Распростарнение радиоволн

Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов со взаимно не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой — применять широкополосные системы модуляции, например частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала. В практике радиовещания и телевидения сложилась также несколько упрощенная классификация диапазонов радиоволн. Согласно ей, мириаметровые волны называют сверхдлинными волнами (СДВ), километровые — длинными волнами (ДВ); гектометровые — средними волнами (СВ), декаметровые —короткими волнами (КВ), а все более высокочастотные колебания с длинами волн короче 10 м относят к ультракоротким волнам (УКВ). 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена — соединяющей линии.

Промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению. При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо: рассчитать мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий); определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения; определить истинную скорость и направление прихода сигналов; учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению. Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, называют земными радиоволнами (1 на рис.1.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью , равной единице.

Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки. В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до высоты 7-18 км. В области тропосферы температура воздуха с высотой убывает.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн 1, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн 2 возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы.

Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазонов в тропосфере поглощаются.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50—60 км.

Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30—35 км температура постоянна, а 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 60—10 000 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, распространяющиеся путем отражении от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Условия распространения радиоволн 4,5 при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны

Рис. 1.1. Пути распространения радиоволн Рис. 1.2. Диаграммы направленности антенны по мощности: 1 – изотропного излучателя; 2 – направленной антенны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли. 1.1. Формула идеальной радиопередачи Свободное пространство можно рассматривать как однородную непоглощающую среду с =1. В действительности таких сред не существует, однако выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простейшем случае, являются фундаментальными.

Распространение радиоволн в более сложных случаях характеризуется теми же выражениями с внесением в них множителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения. Для проектирования различных радиосистем необходимо определять напряженность электрического поля радиоволны в месте приема или мощность на входе приемного устройства. Для свободного пространства плотность энергии П (Вт/ м 2 ) на расстоянии r (м) от точечного источника, излучающего радиоволны равномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим источником Р изл (Вт) следующей зависимостью: где П – модуль вектора Пойнтинга. На практике антенна излучает энергию по разным направлениям неравномерно. Для учета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного действия 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) излучателем. При использовании направленного излучателя происходит пространственное перераспределение мощности, в результате чего в некоторых направлениях плотность мощности повышается, а в других снижается по сравнению со случаем использования изотропного излучателя.

Применение направленных антенн позволяет получить в D раз большую плотность мощности в точке приема или в D раз снизить мощность передатчика.

Величина D является функцией углов наблюдения: в горизонтальной плоскости и в вертикальной q (рис 1.2). Обычно антенна создает максимальное излучение лишь в некотором направлении ( 0 0 ), для которого D приобретает максимальное значение D макс =D( 0 0 ). Зависимость величин D от углов и называют диаграммой направленности антенны по мощности, а отношение F 2 ( , )= D( )/ D макс - нормированной диаграммой направленности по мощности (рис.1.2). Плотность мощности на расстоянии r от направленной излучающей антенны Амплитуда напряженности электрического поля радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этой волны (через сопротивление свободного пространства Z 0 ) E 2 m c в =2 Z 0 П = 240 p П, откуда определяется амплитудное значение напряженности электрического поля в свободном пространстве Е m c в (В/м) на заданном расстоянии r (м) от излучателя: (1.1) Мощность на входе приемника, согласованного с антенной, находящейся на расстоянии r от излучателя, (1.2) где — эффективная площадь приемной антенны, характеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.

Мощность Р пр.св удобно определять непосредственно через мощность P изл и величину D изл излучающей антенны: (1.3) Это выражение называется формулой идеальной радиопередачи.

Ослабление мощности при распространении радиоволн в свободном пространстве, определяемое как отношение Р пр.св / P изл , называют потерями передачи в свободном пространстве. При ненаправлен ных передающей и приемной антеннах это отношение B 0 (дБ) рассчитывают по формуле: , (1.4) где Р — мощность, Вт; r — расстояние, км; — частота, МГц.

Применение направленных антенн эквивалентно увеличению излучаемой мощности в раз.

Напомним, что поляризация радиоволн определяется ориентировкой вектора напряженности электрического поля радиоволны в пространстве, причем направление вектора определяет направление поляризации [2].В зависимости от изменения направления вектора поляризация может быть линейной, круговой и эллиптической. Вид поляризации радиоволн в свободном пространстве определяется типом излучателя (антенны). Например, антенна-вибратор излучает в свободном пространстве линейно поляризованную волну. Для получения волн с круговой поляризацией достаточно иметь в качестве передающей антенны два линейных вибратора, смещенных в пространстве на 90° один относительно другого и питать их токами равной амплитуды со сдвигом по фазе на 90°. Радиоволны с круговой поляризацией излучают, например, спиральная и турникетная антенны.

Подобный вид поляризации находит широкое применение в телевидении и радиолокации.

Эллиптически поляризованная волна может быть создана, например, с помощью антенн, в виде двