. 2.1

Влажная почва для метровых и более коротких волн может рассматриваться как диэлектрик. Следовательно, для волн сантиметрового диапазона все виды земной понверхности имеют свойства, близкие к свойнствама идеального диэлектрика.

При распространении радиоволн в полупроводящей среде амплитуда поля бынвает с расстоянием по экспоненциальному закону, фаза меняется линейно. Мгновеое значение напряженности поля волны, распространяющейся в полупроводящей сренде в направлении одной из координатных осей, записывется [2]

(2.1)

где Еm св определяется из (1.1).

Величина α характеризует потери энернгии в среде и называется коэффициеннтома затухания. Физически потери обусловлены переходом энергии электромагнитных волн в тепловую энергию движения молекул. Величина b (коэффициент фазы) характеризует изменение фазы волны. Эти величины можно записать в следуюнщем виде [2]:

(2.2)

(2.3)

Скорость перемещения заданной фазы в направлении распространения волны nф, называемая фазовой скоростью, связана с величиной β:

(2.4)

Отношение

. (2.5)

называется показателема преломления среды.

Длина волны в среде

При а

а

При

а

Поглощение радиоволн в среде оценинвается интегральным коэффициентом Г и выражается ва децибелах:

Погонное поглощение выражается в денцибелах на метр:

Расстояния, на которых происходит ослабление Еmа в 106араза (на 120 дБ) при распространении радиоволн во влажной почве и морской воде, приведены в табл.2.2.

Таблица 2.2

Расстояния, на которых происходит ослабление

ƒ, Гц		Расстояние, на котором знанчения Еm ослабляются на 120 дБ, м
Влажная почва	Морская вода
100 1 0,01	3 300 3	23 70 700	0,37 3,5 35

Следовательно, для осуществления рандиосвязи через толщу земной поверхности или моря (например, для связи с подводнынми лодками, находящимися в погруженном состоянии) применимы только длинные и сверхдлинные волны.

2.2. Отражениеа плоскиха радиоволна н границе воздух - гладкая поверхность Земли

Электромагнитная волна, падая на гладкую границу раздел двуха сред (рис.2.1), частично отражается от этой границы (причем гол падения равен глу отраженния) и частично проходит в глубь второй среды. Поэтому в первой среде имеются падающая и отраженная волны, во второй - преломленная волна.

В зависимости от направления вектора относительно поверхности Земли разлинчают два вида поляризации - вертикальную и горизонтальную. При вертикальной полянризации вектор напряженности электриченского поля лежит в плоскости падения волны, т. е. в плоскости, перпендикулярной к плоскости раздела и проходящей через направление распространения ападающей волны (рис.2.1,a). При агоризонтальной

Рис. 2.1. К определению коэффициента отражения

поляризации вектор напряженности электриченского поля апараллелен плоскости раздела (рис 2.1,б) [2].

Коэффициент отражения Френеля есть отношение комплексных амплитуд напряженностей полей падающей и отраженной волн, определенных на идеально гладкой плоской поверхности раздела. Для вертикально и горизонтально поляризованных волн, паданющих из свободного пространства на полунпроводник, значения коэффициентова Гв аи Гга рассчитывают по формулам [2]:

(2.7)

а, (2.8)

где θпадЧугол падения волны н границу раздела сред; Ф - его фаза.

В некоторых случаях нужно знать нанпряженность поля или мощность волны, проходящей во вторую среду. Для этого иснпользуется понятие коэффициента прохождения F: а При вертикальнной поляризации

при горизонтальной поляризации

2.3. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности

Естественные земные покровы редко представляют собой совершенно ровную понверхность. Наибольшее влияние оказывают неровности при отражении льтракоротких и особенно сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Поэтому на практике важно меть определить характеристики поля, отнраженного от неровных поверхностей. В отнличие от гладкой поверхности шероховатая поверхность создает отраженный сигнал не только в направлении гла отражения, равнного глу падения, но и в другиха направлениях, включая и обратное. Поэтому нанличие неровностей приводит к меньшению эффективного коэффициента отражения в направлении зеркального луча.

Главным фактором в формировании отнраженного поля являются фазовые соотноншения, определяемые разностью хода волн от источника излучения до элементов понверхности. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна, составляющую ортонгональной поляризации. Расчет напряжеости поля рассеянных волн ведется в слунчае крупных неровностей по методу Кирхгофа, в случае мелких неровностей - по методу возмущений [3-6].

Поверхность можно считать ровной, если максимальная высота неровностей hн (рис.2.2, ) довлетворяет следующему неравенству, называемому критерием Рэлея:

(2.9)

Н формирование отраженной волны основное влияние оказывает часток поверхности, ограниченный 1-йа зоной Френенля. При нормальном падении волны на поверхность 1-я зон Френеля представляет собой окружность радиусом а(см. (1.5)), при наклонном - эллипс, большая ось которого вытянута в направлении распространнения волны. Размеры малой и большой понлуосей эллипса 1-й зоны Френеля соответстнвенно равны:

(2.10)

где аи Ч расстояния от концов трассы до точки геометрического отражения; Ч гол падения волны (рис.2.2,б).

Рис. 2.2. Расстояние радиоволн на неровностях

земной поверхности

Рис 2.3. Расстояние прямой видимости

без чёта и с чётом рефракции

2.4. Классификация случаева распространения земных радиоволн

При расчете напряженности поля земнных радиоволн атмосферу принимают за среду без потерь са ε=1, а необходимые понправки, учитывающие влияние атмосферы, вводят дополнительно.

Влияние земной поверхности на словия распространения радиоволн можно свести к двум случаям: первый - излучатель или приемная антенна подняты высоко (в маснштабе длины волны) над поверхностью Земнли, второй - передающая и приемная аннтенны находятся в непосредственной близонсти от Земли.

В первом случае, типичном для льтранкоротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии апо сравненнию с расстоянием прямой видимости а(рис.2.3), вычисляемым по формуле

(2.11)

где а= 6,37106 м - радиус Земли; и Ч высоты подъема антенн, м.

При протяженности радиолинии а< <0,2а земную поверхность можно считать плоской, приа 0,2а< а<0,8а авносятся поправки на сферичность земной поверхности, при а> 0,8арасчет напряженности поля вендется с четома дифракцииа радиоволн.

Во втором случае, относящемся главнным образом к средним и длинным волнам, при протяженности радиолинии не более: 300-400 км (для λ, 200-2 м); 50-100 км (для λ, 50-200 м); 10 км (для λ, 10-50 м) земную поверхность считают плоской. На радиолинниях большей протяженности расчет напрянженности поля ведется с четом дифракции.

2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью

В этом случае волна достигает земной поверхности на значительном (в масштабе длины волны)а расстоянии от излучателя и часток фронта волны вблизи земной понверхности можно считать плоским. На рандиолинии малой протяженности а< 0,2 o поле в месте приема является результатом иннтерференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности (рис.2.4), причем напряженность электринческого поля отраженной волны определянется при помощи коэффициентов отражения Френеля. Прямая волна распространяется по пути АВ, отраженная по пути АСВ, линия АО есть направление максимального излучения передающей антенны. Результинрующее поле определяется интерференционной формулой

а, (2.12)

где определяется из (1.1),

глы θ1 и θ2 обозначены на рис. 2.4. Корень из трехчлена в этой формуле называюта интерференционным множитенлем.

Коэффициент отражения от земной поверхности Гв.г определяют для соответствующей поляризации по формулам (2.7),(2.8). Для слабо направленных антенн из-за того, что в шинроком интервале глов D(θ2)/D(θ1)

(2.13)

Присутствие земной поверхности изменняет распределение поля излучателя в вернтикальной плоскости. Диаграмма направнленности системы излучатель - Земля изрензана многими лепестками, диаграмма направленности самого излучателя F(θ) преднставляет огибающую этих лепестков. На рис.2.5 представлены результирующие диаграммы направленности систем вертинкальный вибратор - Земля (а)а и горизонтальный вибратор - Земля (б), когда излунчатель поднят на высоту анад почнвой, принимаемой за идеальный диэлектрик.

Для практически важного случая раснпространения радиоволн скользящими лучами (θ стремится к 900а) формула (2.12) может быть подвергнута дальнейшему упрощению. учитынвая, чтоа при этома |Гв.г| а1, Фв.г а(рис. 2.1), напряженность поля Em (В/м) в зависимости от а

Рис. 2.4. Распространение волн при поднятых антеннах

Рис. 2.5. Диаграммы направленности антенн, поднятых над поверхностью Земли

расстояния r (м), длины волны а(м), высоты расположения антенн а(м) и мощности(Вт) определяют по формуле предложенной Б.А. Введенским:

(2.14)

Если

то расчет по приведенной формуле дает хороншее совпадение с результатами измерения.

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной

поверхности

Действие на вертикальный вибратор идеально проводящей поверхности можно заменить действием фиктивного вибратора той же длины, расположенного симметричнно основному вибратору относительно поверхности (рис. 2.6). Тогда электрическое поле в дальней зоне непосредственно на поверхности определяется формулой

где Ц действующая длина реального вибратора.

Диаграмма направленности такой антенны имеет максимум излучения вдоль поверхности. Согласно граничным словиям вектор анаправлен нормально к поверхнонсти, а следовательно, вектор распространения энергии направлен параллельно поверхнности. Условия, близкие к рассмотренным наблюдаются на практике при распространении длинных волн над морской поверхнонстью.

Когда источником радиоволн является горизонтальный вибратор, расположенный над идеально проводящей поверхностью на высоте, много меньшей длины волны, ток в зеркальном изображении вибратора имеет направление, противоположное току в санмом вибраторе. Поля, создаваемые этими вибраторами вблизи поверхности, взаимно компенсируются, и результирующее поле оказывается равным нулю. При неидеальной проводимости земной поверхности полной компенсации не происходит, однако поле гонризонтального вибратора значительно сланбее поля вертикального вибратора, поэтонму наибольший интерес представляет иснпользование вертикального вибратора.

Если поверхность, вблизи которой раснположен вертикальный излучатель (рис. 2.6,б), не является идеальным проводнинком, то часть энергии радиоволн, распронстраняющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности. Следовательно, помимо составляющей П1г, направленной вдоль поверхности, имеется составляющая П1в, направленная перпендикулярно к земнной поверхности, в результате чего суммарнный вектор П1 направлен не параллельно земной поверхности, следовательно, и векнтор напряженности электрического поля направлен к земной поверхности под глом, не равным 90

граничных условий Леонтовича - Щукина (устанавливает связь между векторами аи аэлектромагнитного поля первой среды на поверхности хорошо проводящей второй среды , где а- комплексное волновое сопротивление второй среды) получают соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими комплексных амплитуд напряженности элекнтрического поля вблизи земной поверхности:

Составляющие аи аполя сдвинуты по фазе, вследствие чего оно имеет эллипнтическую поляризацию. Строгие граничные словия дают связь между комплексными амплитудами составляющих поля в воздухе и в земле:

Однородная трасса. Для расчета Em1в непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, располонженный вблизи полупроводящей поверхнонсти, применяют формулу, выведенную одновренменно М.В. Шулейкиным и Б. Ван-дер-Полем:

Рис. 2.6. Структура поля вертикального вибратора,

расположенного вблизи поверхности: - идеально проводящей; б - полупроводящей

Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн - схема

распространения волны над сферической поверхностью земного шара

(2.15)

где аопределяется по (1.1);а |W| - множитель ослабления, являющийся функцией параметра,

(2.16)

Для значений а> 25

|W| а1/. (2.17)

Неоднородная трасса. Напряженность поля над неоднородной трассой, состоящей из двух частков, электрические параметры которых резко отличаются, например при переходе с моря на сушу, определяется по (2.15), где множитель ослабления |W| подсчитывается как среднее геометрическое множителей ослабления двух фиктивных однородных трасс: агде аи а- множители ослабления, вычисленные по (2.16) и (2.17) для трассы протяженностью (а+ аи аи аи . При вычислении аберутнся параметры аи а при вычислении Чпараметры аи .

Береговая рефракция. Фазовая сконрость радиоволны, распространяющейся вблизи земной поверхности, зависит от ее
электрических параметров. При переходе радиоволны с моря на сушу (вблизи беренговой линии) происходит изменение направнления распространения волны, называемое береговой рефракцией. Это созданет ошибку в определении направления принхода радиоволн, что существенно для работы радионавигационных систем.

2.7. Дифракция радиоволна вокруг сферической земной поверхности

Огибание радиоволнами препятствий, встречающихся па пути их распространения, называется дифракцией. Когда протянженность радиолинии и высота расположенния антенн таковы, что область, существеая при распространении радиоволн (1-я зонна Френеля), частично или полностью перенкрывается выпуклостью земной поверхности, то незакрытая часть 1-й зоны Френеля или зон следующих номеров, представляющих совокупность источников сферических волн, создают излучение не только в направлении первоначального движения волны, но и за выпуклостью земной поверхности.

Расстояния, близкие к пределу прямой видимости, когда 1-я зона Френеля закрыта только частично, называются областью полутени (рис. 2.7). Расстояния, при которых 1-я зона Френеля перекрыта полнностью, называется областью тени.

В области тени расчет напряженности поля Еm (мВ/м) ведется по формуле предлонженной В.А. Фоком:

(2.18)

где Еm св определяется по формуле (1.1);а G Ч множитель ослабления, являющийся произведением трех функций, G = U(x)V(U(x) - функция расстояния от пенредатчика, r (м); V(аи приемной

Для определения функций U(x) и V(y) используются графики, имеющиеся в литературе.

Расчет по этим графикам проводится главным образом для диапазона КВ, где применяют антенны, высоко поднятые над земной поверхностью. Расчет напряженнонсти поля в диапазонах длинных, средних и даже коротких волн, когда антенны распонлагают вблизи поверхности Земли, прощанется, поскольку V(

2.8. Вопросы для самопроверки

1. Записать выражение для определения тангенса гла потерь, дать необходимые пояснения.

2. В каком диапазоне радиоволн плотность потоков смещения ва земной поверхности преобладает над плотностью токов проводимости ?

3. При каких токах проводимости и смещениях определяется граничная длина волны ?

4. казать особенности параметров радиоволн в полупроводящей среде.

5. Пояснить, почему для осуществления радиосвязи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии, применимы только длинные и сверхдлинные волны ?

6. Какие коэффициенты определяют интенсивность отраженной и преломленной волн? Для каких видов поляризации эти коэффициенты определяются ?

7. Поясните особенности отражения радиоволн от шероховатой поверхности.

8. При каком словии шероховатую поверхность можно считать ровной ?

9. Приведите классификацию случаев распространения земных радиоволн и поясните ее.

10. Запишите интерференционную формулу и назовите словия ее применимости.

11. Запишите формулу Введенского. При каких словиях можно вести расчет напряженности поля по этой формуле.

12. Поясните особенности поля излучателя, расположенного вблизи плоской земной поверхности.

13. Какие составляющие имеет поле вертикального вибратора, расположенного вблизи полупроводящей поверхности земли ?

14. Запишите и поясните формулу Шулейкина-Ван-дер-Поля.

15. кажите особенности расчета напряженности поля над неоднородной трассой, когда излучатель расположен вблизи плоской земной поверхности.

16. В каком диапазоне волн существенно сказываются ошибки в определении координат излучателя, вызванные береговой рефракцией ?

17. Каким образом учитывается дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности при расчете напряженности поля ?

3. ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ Н РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

3.1.Состав и строение тропосферы

Тропосфера - это ближайший к земной поверхности слой атмосферы, простираюнщийся до высоты Ч10 км в полярных шинротах и до 1Ч18 км в тропиках. В тропонсфере содержится до 4/5 массы газов, составляющих атмосферу, и почти все колинчество водяных паров.

В электрическом отношении тропосфера представляет собой весьма неоднородную среду, вследствие чего в ней происходит искривление траекторий радиоволн, слендовательно, изменение направления прихонда волны и напряженности поля на данном расстоянии.

Чтобы честь влияние тропосферы на распространение радиоволн, необходимо знать закономерности изменения аи

Нормальной тропосферой нанзывают такую гипотетическую тропосферу, свойства которой отображают среднее сонстояние реальной тропосферы. Нормальную тропосферу характеризуют следующими свойствами: давлением у поверхности Земли (р = 0,1013 Па), температурой (T = 288 К) и относительной влажностью (S = 60%). С величением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 1,2 кПа, темперантура - на 0,55 К. Границей нормальной тропосферы считают высоту 11 км.

3.2 Диэлектрическая проницаемость и понказатель преломления тропосферы

Относительная диэлектрическая пронинцаемость тропосферы (воздуха) только приближенно может считаться равной единнице. В действительности значение аненсколько больше единицы и зависит от давнления р (Па) температуры Т (К) и абсонлютной влажности воздуха е (Па)

(3.1)

Второе слагаемое в (3.1) выражает изменение аиз-з смещения электрических зарядов в неполярных молекулах газов, входящих в состав воздуха, под влиянием внешнего поля и ориентации полярных монлекул водяного пара.

Коэффициент преломления тропосферы

и связан с величиной атропосферы выранжением

(3.2)

У поверхности Земли значение nа в занвисимости от климатических словий равно 1,2Ч1,46. Для расчетов добнее пользоваться величиной, называемой приведенныма показателема преломнления тропосферы, N=(nЧl)10⁶, для Земли N = 260 а460.

Для нормальной тропосферы изменение ас высотой над земной поверхностью hа (м) подчиняется экспоненциальному занкону

,

где = 5,78Ч отклонение аот единницы у земной поверхности; Ч вертикальный градиент апри h = 0.

Экспоненциальная зависимость аот вынсоты наблюдается при среднении значинтельного числа наблюдений, тогда как единничные конкретные кривые в той или иной мере отклоняются от этого закона. Особео велики отклонения в летний период на высотах до Ч3 км, где наблюдаются иннтенсивные облачные слои, частые инверсии температуры и влажности. Практически всегда возникают сравнительно небольшие флуктуации аотносительно экспоненциальнной зависимости, вызванные турбулентным движением воздуха.

Эти флуктуации рассматриваются как неоднородности тропосферы. Размеры мелнких неоднородностей определяются нескольнкими метрами или несколькими десятками метров, отклонение от среднего значения Nа составляет DN = lа Nа претерпевают сезонные и суточные изменения, причем эти изменения максимальны у земной поверхнонсти и падают почти до нуля на высотах Ч 8 км. Максимальные значения Nа у земной поверхности наблюдаются в июле, мининмальные - в январе.

Сезонному ходу приземных значений N сопутствуют соответствующие изменения g. Значения градиентова gа и их изменения осонбенно велики в приземном слое и меньншаются с высотой. Значения аи gа зависят от географического положения трассы и менняются вдоль самой трассы.

В приземном слое воздуха для прощенния расчетов возможно аппроксимировать экспоненциальный закон изменения ас вынсотой Ч-линейным

а.

Вводится эффективный вертикальный градиент динэлектрической проницаемости тронпосферы а, при контором напряженность поля в точке приема будет такой же, как и в случае реального изменения на трассе.

Среднее значение градиента апонлучают в результате статистической обранботки большого числа измерений. Значения аподчиняются нормальному закону раснпределения со среднеквадратичным отклоннением а. Средние значения 1/м)а для различных климатических районов в летнее время, когда эти значения максимальны, изменяются в следующих пределах аот до аот адо 11 . Имеются карты c изолиниями среднемесячных значений приведенного коэффициент преломления н ровне моря.

Диэлектрическую проницаемость тропонсферы можно определить, измеряя темперантуру, давление и влажность воздуха при помощи приборов, станавливаемыха на самолетах или шарах-зондах.

3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере

Рефракцией называется искривленние траектории радиоволны при распростнранении ее в неоднородной среде. Явление рефракции в тропосфере объясняется изменнением диэлектрической проницаемости аи соответственно показателя преломления n с высотой.

Радиус кривизны траектории радиоволнны в тропосфере (при пренебрежении кринвизной земной поверхности) может быть определен по формуле:

где Ч аугол падения волны на преломляюнщую границу раздела;

dn/dh - градиент показателя преломления.

Знак минус у градиента показателя преломления означает, что радиус кривизны положителен, траектория волны обращена выпуклостью вверх при меньшении поканзателя преломления с высотой.

учитывая, что n аl, для наиболее интересного случая пологих лучей sin аа1, имеем:

(3.3)

Из (3.3) следует, что радиус кривизнны траектории радиоволны в тропосфере определяется не абсолютным значением конэффициента преломления, скоростью его изменения с высотой

.

При распространении в нормальной тропосфере, характеризующейся постоянством градиента индекса преломления, траекнтории радиоволн, идущих под небольшими глами к земной поверхности, имеют форму дуг окружности с радиусом R = 25 км.

Рефракция, происходящая в нормальнной тропосфере, называется нормальной тропосферной рефракцией.

чет влияния тропосферной рефракции при линейной зависимости показателя N от высоты производится прощенно, с помонщью эквивалентного радиуса Земли Rэ. Предположим, что радиоволны, испытынвающие рефракцию, распространяются не по криволинейным траекториям в неоднонродной среде, как в действительных слонвиях, по прямолинейным траекториям в однородной среде над некоторой воображаемой поверхностью, радиус кривизны которой Rэ не равен радиусу Земли: Rо= 6370 км (рис. 3.1).

Кроме того, предполагается, что в реальном и эквивалентном случаях траектонрии радиоволн проходят на одной и той же высоте над поверхностью при равных раснстояниях от излучателя. Тогда эквивалентнный радиус земного шара определяется вынражением

(3.4)

Для нормальной рефракции dN/dh а-40 1/км и Rэ = 8500 км.

Основныеа случаи применения понятия эквивалентного радиуса Земли следующие.

Расстояние прямой видимости с четом рефракции определяется по формуле

(3.5)

В словиях нормальной рефракции

а

где аЧ вынсота антенны в метрах.

При нормальной рефракции расстояние прямой видимости возрастает н 15%.

Под влиянием различных метеорологинческих условий в тропосфере может возникнуть изменение показателя преломления с высотой, значительно отличающееся от словий, определяющих возникновение норнмальной рефракции. В соответствии с этим рефракция может быть отрицательной, отнсутствовать или быть положительной (рис. 3.2).

При отрицательной рефракции N не уменьшается, как обычно, с высотой, а, наоборот, возрастает, т. е. dN/dh>0. При этом R<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от поверхности Земли.

Если N при изменении высоты остаетнся постоянным, то рефракция отсутствует.

На практике наиболее часто встречаютнся случаи, когда N с высотой меньншается, т. е. dN/dh<0. Траектория радионволны в этом случае обращена выпуклонстью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция поднразделяется н пониженную (радиус кривизны траектории радиоволны больше, чем при нормальной рефракции), норнмальную, повышенную (радиус кривизны траектории радиоволны меньше, чем при нормальной рефракции), критинческую (радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу земного шара) и сверхрефракцию (радиус кривизны траектории радиоволны меньше радиуса земного шара).

Рис. 3.1. К определению эквивалентного радиуса

Земли

Ц траектория волны в реальных словиях; б - распространение радиоволны по прямолинейной траектории вблизи Земли с эквивалентным радиусом Rэ

Рис. 3.2. Виды рефракции радиоволн в тропосфере:

1 Ц отрицательная рефракция; 2 - положительная рефракция; 3 - критическая рефракция; 4 - сверхрефракция

При сверхрефракции радиоволны, изнлученные под небольшими глами возвышенния, испытывают в нижних слоях тропосфенры полное внутреннее отражение и вознвращаются к поверхности Земли. При последовательных отражениях от земной понверхности радиоволны могут распространняться на значительные расстояния за пренделы прямой видимости.

3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере

Длинные, средние и короткие радиоволнны не испытывают поглощения в тропонсфере.

Для волн короче 10 см ослабление рандиочастотной энергии в тропосфере начинает заметно величиваться. Это вызывается поглощением и рассеянием на капельных образованиях или гидрометеораха (главным образом в дожде, тумане; меньше влияют град, снег), также на твердых частицах (пыль, дым и т. д.). Поглощение вызываетнся тепловыми потерями в частицах воды или пыли, потери на рассеяние обусловнлены перераспределением энергии в простнранстве.

Если волна проходит в тропосфере путь r причем на зону осадков приходитнся расстояние а, то напряженность поля з зоной осадков Em oc определяется по формуле:

(3.6)

где Em свЧ напряженность поля в свободнном пространстве на расстоянии r ота излунчателя (1.1);

Гoc - коэффициент ослабления, дБ/м.

Зависимость коэффициента ослабления Гoc от длины волны при распространении сантиметровых иа миллиметровых волн в дожде и тумане представлен н (рис. 3.3).

Сантиметровые радиоволны рассеиваются капельками дождя и тумана, что привондит к появлению отраженных радиолоканционных сигналов. Отраженные сигналы от дождя и туч занимают большую площадь на экранах радиолокационных станций, чем мешают нормальной работе этих станций. Для ослабления отражений от дождя на радиолокационных станциях применяют рандиоволны с круговой поляризацией.

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для дождя и тумана разной интенсивности:

Ц моросящий дождь ( 0,25 мм/ч); б - слабый дождь (1 мм/ч); в - меренный дождь ( 4 мм/ч); г - сильный дождь (15 мм/ч); д - слабый туман с водностью 0,03 г/м³ (видимость около 600 м); е Цсредний туман с водностью 0,3 г/ м³ (видимость около 120 м); ж - сильный туман с водностью 2,32 г/м³ (видимость около 30 м)

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента поглощения в кислороде и водяных парах от длины волны

Радиоволны короче 3 см испытывают также молекулярное поглощение в кислонроде и парах воды, наблюдаемое даже в словиях лчистой атмосферы и вызываенмое затратами энергии на возбуждение атонмов. Коэффициент ослабления аможно определить с помощью графиков на (рис. 3.4), напряженность поля Em н расстоянии арассчитать по формуле:

Наиболее интенсивное поглощение наблюндается н волнаха 0,25; 0,5;а 1,35 смЧэти волны непригодны для работы. Окна пронзрачности атмосферы имеются вблизи волн длиною 0,4 и 0,8 см - эти волны рекомендуются для работы в сантиметровом диапазоне.

3.5. Вопросы для самопроверки

1. Поясните особенности состава и строения тропосферы.

2. Что такое нормальная тропосфера?

3. Кака связан адиэлектрическая проницаемость тропосферы с метеорологическими словиями?

4. Какова природа мелких неоднородностей тропосферы.

5. Как объяснить наличие явления рефракции в тропосфере.

6. Как зависит радиус кривизны траектории волны от диэлектрической проницаемости?

7. Для чего вводится понятие эквивалентного радиуса земли?

8. Какие аусловия необходимы для возникновения сверхрефракции радиоволн?

9. Какие виды рефракции существуют? Поясните особенности каждого из видов.

10. За асчет акаких афакторов апроисходит апоглощениеа радиоволна в тропосфере?

11. Что такое окно прозрачности У атмосферы?

4. ИОНОСФЕРА Иа ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

4.1. Ионизация и рекомбинация газа ва ионосфере

Ионосферой называют область атмосфенры, находящуюся на высоте 6Ч10 км, где газ частично или полностью ионизиронван, т. е. содержит большое число свободнных электронов. Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов опреденляет электрические параметры ионизироваого газа - его диэлектрическую проницаенмость аи проводимость а.

Число электронов, содержащихся в единнице объема воздуха, называется электнронной плотностью (

Электронная и ионная плотности иононсферы непостоянны по высоте, что привондит к преломлению и отражению радионволн в ионосфере.

Объемные неоднородности ионизироваого газа вызывают рассеяние радиоволн. казанные явления определяют словия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, в других должны быть чтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла ненобходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случайнных изменений.

Ионосфера в целом является квазиннейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных занрядов равны. Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо моленкулярных кислорода и азота имеются атонмы этих веществ, причем газы не переменшиваются и располагаются слоями в соотнветствии с их молекулярной массой.

Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая Ч3 К при h = 500

Основным источником ионизации земнной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм - нижний часток льтрафиолетонвого диапазона и мягкие рентгеновские лунчи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц. льтрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях. Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитнных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главнным образом в полярных областях. Считанют, что ионизирующее действие потока часнтиц составляет не более 50% ионизирующенго действия льтрафиолетового излучения Солнца.

Помимо Солнца источником ионизируюнщего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температунрой (около а20

Одновременно с появлением новых электронов в ионосфере часть имеющихся электронов исчезает, присоединяясь к полонжительным и нейтральным молекулам. При этом образуются нейтральные молекулы и отрицательные ионы.

Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных моленкул называется рекомбинацией.

После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону. Поэтому с занходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, в верхнних слоях - сохраняется в течение всей нончи.

4.2. Строение ионосферы

Общая картин распределения элекнтронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 25Ч400 км, имеется основной максимум ионизации. Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, область ионосферы выше основного макнсимума - внешней ионосферой. Наиболее изучена внутренняя ионосфера.
Во внутренней ионосфере существуют ненсколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, словно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E, F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают достанточно высоким постоянством, проявляющимнся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их располонжения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой ренкомбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в тенчение всей ночи.

В области F2 электронная концентранция и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зимннее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области величивается. Суточный ход электронной концентрации области F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в градунсах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения).

Ионосфера неоднородна и в горизоннтальном направлении. Максимальные горинзонтальные градиенты электронной плотнонсти наблюдаются во время захода и восхонда Солнца, но они существенно меньше вернтикальных градиентов.

Наряду с рассмотренными регулярнынми областями ионосферы иногда на высоте 9Ч125 км образуется так называемый спонрадический слой Е (слой ав средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой авозникает в основном в ночное время.

Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосфенры Земли, то от активности Солнца зависит
и процесс ионизации. Замечено, что активнность Солнца изменяется с периодичностью в 11 лет. Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пянтен, которое характеризует площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру. Ва настоящее время разработаны методы прогнозированния числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы. Прогнозирование числ солнечныха пятен важно в связи с тем, что электронная плотнность ионосферы коррелированна со средненмесячными числами солнечных пятен. Максимум электронной концентрации велинчивается в 1,Ч3 раза при переходе от миннимума к максимуму солнечной активности.

Регулярная слоистая структура иононсферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельнонсти Солнца, наблюдающимся особенно часнто в годы максимума солнечной активности. Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной изнвержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации иононсферы. Структура ионосферы нарушается также под действием процессов, происхондящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вулнканов.

Рис. 4.1. Распределение электронной

плотности по высоте атмосферы

Изменение ионизации сопровождается изменением магнитного поля Земли и это явление носит название ионосферно - магнитной бури. Во время ионосферно-магнитной бури понижается элекнтронная плотность в области слоя F. Нанрушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происхондят главным образом в приполярных районах.

Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного льтрафиолетового излучения, вызывающего повышенную ионинзацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких миннут до нескольких часов и происходит тольнко на освещенной сторонеа земного шара.

Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флукнтуации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разрянжения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кронме того, под действием ветров вся неоднонродная структура ионосферы перемещается. Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.

Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотнонстью, отличной от среднего значения элекнтронной плотности на данной высоте иононсферы. Размеры неоднородностей на высонте 6Ч80 км в слое D составляют до ненскольких десятков метров, на высоте слоя E - 20Ч300 м, в слое F размер неоднонродностей достигает нескольких километнров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий постонянного магнитного поля.

Отклонение электронной плотности неноднородностей от среднего значения элекнтронной плотности на данной высоте сонставляет (0,1 - 1) %; скорость хаотического движения Ч2 м/с.

4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного газа (плазмы)

Относительная диэлектрическая пронинцаемость ионизированного газа отличается от единицы из-за того, что под действием электрического поля проходящей волны электроны получают смещение относительнно равновесного положения и газ поляризунется. Помимо электронов в ионосфере сондержатся ионы и нейтральные молекулы, совершающие беспорядочное тепловое двинжение. Сталкиваясь с тяжелыми частицами, электроны передают им энергию, получеую от электромагнитной волны. При столкнновениях эта энергия переходит в энергию теплового движения тяжелых частиц, что и приводита к поглощению радиоволн в ионизированном газе.

Диэлектрическая проницаемость и дельная проводимость аионизированного газ определяются выражениями

где Ч масса электрона (9,109 а10^-31кг); е - заряд электрона (1,6010^-19 Кл); Ч чиснло соударений электрона с тяжелыми часнтицами, происходящее в 1 с, определяемое тепловым движением частиц; Nэ - элекнтронная плотность, см^-3.

Для высоких частот, когда ²>> ², можно пренебречь величиной ² по сравненнию с ². Тогда выражения для аc чётом подстановки в них числовых значений e, можно занписать:

(4.1)

а (4.2)

Используя частоту электромагнитной волны e добно записать в таком виде:

(4.3)

Это основная расчетная формула для опнределения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Оченвидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.

Частота e = 0,

(4.4)

называется собственной частотойа ионизированного газа аили частонтой Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, добным для оценки словий распространения радиоволн.

Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной часнтоты ионизированного газа:

(4.5)

При а< аотносительная диэлектриченская проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент преломнления аявляется мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания не распространяются и быстро затухают.

4.4. Скорость распространения радиоволн в ионизированном

газе (плазме)

Диэлектрическая проницаемость ионинзированного газа меньше единицы и завинсит от частоты колебаний, поэтому и сконрость распространения радиоволн в ионинзированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распростнранения радиоволн зависит от частоты, нанзываются диспергирующими. В диснпергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью. Фазовая сконрость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6). Поэтому для ионизированного газа без чета потерь согласно выражению (4.5)

(4.6)

Фазовая скорость волны в ионизироваом газе больше скорости света в свободнном пространстве. Однако скорость раснпространения сигналов не может быть больнше скорости света в свободном пространнстве. Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью. Гармонические сонставляющие сигнала в диспергирующей сренде распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигннала.

Пода групповой скоростью апонимаюта скорость распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотноншениема для ионизированного газа

(4.7)

В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного ганза (à) групповая скорость уменьшается (à0), фазовая скорость резко возраснтает ().

4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)

Коэффициент затухания радиоволн в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e иза (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 тянжелых частиц. В этом процессе важно соотношение между периодом электромагннитных колебаний (T=1/а)а и средним вренменем между двумя соударениями элекнтрон c молекулами или ионамиа T>аэнергия электромагнитной волны передается от электронна тяжелой частице малыми порциями, при Т<асоударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаяха поглощениеа мало. При Tананступает явление резонанса между частотой колебаний электрон 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 аа10⁷ 1/с и словие авыполняется для волн длиной около 200а м. Поэтому ва диапазоне коротких волн происходит меньшение поглощения с повышением частоты, в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение величивается с повышением частоты.

Рис. 4.2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн в ионизированном газе от частоты при

Nэ а= 10⁵ см^-3а и а= 10^-3

Рис. 4.3. Схема отражения радиоволн от ионосферы

4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Заметная электронная плотность появнляется в атмосфере начиная с высоты принмерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, следовательно, и электринческие свойства ионосферы неоднородны по высоте.

При распространении радиоволны в неноднородной среде ее траектория искривлянется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны можета оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некоторома расстоянии от места излучения, т. е. произойдета отражениеа радиоволны в ионосфере.

Отражение радиоволн, посланных с понверхности Земли на ионосферу, происходит не н границе воздухЧ ионизированный газ, в толще ионизированного газа. Отнражение может произойти только в той обнласти ионосферы, где диэлектрическая пронницаемость бывает с высотой, следовантельно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электроой плотности ионосферного слоя.

словие отражения связывает гол падения волны на нижнюю границу ионосферы ас диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы e_nа на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 4.3):

(4.8)

Здесь и далее N_эа - электронная плотнность, см^-3, частота ав кГц.

Чем больше значение N_э, тем при меньшиха углах авозможно отражение. Угол апри котором в данных условиях еще вознможно отражение, называюта критиченским глом.

Из выражения (4.8) можно определить рабочую частоту апри которой волны отнразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и гле падения:

а (4.9)

Если волна нормально падает на иононсферу, то

(4.10)

При нормальном падении волны отранжение происходит на той высоте, где рабончая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, e=0. При наклонном падении на этой вынсоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закона секанса, заключаюнщийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в sec а

(4.11)

Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется словие отражения.

Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической

частотой

(4.12)

Сферичность Земли ограничивает макнсимальный гол qа(рис. 4.3)

следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотнонсти.

4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа (плазмы)

Ионизированный газ ионосферы нахондится в постоянном магнитном поле, напрянженность которого

В присутствии постоянного магнитного поля изменяются словия движения элекнтронов, вследствие чего изменяются и электрические параметры ионизированного газа.

Диэлектрическая проницаемость ионизированного газ в случае продольного распространения, когда волна распространяетнся в направлении силовых линий постояннонго магнитного поля, без чета потерь (а= 0), определяется формулой

(4.13)

где

Линейно поляризованная волн распадается на две составляющие, поляризованные по кругу и распространяющиеся с разнными скоростями, что характеризуется разнличными знаками в (4.13).

При продольном распространении радиоволн происходит понворот плоскости поляризации - поворот вектора ав плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, на гол

(4.14)

где r - путь, проходимый волной в иононсфере.

Это явление носит название эффекнта Фарадея.

В другома случае поперечного распространения, когда направление раснпространения волны перпендикулярно к нанправлению силовых линии постоянного магннитного поля, волна распадается на обыкновенную и необыкнонвенную составляющие.

Для обыкновенной составляюнщей

и распространение происходит так же, как в отсутствие постоянного магнитного поля.

Для необыкновенной составнляющей

(4.15)

где

После прохождения некоторого расстоняния в ионосфере в присутствии постояого магнитного поля большая ось эллипса поляризации волны поворачивается на гол, определяемый (4.14). Обыкновенная и ненобыкновенная составляющие отражаются на разной высоте в ионосфере. Для отранжения необыкновенной составляющей нужнна меньшая электронная плотность. Критинческая частота необыкновенной составляющей выше, чем обыкновенной

а=а а+ 0,Гц,

что используется ва практике радиосвязи.

Экспериментальное исследование иононсферы ведется преимущественноа с помощью радиометодов, т. е. путем изучения словий прохождения и отражения радиоволн в ионосфере.

4.8. Вопросы для самопроверки

1. кажитеа аисточники ионизации агаза ав ионосфере. Какой аиз источников является основным ?

2. Какой процесс называется рекомбинацией ?

3. Поясните особенности строения ионосферы.

4. Запишите авыражение для определения адиэлектрической проницаемости ионизированного газа, поясните его.

5. Почемуа ан араспространение радиоволн электроны оказывают существенно большее влияние, чем ионы ?

6. Как изменяется апроводимость ионизированного газа, если электронная плотность возрастает вдвое ?

7. Какая ачастота аназывается асобственной частотой аионизированного газа?

8. Возможен ли волновой процесс в среде, где относительная диэлектрическая проницаемость меньше нуля ?

9. Какие среды называются диспергирующими ?

10. Показать, что ионизированный газ является диспергирующей средой.

11. Какой вид имеет график частотной зависимости коэффициента поглощения радиоволн в ионосфере ?

12. кажите аособенности апреломления аи аотражения радиоволн в ионосфере.

13. Волна прошла в ионизированном газе некоторое расстояние в направление силовых линий постоянного магнитного поля. Какие изменения произошли в структуре поля волны ?

14. Какие составляющие электрического поля могут существовать в ионизированном газе, если направление распространения волны нормально к направлению силовых линий постоянного магнитного поля ?

5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

5.1.Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн

К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от

10 до 100 м (а= 30

Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь нензначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного раснпространения радиоволн, до расстояний Ч2 км остается соизмеримой с длинной волны, что способствует хорошему огинбанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные понтери и огибание земной поверхности обунсловили возможность ДВ и СДВ распростнраняться земнойа волной н расстояние до 3а км. При этом для расстояния 50Ч600 км напряженность электрического поля можно определять по (2.15), для больших расстоянийа расчет ведется по законам дифракции.

Начиная с расстояния 30Ч400 км понмимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С величением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны венличивается, и на расстояниях 70Ч1 км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.

На расстоянии свыше 3 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн донстаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, ночью - на нижней границе слоя Е. Пронводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказыванются того же порядка, что и токи смещенния. Следовательно, нижняя область иононсферы для ДВ обладает свойствами полунпроводника.

На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отнражение здесь происходит как на границе раздела воздух - полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизиронванного газа. Этим обусловлено слабое понглощение ДВ и СДВ в ионосфере.

Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 6Ч100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими конценнтрическими сферами, одной из которых явнляется Земля, а другой - ионосфера. слонвия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис. 5.1).

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны Ч волнны, распространяющиеся с наименьшим зантуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 2Ч35 км, критической - волнна длиной 100 км. Подобно законам раснпространения радиоволн в обычных волнонводах, в сферическом ионосферном волнонводе фазовая скорость радиоволн превышанет скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно (^-3. Однако фанзовая скорость изменяется с изменением расстояния от передатчика. Кроме того, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн. Это приводит к ненстабильности фазы волны, главным образом в тренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необнходимо учитывать при работе длинноволнонвых радионавигационных систем. Расчет напряженности электрического поля Еm (мВ/м) для ДВ и СДВ ведется по эмпирической формуле Остина:

где r - расстояние по дуге большого круга Земли, км; q - соответствующий этому раснстоянию центральный гол;- мощность передатчика, кВт; l - длина волны, км.

Рис. 5.1. Распространение ДВ и СДВ в

волноводе Земля - ионосфера

Рис. 5.2. Ближние и дальние замирания на средних волнах:

1 - земная волна; 2 - волна, отразившаяся от ионосферы один раз; а3 - волна, отразившаяся от ионосферы дважды

Формула Остина применима для расстояний до 16 Ч18 км над морем и сушей, принчем в последнем случае начиная с расстоянний Ч3 км.

Длинные и особенно сверхдлинные волнны мало поглощаются при прохождении в толщу суши или моря. Так, волны длиной 2Ч30 км могут проникать в глубину моря н несколько десятков метров (см. табл. 2.1) и, следовательно, могут быть использованы для связи с погруженными подводными лодками, также для подземнной радиосвязи.

Основным преимуществом ДВ является большая устойчивость напряженности элекнтрического поля: сила сигнала мало меняетнся в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Необнходимая для приема напряженность элекнтрического поля может быть достигнута на расстоянии более 20 км, но для этого требуются мощные передатчики и громозднкие антенны.

Недостатком диапазонов ДВ и СДВ явнляется невозможность применения их для передачи высококачественной разговорной речи или музыки и тем более изображений, так как для этого необходима широкая понлоса частот. В настоящее время ДВ и СДВ используются главным образом для теленграфной связи на дальние расстояния, также для навигации и наблюдения за грозами.

В диапазоне ДВ и СДВ наиболее иннтенсивно действуют атмосферные помехи, источником которых являются грозы. Во время грозового разряда возникает мощный импульс тока, носящий апериодический характер или характер затухающих колебанний и имеющий длительность

= 0,1

Радиоволны различной длины, вознинкающие во время грозового разряда, раснпространяются подобно волнам соответнствующих диапазонов. Количественное описание временных и географических изменнений уровня атмосферных помех произвондится статистическими методами, основаыми на результатах обработки данных многолетних измерений. Для каждого сензона года и для шести часовых интервалов времени суток составляют карты с изолиниями медианных значений напряжеости поля атмосферных помех на частоте 1 Гц. Сонставляются также данные о статистическом распределении мгновенных значений напрянженности поля атмосферных помех, по конторым определяется вероятность появления выбросов помех большого ровня.

5.2. Особенности распространения средних волн

К диапазону средних волн (СВ) отнонсят радиоволны l=100

Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний по (2.15), для больших расстояний - по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, понэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равннинной местности а= (0,5 , для холмистой а=(0,15 , для районов вечной мерзлоты .

На большие расстояния СВ распростнраняются только в ночное время путем отнражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточнной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, конторый чрезвычайно сильно поглощает энернгию этих волн. Поэтому при обычно принменяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной.

Поглощение в диапазоне СВ возрастанет с укорочением длины волны и напряжеость электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение величивается в летние месяцы и уменьшается в зимние месяцы. Иононсферные возмущения не влияют на распронстранение СВ, так как слой Е мало наруншается во время ионосферно-магнитных бурь.

Замирания на средних волнах наблюндаются только в ночные часы, когда на ненкотором расстоянии от передатчика возмонжен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В (рис.5.2) причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотнности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряжеости электрического поля во времени, нанзываемому ближнима замиранием. На значительное расстояние от передатчинк (точк С) могута прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженнонсти поля, называемому дальнима замиранием. Скорость замираний невенлика (период замираний составляет 1 - 2а мин).

Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются аннтенны с диаграммами направленности, принжатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замирании удаляется от передатчика, на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

Напряженность поля ионосферной волнны на расстояниях

5.3. Особенности распространения коротких волн

К диапазону коротких поли (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (а= 30

Ионосферной волной KB распространянются на многие тысячи километров. При этом можно применять направленные антеы и передатчики не очень большой мощнонсти. Поэтому KB используются главным обнразом для связи и вещания на большие раснстояния.

Распространение KB ионосферной волнной происходит путем последовательного отнражения от слоя F (иногда слоя E) ионосфенры и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосфенры - слои E и D, в которых претерпевают поглощение (рис.5.3, ). Для осуществленния радиосвязи на KB должны быть выполнены два словия: волны должны отражатьнся от ионосферы и напряженность электронмагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощенние волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два словия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтонбы рабочая частота была не слишком высонкой, электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (4.9). Из этого условия выбирается максимальная применимая чанстота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе словие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис.4.2). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из словия, что при данной мощности передатчик напрянженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы менянется в течение суток и в течение года. Знанчит, изменяются и границы рабочего диапанзона, что приводит к необходимости измененния рабочей длины волны в течение суток: днем работают на волнах 1Ч25 м, ночью на волнах 3Ч100 м. Необходимость пранвильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время сложняет констнрукцию станции и работу оператора.

Зоной молчания KB называют кольценвую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пренделах которой невозможен прием радионволн. Появление зоны молчания объяснянется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка В на рис.5.3, ), а для ионосферных волн, падающих под малыми глами на ионосферу, не выполняются условия отражения (4.9). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при конрочении длины волны и снижении электроой плотности.

Рис. 5.3. Схема распространения КВ на большие расстояния:

Ц интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы: 1 - поверхностная волна; 2 - волна, распространяющаяся путём одного отражения от ионосферы; 3 - волна, распространяющаяся путём двух отражений от ионосферы; 4 - волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой; б - интерференция рассеянных волн; в - интерференция магниторасщеплённых составляющих волн

Рис. 5.4. Дальнее наземное рассеяние коротких волн

Замирания в диапазоне KB более глунбоки, чем в диапазоне СВ. Основной причинной замираний является интерференция лунчей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис.5.3, ). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис.5.3,б), также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляюнщих магниторасщепленной волны (рис.5.3,в). Обработка измерений за короткие интервалы времени (до 5 мин) показала, что функции распределения амплитуд близки к раснпределению Рэлея. В течение больших интервалов времени наблюдений распреденление ближе к логарифмически нормальному. Для борьбы с замираниями применяется приема н разненсенные антенны.

Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффекнтивным является разнесение по поляризанцииЧ прием на две антенны, имеющие взанимно перпендикулярную поляризацию. Иснпользуются также приемные антенны с зкой диаграммой направленности, ориеннтированной на прием только одного из лучей.

При благоприятных словиях распростнранения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называнемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие на линиях меридиональнного направления. Короткие волны при распространении испытывают наземное рассеянние (рис.5.4). Не вся энергия волны, пандающей на неровную земную поверхность (луч 1), отражается зеркально, часть ее рассеивается в разных направлениях (лучи 2, 3, 4, 5). При этом часть энергии, отражанясь от ионосферы, возвращается к месту изнлучения радиоволны (луч 5). Возвратно-рассеянные волны могут быть приняты в пункте излучения, что казывает на возможнность прохождения радиоволн данной частонты по трассе. Это явление, называемое эффектом Кабанова, используется для коррекции рабочих частот: перед началом передачи посылают на выбранной рабочей частоте сигналы с импульсной модуляцией. По времени запаздывания и искажению возвратно-рассеянных импульсов судят о пранвильности выбора рабочей частоты.

Радиосвязь на KB претерпевает наруншения, основной причиной которых являютнся ионосферно-магнитиые бури. При этом слой F разрушается и отражение KB станонвится невозможным. Наиболее часто эти нанрушения наблюдаются в приполярных районнах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений - внезапные поглощения (наблюдаются только на освенщенной части земного шара), которые длятнся от нескольких минут до нескольких чансов. Часто оба вида нарушений связи вознинкают одновременно.

Расчет KB линий связи разбивается на два этапа: определение суточного хода макнсимальных применимых частот (МПЧ) и опнтимальных рабочих частот (ОРЧ); определенние напряженности электрического поля в месте приема или определение суточного ход наименьшиха применимыха частот (НПЧ) [7].

5.4. Особенности распространения льтракоротких волн в приземном пространстве

Общие свойства. К диапазону ультранкоротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм (а= 30 Гц10⁵ Гц). В нижнем пределе частот дианпазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на КВ, как правило, не может быть довлетворено словие отранжения радиоволн от ионосферы (4.8). В верхнем пределе частот КВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапанзон УКВ делится на поддиапазоны метронвых, дециметровых, сантиметровых, миллинметровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основнные положения свойственны всему диапазонну КВ. словия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы.

Из-за малой длины КВ плохо дифрангируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверхнности или других препятствий. Антенны стренмятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, величивается расстояние прямой видимости (см.(2.11),(3.5)) и, во-вторых, меньшается экранирующее влияние местнных предметов, находящихся вблизи антеы. При этом, как правило, выполняется словие, при котором высота расположения антенны много больше длины волны и расчет напряженности поля можно вести по интерференционным формулам (2.12),(2.13). Если это словие не выполняется (переносные или автомобильные станции, работающие на метнровых волнах), расчет ведут по (2.15).

В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный динэлектрик, и проводящие свойства земной понверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью. Поэтому изменение пронводящих свойств почвы (изменение ее влажнности) практически не сказывается на распространении УКВ. Но согласно (2.9) даже небольшие неровности земной поверхнонсти существенно изменяют словия отраженния КВ от поверхности Земли.

Распространение КВ в пределах прямой видимости. Отражение от земной поверхности. При расстояниях, много меньших преденла прямой видимости (3.5), можно не чинтывать влияние сферичности Земли и влиянние рефракции радиоволн в тропосфере. Ханрактерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая стойчинвость и неизменность ровня сигнала во вренмени при стационарных передатчике и принемнике. Расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского (2.14), если выполняются словия применимости этой формулы.

На линии радиосвязи Земля - самолет или при радиолокационном наблюдении санмолета сигнал флуктуирует благодаря изменнению угла наблюдения при движении самонлета и изрезанности диаграммы направлеости системы излучатель - Земля (см.рис.2.8).

При расстояниях, лежащих в пределах 0,2 а<0,8 эквивалентного радиуса Земли (см.(3.4)). При таких расстояниях на распространение КВ влиянют и метеорологические условия. С измененнием коэффициента преломления тропосфенры меняется кривизна траектории волны, причем для прямого и отраженного от земнной поверхности лучей эти изменения могут оказаться различными. В результате изменянется разность фаз между прямым и отранженным лучами, следовательно, меняется и ровень поля радиоволны, происходят занмирания сигнала. Мешающее действие замираний синливается с увеличением расстояния.

Радиолокационные отражения. Отраженния КВ от неровной земной поверхности имеют особое значение в радиолокационной технике. В основном они носят рассеянный характер, причем часть отраженной энергии оказывается направленной к источнику. Танкие отражения чаще всего относятся к меншающим сигналам, которые затрудняют распознавание полезных радиолокационных ценлей. Однако отражения от земной поверхности к источнику используются при провендении наблюдений за поверхностью Земли с воздуха, например при высотометрии.

Случайные значения амплитуды сигнала, излученного движущимся радиолокатонром (например, с самолета) и отраженного земной поверхностью, подчиняются закону Рэлея. Только при отражении от спокойной воды и от ровных частков пустыни присутствует постоянная составляющая и закон распределения амплитуд соответствунет обобщенному закону Рэлея. Корнреляционная функция сигнала описывается экспоненциальным законом, причем масштаб корреляции зависит как от высонты неровностей, так и от скорости движения источника [7].

Распространениеа УВа нада пересеченнойа местностью и ва городах. Обычно вдоль линии связи на КВ именются большие или малые неровности, котонрые влияют на распространение радиоволн. В общем случае честь это влияние не преднставляется возможным. Для расчета напряженности электрического поля в кажндом конкретном случае необходимо постронить профиль трассы и в зависимости от ханрактера этого профиля вести расчет тем или иным методом. Рассмотрим несколько принмеров профилей трасс.

Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами. На (рис.5.5, ), изображена профиль трассы, приа которома передающая антенна расположена на пологом склоне холма. В этом случае к приемной аннтенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луч аи аи а изображен профиль, при котором имеется возвышенность в середине трассы. Ва простейшем случае ва точку В приходит только один луч, отражающийся в точке С. Для расчета такой трассы добно ввести понятие априведенных высот антенна h_1пр и h_2пр и свести задачу к известному случаю распространения радиоволна над фиктивнойа плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения.

Рис. 5.5. Распространение КВ в пересеченной местности:

Ц одна антенна находится на пологом склоне; б - пологая возвышенность в середине трассы

Рис. 5.6. Распространение КВ на трассе с препятствием, открытая и закрытая трассы (а); зависимость множителя

ослабления V от параметра z (б)

Рис. 5.7. Схема трассы с лусиливающим препятствием

Трасса, проходящая над высоким холнмом или горным кряжем. Для приближеого определения напряженности поля на трассе, имеющей высокий холм или горный кряж, можно воспользоваться теорией дифракции электромагнитных волн на непрознрачном клиновидном экране. Если препятстнвие не перекрывает линии прямой видимонсти между антеннами, то трасса называется открытой; когда препятствие поднимается выше линии прямой видимости, трасс называется закрытой (рис.5.6, ).

Если препятствие хотя бы частично перекрывает первую зону Френеля (1.5), интенсивность электромагнитного поля на трассеа изменяется. При применении остронаправленных антенн излученные волны не попадают на ровные частки земной поверхнности и напряженность поля за препятствием определяется формулой E_m = E_{m cв} V, где E_{m cв} находится по (1.1).

Множитель ослабления V зависит от длины волны и лпросвета d, который приннято считать положительныма при закрытой трассе и отрицательным при открытой трассе. На рис.5.6,б изображен зависимость множителя ослабления Vа ота паранметра z :

.

На трассаха УВа протяженностью принмерно 10Ч150 км, проходящих через горнные кряжи высотой Ч2 м, наблюданется явление, называемое силение препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность электромагннитного поля радиоволны при некотором далении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передатнчика на трассе без препятствий. Объяснить силение препятствием можно тем, что верншина горы служит естественным пассивным ретранслятором (рис. 5.7). Поле, возбуждающее вершину горы, складывается из двух волн - прямой АС и отраженной ADC. Волны дифрагируют на острой вершине гонры, как на клиновидном препятствии, и раснпространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ. Следовательно, на частках трассы передатчик - гора и гонра - приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 10Ч150 км, нанмного превышающих предел прямой видинмости, к месту приема доходит только весьнма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и ренфракцией. Расчеты и эксперименты показынвают, что такое препятствие - ретранслянтор может дать силение напряженности электрического поля на 6Ч80 дБ.

Использование явления силения пренпятствием оказывается экономически выгоднным, избавляя от, необходимости станавлинвать высокогорные ретрансляционные станнции.

На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равнинной местности, соорунжают искусственное силивающее препятстнвие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.

Распространение КВ в пределах больншого города. Большой город можно раснсматривать как сильно пересеченную местнность. Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метронвых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в Ч5 раз. Поэтому грубую оценку среднего ровня напряженности поля на этих волнах можно производить по (2.14), вводя ва нее множитель 0,Ч0,4. В сантиметровом диапанзоне волн ослабление еще сильнее.

Если имеется прямая видимость между передающей и приемной антеннами, то расчета можно вести по (2.14), причем высоту расположения антенны следует отсчитывать от среднего ровня крыш.

Внутри помещений структура поля явнляется еще более сложной и практически не поддается расчету. Измерения напряженнонсти поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 1Ч40% напряженности поля над крышей, в первом этаже - Ч 7% этой величины.

Распространение КВ на большие расстояния в словиях сверхрефракции. При расстояниях, превышающих раснстояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко бывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностяха тропосферы.

Резкое величение дальности распронстранения УКВ происходит, когда область сверхрефракцийа занимает знанчительные расстояния над земной поверхнонстью. В этом случае радиоволна распронстраняется путем последовательного чередонвания двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Танкой вид распространения волн получил назнвание атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энернгии волны, которая используется для приема, остальная, преломляясь, ходит через верхнюю стенку волновода (рис. 5.8). Для атмосферного волновода определенной вынсоты по аналогии с металлическим волновондом имеется некоторая критическая длина волны. Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются. Критиченская длина волны l_кр (м), связана с высонтой волновод h_в (м), соотношением

Высота атмосферных волноводов h_в достигает несколько десятков метров, следонвательно, волноводное распространение вознможно только для сантиметровых и децинметровых волн.

В словиях волноводного канала тольнко наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, более крутые лучи просанчиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием КВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже меньшиться по сравнению с словиями нормальной ренфракции.

Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить стойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении КВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, рабонтающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния. Кроме того, появление атмосферного волновода может создавать помехи для ранботы радиолокационных станций обнаруженния самолетов. Например, самолет, находянщийся выше атмосферного волновода, монжет быть не обнаружен из-за того, что рандиоволны отразятся от стенки волновода.

Рассеяние КВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородностиа тропосферы представляют собой области, в которых динэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы нанводятся токи поляризации и создается элекнтрический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некотонрой диаграммой направленности с максимунмом излучения в сторону первоначального движения волны.

Рис. 5.8. Распространение КВ в словиях атмосферного волновода

Рис. 5.9. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние

Поле, созданное вблизи земной поверхнности, есть результат интерференции полей, переизлученных большим числом неоднородностей. Вследствие изменения структуры и местоположения неоднородностей поле ненпрерывно флуктуирует и является случайной функцией времени. Характер распределения мгновенных значений ровня сигнала завинсит от среднего ровня сигнала. Чем ронвень меньше, тем ближе закон распределенния к рэлеевскому. При больших ровнях сигнала мгновенные значения его амплитуды распределены по обобщенному закону Рэлея, что свидетельствует о наличии в месте приема помимо быстро менняющейся компоненты сигнала медленно меняющейся регулярной компоненты, полученной путем отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

Работу линии связи, использующей раснсеяние радиоволн на неоднородностях тронпосферы, можно объяснить следующим. В результате пересечения в пространстве диаграмм направленности передающей и приемной антенн, словно ограниченных прямыми ADЧAС₁ и BDЧBC (рис. 5.9), образуется объем атмосферы CDС₁D₁, называемый рассеивающим объемом. Он и частвует в передаче радиоволн от пункта А к пункту В. Для увеличения нанпряженности электрического поля в месте приема стремятся к меньшению гла межнду направлением первоначального движения волны и направлением в точку приема (угол q на рис. 5.9).

Характерной особенностью рассматринваемых линий связи является их зкополосность. Максимальная ширина полосы частот, которая может быть передана без искаженний, определяется временем запаздывания луча АСВ относительно луча AC1B, т. е. шириной диаграмм направленности антенн. Практически с допустимыми искажениями можно передать полосу частот в Ч2 Гц.

Расчет мощности на входе приемной антенны на линии связи, использующей тронпосферное рассеяние, разработан советскинми чеными под руководством Б. А. Введенского и М. А. Колосова [7].

Для борьбы с замираниями прием производится на разнесенные (две или четыре) антенны. Сигналы, принятые на эти антенны, складываются после детектирования.

Используется также разнесение по частоте, когда одна и та же информация одновременно передается на частоте ₁ аи частоте ₂ = ₁ + D, причем Dа/ а= (2^-3. Замирания на этих двух частотах не коррелированны. Ведут прием либо наиболее сильнного из двух сигналов, либо сигналы скландываются после детектирования.

Рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере. Ионизированные слои характеризуются большой неоднородностью. Наличие местнных объемных неоднородностей ионосферы приводит к рассеянию КВ, которое происнходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы.

Рассеяние радиоволн происходит на вынсоте 7Ч90 км, что ограничивает максинмальную протяженность линии радиосвязи расстоянием в Ч2300 км. Основная часть энергии волны, падающей на ионосфенру, рассеивается в направлении первонанчального движения волны. Чем больше гол, составляемый направлением на приемную антенну с направлением первоначального движения волны, тем меньше ровень мощнности рассеянного сигнала. Поэтому прием возможен только на расстояниях более 80Ч1 км. Напряженность поля рассеяого сигнала бывает с повышением рабончей частоты и применимыми для связи оканзываются волны частотой 3Ч60 Гц. Сигналы при этом виде радиосвязи на метровых волнах подвержены быстрым и глубоким замираниям.

Для борьбы с замираниями применяетнся прием на две антенны.

Большими преимуществами радиосвязи путем ионосферного рассеяния метровых волн по сравнению с линиями связи на KB являются возможность круглосуточной ранботы на одной рабочей частоте и отсутствие нарушений связи. На этих линиях достиганется большая надежность радиотелеграфнной связи в приполярных областях. Однако связь на метровых волнах требует примененния передатчиков мощностью порядка 10 кВт и антенн с коэффициентом силения 2Ч30 дБ.

5.5. Особенности распространения льтракоротких волн в космическом пространстве

Основные типы космических радиолиний. Космические радиолинии решают слендующие основные задачи:

наземная радиосвязи и ретрансляция радиовещательных и телевизионных пронграмм через ретрансляторы, расположенные на искусственных спутниках Земли;

радиосвязь пилотируемых космических кораблей с Землей и между собой;

радионаблюдение за полетом и правнление полетом космических кораблей;

передача с космического корабля радиотелеметрической информации (результатов измерений режима работы аппаратуры, панраметров полета, данных научных наблюндений) ;

изучение космоса, сбор метеорологиченскиха иа геодезических данных.

К космической радиосвязи относится также распространение радиоволн на траснсах Земля - планета, между двумя планетанми, между двумя корреспондентами, нахондящимися на планете.

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) имеют траектории с тремя характерными частками. На начальном, стартовом частнке траектории

спутник с ракетой-носителем при работающих двигателях движется в сравнительно плотных слоях атмосферы. Здесь происходит отделение отработавших ступеней ракеты. На втором частке траектории скорость движения спутника нескольнко превышает первую космическую скорость и движение вокруг Земли происходит по эллиптической орбите в сильно разреженной атмосфере. Третий часток траектории соотнветствует возвращению спутника, вхожденнию его в плотные слои атмосферы. У невозвращаемых спутников третий участок транектории отсутствует.

Особенности радиосвязи на первом и третьем участках траектории обусловлены тем, что вблизи спутника образуется скопнление ионизированного газа большой элекнтронной плотности (на несколько порядков больше электронной плотности ионосферы). Причиной образования ионизации на первом частке траектории является раскаленный отработанный газ двигателя, на третьем частке - атермодинамический нагрев воздунха при движении спутника в плотных слоях атмосферы (на высотах менее 100 км) со сверхзвуковой скоростью.

На первом и на третьем частках транектории расстояния от наземных станций до спутника невелики и распространение рандиоволн осуществляется в пределах прямой видимости.

На втором частке в зависимости от вынсоты нахождения спутника и от длины ранбочей волны радиосвязь возможна как в пределах прямой видимости, так и за ее пределами. На словия распространения радиоволн оказывают влияние тропосфера и ионизированные слои атмосферы Земли.

Космические корабли имеют траектонрию, которая может быть также разбита на три частка, причем словия радиосвязи на первом и третьем частках для спутников и космических кораблей совпадают. На втонром частке траектории скорость корабля превышает вторую космическую скорость, корабль выходит из поля тяготения Земли и движется в межпланетном пространстве. Протяженность радиолинии космический конрабль - Земля может достигать сотен милнлионов километров.

тмосфера Земли и в этом случае оказывает влияние на словия радиосвязи.

Если космический корабль направлен на одну из планет, то при вхождении корабля в атмосферу планеты словия радиосвязи изменяются в зависимости от радиофизиченских свойств атмосферы планеты.

Характеристики межпланетной среды. В межпланетном пространстве электнронная концентрация равна протонной и в целом плазма квазинейтральна. На раснстояниях более 30N_э см^-3 авследствие постоянства потока частиц в единичном телесном гле зависит от расстояния до Солнц r (км) по закону

На расстоянии 15010⁶ км от Солнца, электронная концентрация N_э = 2 - 20 см ^-3. Межпланетная плазм является статистически неоднородной средой со средним размером неоднородностей около 200 км. Помимо этого существуют крупномасштабные неоднородности с размерами (0,1 - 1)10⁶ км. Напряженность постоянного магнитного поля на расстоянии 15010⁶ км от Солнца составляет а= 410^-3 А/м. После солнечных вспышек электронная концентрация и скорость потока плазмы, также напряженность постоянного магнитного поля увеличиваются в несколько раз. Экспериментальное исследование прохождения радиоволн в космическом пространстве от источника, излучающего белый спектр (созвездие Тельца) или монохроматические колебания (передатчики, установленные на космических объектах), показали, что поток энергии КВ в том и другом случае практически не поглощается межпланетной средой. Однако установлено, что межпланетная среда вызываета замирания радиоволн, связанные с движением неоднородностей плазмы.

Так как неоднородности межпланетной среды различны в различных областях межпланетного и околосолнечного пространства, то флуктуации фаз, амплитуд и изменение спектра радиоволны зависят от расположения трассы относительно Солнца.

Особенности Ва радиолинии Земля Ч космос. Потери энергии. Н радиолинии ЗемляЧ космос межпланетная плазм оказывает слабое поглощающее или рассеивающее действие на радиоволны. Определяюнщим является ослабление сигнала из-за большой протяженности трассы и поглощенния в атмосфере Земли.

Диапазон радиочастот, пригодный для радиосвязи с космическим кораблем, огранничен поглощающими и отражающими свойнствами земной атмосферы. Радиоволны длиннее 10 м отражаются от ионосферы и поэтому непригодны для связи с объектами, находящимися за ее пределами. Поглощение радиоволн в ионосфере с повышением рабончей частоты бывает по квадратичному занкону. При прохождении всей толщи иононсферы волнами с частотами выше 100 Гц поглощение не превышает 0,1 дБ. Во время вспышек поглощения потери на волне с частотой 100 Гц возрастают до 1 дБ и словия прохождения метровых волн ухудшаются. Верхняя граница частот, применимых для космической радиосвязи, опренделяется поглощением радиоволн в тропосфере и равна примерно 10 Гц. При расположении наземного корреспонденнта на высоте около 5 км верхняя граница рабочих частот может быть повышена до 40 Гц.

Для радиосвязи с ИСЗ, траектория конторых проходит ниже основного максимума электронной плотности ионосферы - слоя F2, применимы короткие волны. Отражение и поглощение KB в этом случае подчиняется тем же законам, что и на наземных коротконволновых радиолиниях. Резкое величение ровня сигнала, принимаемого со спутника, наблюдается, когда спутник пронходит над пунктом приема и над точкой аннтипода (эффект антипода).

Поворот плоскости поляризации. При распространении радиоволн в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля Земли происходит поворот плоскости полянризации радиоволны.

Максимальное значение гла поворота плоскости поляризации волны а (днем, летом):

где а- рабочая частота, Гц; а- истинный зенитный угол спутник (рис.5.10). Значения yмакс для частота 500 Гц, 1 Гц, 3 Гц, при а= .

Поворот плоскости поляризации в иононсфере проявляется на весьма высоких частонтах и изменяется при движении спутника по небосводу аиз-за изменения гла и флуктуации электронной плотности ионосферы. При приеме на антенну с линейной поляризацией возникают замирания. Для странения замираний применяют передаюнщие и приемные антенны с круговой полянризацией. При этом нужно честь, что тольнко в центральной части диаграммы получанется поле с круговой поляризацией, по краям диаграммы - поле с эллиптической поляризацией. Это вызывает потери из-за несоответствия поляризации, которые сонставляют примерно 0,5 дБ. Если бортовая антенна имеет линейную поляризацию, то возникают потери до 3 дБ [7].

Замирания радиоволн. Рассеяние энернгии радиоволн неоднородностями ионосфенры и интерференция прямых и рассеянных волн приводят к флуктуациям амплитуды радиосигналов, прошедших через ионосфенру. Для обеспечения непрерывного приема такиха сигналова иха рассчитанную интенсивность следует выбрать больше на величинуа падает с частотой.

Разница в значениях принятой и перенданной частот Dаназывается

доплеровским смещением частоты:

Рис. 5.10. Схема радиолинии Земля - космос:

Ц наземная антенна; С - спутник

Например, при , _r=8³ м/c доплеровское смещение часнтоты = 0,02

При прохождении радиоволн, излучеых движущимся источником, через неодннородную среду, акоторой меняется слунчайным образом во времени и пространстве, также меняется случайным образом.
Так, при прохождении радиоволн, излученных с космического корабля, в неоднороднных тропосфере, ионосфере и космическом пространстве изменение аносит статистинческий характер.

Для меньшения вредного влияния смещения несущей частоты при космической радиосвязи в приемниках используют автонматическую подстройку частоты или изменяют частоту передатчика, если заранее известна траектория движения излучателя. Кроме того, под влиянием эффекта Доплера деформируется частотный спектр сигнала из-з того, что каждая составляющая спектра получает свое смещение.

Доплеровский сдвиг частоты использунют как положительное явление, которое позволяет определять скорость движущегонся источника или отражателя, если известны свойства среды. Решают и обратную зандачу: измеряя сдвиг частоты и зная сконрость движения излучателя, определяют электрические параметры среды.

Поправки при определении координат космических объектова радиотехническими методами. Прохождение радиоволн в тропосфере и ионосфере сопровождается рефракцией и изменением фазовой и групповой скоростей распространения волны. Эти факторы являнются причиной ошибок, которые необходинмо учитывать при определении координат космических объектов радиотехническими методами. странение возникающих ошибок производится путем введения соответствуюнщих поправок [7].

5.6. Особенности распространения волн оптического и инфракрасного диапазонов

Общие положения. К оптическому диапазону относятся электромагнитные колебания c длиной волнны 0,3Ч0,75 мкм. К инфракрасному (ИК) диапазону относятся волны длиной 0,7Ч 1 мкм, занимающие промежуточное положение между оптическими и миллиметронвыми волнами. Инфракрасный диапазон денлят на три области: ближнее инфракрасное излучениеЧ от 0,75 до 1,5 мкм, среднее - от 1,5 до 5,6 мкм и дальнее - от 5,6 до 1 мкм. Границы спектров оптических, инфракрасных и миллиметровых радиоволн взаимно перекрываются.

Оптические и ИК волны могут фокунсироваться линзами и зеркалами, менять свое направление при отражении и преломнлении, разлагаться в спектр призмами. ИК волны, подобно радиоволнам, могут прохондить сквозь некоторые материалы, непронзрачные для оптических волн. ИК волны нашли широкое применение в различных отнраслях промышленности.

Главным преимуществом многих ИК систем является то, что можно использонвать излучение от целей, которые или сами являются источниками ИК излучения или отражают излучение естественных ИК иснточников. Такие системы называются паснсивными. Активные ИК системы имеют мощный источник, излучение которого, отнфильтрованное в зком частке спектра, концентрируется с помощью оптической системы и направляется в виде зкого пучка на цель.

ИК системы обладают высокой разреншающейа способностью.

Ослабление оптических и инфракрасных волн в атмосфере. Полное ослабление оптических и ИК волн в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане.

Ослабление в свободной атмосфере складывается из рассеяния света на моленкулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Мощность, которую несут свентовые и инфракрасные волны, прошедшие в атмосфере некоторое расстояние r, вычиснляется аналогично мощности радиоволны:

где Г Ча суммарный коэффициент поглощенния в дБ/км, равный:

Г=Гг+Гп+Гсел+Гт.

Здесь Гг и Гп - коэффициенты ослабнления из-за рассеяния на молекулах газа и пара;а Гсел - коэффициент селективного понглощения; Гт - коэффициент поглощения в тумане.

Коэффициент ослабления из-за рассеянния волн на молекулах газа Гг (дБ/км) при давлении воздуха р (Па), температуре Т (К), и длине волны l (мкм) определяется следующим выражением:

Гг = 25p/Tl⁴.

Этот вид ослабления значительно меньнше проявляется в инфракрасном диапазоне, чем в оптическом.

В свободной от облаков и тумана атнмосфере содержатся частицы примесей - паров воды и пыли, на которых также раснсеиваются оптические и ИК волны. Для характеристики пространственной картины рассеяния света каждой частицей пользунются понятием индикатрисы рассеяния (угнловой функции рассеяния), определяемой кака отношение мощности, рассеянной частицей в данном направлении, к потоку энергии, рассеянному во все стороны (поннятие, аналогичное диаграмме направлеости антенны). Индикатрисы рассеяния определены расчетным путем для сфериченских частиц различного радиуса а, имеющих разные коэффициенты преломления n. Малые частицы с а/l<<1 и n1 имеют инндикатрису, описываемую законом синуса с максимумами в направлении прямого и обнратного движения волны. При n → ∞ малые частицы рассеивают назад больше энергии, чем вперед. По мере роста а/l индикатринса рассеяния прозрачных частиц становится все более вытянутой впереда (эффект Ми).

Размер частиц пыли и пара во много раз превышает длину волны, число частиц не остается постоянным, что затрудняет расчеты коэффициента ослабления. Поэтонму предпочитают пользоваться экспериментальными данными для определения ослабления из-за рассеяния на этих частинцах. Опытным путем найдено, что коэфнфициент ослабления пропорционалена l^-1,75. Потери этого вида имеют наибольшую венличину в городах, на ИК волнах они меньнше, чем на волнах оптического диапазона.

Селективное поглощение особенно ханрактерно для ИК диапазона. На рис. 5.11 представлено распределение энергии в солннечном спектре, измеренном вблизи Земли для диапазона волн 0,Ч2,2 мкм. Если бы не было селективного поглощения, то кринвая имела плавный ход, обозначенный пунктирной линией. В видимой части спектнра на волнах 0,Ч0,75 мкм поглощение нензначительно, при длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Участнки сильного поглощения имеются вблизи волн длиной 0,94; 1,10; 1,38 и 1,87 мкм. Это поглощение обусловлено наличием водяных паров в атмосфере, и прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно занвисит от влажности атмосферы.

Рис. 5.11. Распределение энергии в солнечном спектре вблизи Земли

Рис. 5.12. Спектр излучения чистого неба

Поглощающее действие оказывают гнлекислый газ (на волнах 2,7; 4, 3 и 12а и озона (на волнах 4,7 и 9,6 мкм), но основное поглощающее действие оказынвает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание глекислого газа и озона.

Измерения показали, что сравнительно, хорошей прозрачностью для инфракрасных лучей атмосфера обладает на следующих волнах: 0,9Ч1,05;а 1,Ч1,3;а 1,Ч1,8;а 2, Ч2, 4; 3,Ч4,0; 8, Ч12,0 мкм. В казанных пределах поглощением можно пренебречь, тогда как на промежуточных волнах и волннах длиннее 13,0 мкм происходит практически полное поглощение.

В каплях тумана происходят тепловые потери и рассеяние, как это имеет место в диапазоне миллиметровых и сантиметровых радиоволн. Потери тем больше, чем больше размер капель.

Рефракция оптических и инфракрасных волн в атмосфере. Различают астрономическую рефракцию - преломление лучей, идущих от небесного светила или другого источника, находящегося на небольшой высоте, к нанблюдателю, и земную рефракцию - преломление лучей, идущих от земных объектов.

Оптические и ближние ИК волны рефрагируют меньше, чем радиоволны. Коэффициент преломления тропосферы для ИК и оптических волн записывается в следующем виде (см. 3.1):

где Ч парциальное давление сухого воздуха (Па).

В случае астрономической рефракции, когда луч проходит всю толщу атмосферы, показатель преломления которой возрастает с приближением к поверхности Земли, траектория волны всегда обращена выпуклостью к зениту (положительная рефракция). Как и в случае радиоволн, явление рефракции приводит к ошибке в определении гла места.

Земная рефракция может быть как понложительной, так и отрицательной. В снловиях нормальной рефракции дальность прямой видимости в оптическом и ИК дианпазонах оказывается несколько меньше, чем в радиодиапазоне. Формула (3.5) прининмает следующий вид:

Радиус кривизны траектории оптиченской волны составляет примерно 50 км. В оптическом и ИК диапазонах явление сверхфракции наблюдается реже, чем в рандиодиапазоне. Со сверхрефракцией связано явление миража.

Распространение излучения оптических квантовых генераторов в атмосфере. Когерентность, высокая степень мононхроматичности, большая направленность и мощность излучений оптических квантовых генераторов (ОКГ) вызывают соответстнвующие особенности распространения этих излучений в атмосфере. Ширина спектра многих ОКГ меньше ширины линий селекнтивного поглощения атмосферных газов. Поэтому для количественной оценки понглощения излучения ОКГ необходимо иметь данные о селективном поглощении для фиксированных частот. Получение таких даых затруднено ограниченной разрешающей способностью измерительной аппаратуры. Измерение селективного поглощения в дианпазонеа l = 0,693340,6694 мкм, в который попадает излучение ОКГ на рубине, показанли, что при изменении длины волны менее чем на 10^-4 мкм поглощение изменяется от 0 до 80%.

становлено, что при распространении пространственно ограниченных пучков в атмосфере рассеяние н частицах изменяет распределение мощности по сечению пучка излучения. Это распределение зависит от оптической толщины слоя, геометрии пучка, свойств среды.

Турбулентные неоднородности тропонсферы вызывают серьезное худшение снловий работы ИК радиолиний. Особенно существенно их влияние сказывается на распространении когерентного излучения. Турбулентности тропосферы нарушают станбильность фазового фронта когерентного луча, что приводит к его расширению и отнклонению и вызывает флуктуации амплинтуды.

Флуктуации амплитуды сигнала подчинняются нормально-логарифмическому законну распределения. Флуктуанции глов прихода пучка излучения харакнтеризуются нормальным законом.

Получены некоторые данные, позволяюнщие судить о возможном расширении пучнков излучения ОКГ. При измерениях на расстояниях 15 и 145 км наблюдалось венличение расходимости пучка на 8" и 13" соответственно.

Вследствие этого не представляется возможным создать диаграммы направлеости ИК антенн шириной менее одной гнловой секунды.

Помехи в оптическом и инфракрасном диапазонах волн. Источника аизлучения, не являющийся целью, должен рассматриваться как излучение фона, мешающего работе оптической или ИК системы. Излучение фона проявляется как вредный шум, с которым следует бороться. Качественный вид спектральных характеристик излучения чистого неба днема 1а и ночью 2 представлен на рис.5.12.

Яркость неба зависит от атмосферного давления и зенитного гла, возрастая к гонризонту. Облака создают неравномерность в излучении неба как днем, так и ночью, особенно на волнах короче 3 мкм. Наиболее серьезные помехи создают яркие края обнлаков, которые представляют собой ложные цели в ИК диапазоне.

Земля создает больший фон в ИК обнласти спектра, чем чистое безоблачное ненбо, отражая коротковолновое излучение складывающееся с собственным тепловым излучение при больших длинах волн. Фон, создаваемый Землей, сложняет обнаружение наземных целей.

5.7. Электромагнитная безопасность

Рассмотрим важный вопросе который хотя и не связан непосредственно с распространением радиоволн, но приобрел в наши дни особое значение. Дело в том, что технологическое развитие общества сопровождается непрерывным возрастанием интенсивности электромагнитных полей искусственного происхождения, которые окружанют человека на производстве и в быту. Как следствие, актуальнной становится защита здоровья человека от вредного влияния мощных полей, длительно воздействующих на организм.

помянутая здесь проблема относится к компетенции радиационной биологии, которая среди прочего занимается комплексным изучением влияния электромагнитного поля на живое существо. становлено, что наиболее опасными для человека оказываются ионизирующие излучения, энергия квантов которых достаточна для отрыва электронов от атома. Такими свойствами обладают льтрафиолетовая радиация и все другие более коротковолновые излучения, например электромагнитные волны рентгеновского дианпазона.

Биологический эффект поглощенного ионизирующего излучения выражают в особых единицах - грэях (Гр). Одному грэю соотнветствует поглощение энергии в 1 Дж на 1 кг массы.

Важнейшее средство защиты человека Ч ограничение дозы поглощенного излучения. По нормам, принятым в США, для лиц, подвергающихся облучению на производстве, предельно допустимая годовая доза составляет 50 мГр. Индивидуальная доза для остальнного населения не должна превышать 50 мГр за 30 лет без чета естественного радиационного фона.

На радиочастотах энергия квантов (фотонов) недостаточна для ионизации атомов вещества. Падающее электромагнитное понле переводит атомы или молекулы в возбужденное состояние. Вслед за этим атомы или молекулы возвращаются в исходное сонстояние, излучая новые кванты той же самой частоты. В конечном итоге вся энергия радиоволн, поглощаемая организмом, переходит в теплоту. Этим часто пользуются в медицине для прогревания внутренних органов. Однако длительное воздействие на человека СВЧ-полей с плотностью потока мощности в несколько мВт/априводит к болезненным явлениям, прежде всего к помутнению хрусталика глаза. Не исключается возможность генетических изнменений в организме. Поэтому при эксплуатации соответствующенго оборудования следует неукоснительно соблюдать научно обноснованные нормы радиочастотного облучения персонала [3].

5.8. Вопросы для самопроверки

1. Укажите основные особенности распространения сверхдлинных и длинных волн.

2. Каковы достоинства и недостатки радиосвязи на СДВ и ДВ ?

3. Каковы характеристики сферического волновода Земля-ионосфера ?

4. кажите основные особенности распространения средних волн.

5. Как изменяются словия распространения СВ в течении суток ?

6. Какова природа замираний сигнала на СВ ?

7. Как определяется напряженность электрического поля в диапазоне СВ ?

8. кажите основные особенности распространения коротких волн.

9. Исходя аиз акакого аусловия выбирают амаксимально априменимую частоту ?

10. От каких факторов зависит наименьшая применимая частота?

11. Что такое зона молчания ?

12. Каковы причины замираний КВ ?

13. Какое явление называется эффектом Кабанова ?

14. В каких районах земного шара связь на КВ затруднительна ?

15. В какое время суток можно работать на более высоких частотах в пределах коротковолнового диапазона ?

16. кажите основные особенности распространения льтракоротких волн в приземном пространстве.

17. кажите особенности распространения КВ в пределах прямой видимости.

18. Каким образом влияют отражения от неровной земной поверхности на распространение КВ ?

19. кажите особенности распространения УКВ над пересеченной местностью и в городах.

20. В чем заключается явление, называемое усиление препятствием?

21. кажите особенности распространения УКВ в пределах большого города.

22. кажите особенности распространения УКВ на большие расстояния в словиях сверхрефракции.

23. Поясните процесс рассеяния КВ на неоднородностях тропосферы.

24. К чему приводит рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере?

25. Какие методы приема используются для борьбы с замираниями КВ?

26. кажите основные особенности распространения КВ в космическом пространстве.

27. Приведите основные характеристики межпланетной среды.

28. Поясните особенности КВ радиолиний Земля-космос: потери энергии; поворот плоскости поляризации; замирания.

29. кажите основные особенности распространения волн оптического и ИК диапазонов.

30. В чем заключаются причины ослабления оптических и ИK волн в атмосфере?

31. Каковы особенности рефракции оптических и ИK волн?

32. Каково влияние атмосферы на распространение излучения оптических квантовых генераторов?

33. Что является источником помех в диапазонах оптических и ИK волн?

34. В чем заключается проблема электромагнитной безопасности?

ЛИТЕРАТУРА

1. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 1. Основы электродинамики: Тексты лекций. -а М: МГТУ ГА, 2002. - 80 с.

2. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций.- М: МГТУ ГА, 2005. - 100 с.

3. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов. - М: Высш. шк., 1992. - 416 с.

4. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов. - М: Наука., 1989. - 544 с.

5. Маркова Г.Т., Петрова Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов. - М: Сов. радио, 1979. - 376 с.

6. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. - М: Высш. шк., 1975. - 280 с.

7. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники: Том 1./Под ред. Б.Х. Кривицкого, В.Н. Дулина. - М: 1977. Ц 504 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ Е4

1.1. Формула идеальной радиопередачи. 7

1.2. Область пространства, существенная при распространении радиоволн. Метод зон Френеля. .10

1.3. Вопросы для самопроверки .... 12

2. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОНа..13

2.1. Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности.13

2.2. Отражение плоских радиоволн на границе воздух - гладкая поверхность Земли.17

2.3. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности.19

2.4. Классификация случаев распространения земных радиоволн 22

2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью22

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной

поверхностиа ..25

2.7. Дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности.. 28

2.8 Вопросы для самопроверки 29

3. ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН..30

3.1. Состав и строение тропосферы.. 30

3.2. Диэлектрическая проницаемость и показатель

преломления тропосферы... 31

3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере.. 33

3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере... 37

3.5. Вопросы для самопроверки 39

4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН Е39

4.1. Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере.. 39

4.2. Строение ионосферы.. 41

4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного

газа (плазмы).. 44

4.4. Скорость распространения радиоволн в ионизированном газе (плазме)...46

4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе...47

4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере. 49

4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические

апараметры ионизированного газа... 50

4.8а Вопросы для самопроверки 52

5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ .. 53

5.1. Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн. 53

5.2. Особенности распространения средних волна.. 57

5.3. Особенности распространения коротких волна.58

5.4. Особенности распространения льтракоротких волн в приземном пространстве 62

5.5. Особенности распространения льтракоротких волн в космическом пространстве 71

5.6. Особенности распространения волн оптического и инфракрасного диапазонов... 77

5.7. Электромагнитная безопасность... 83

5.8. Вопросы для самопроверки... 84

ЛИТЕРАТУРА 86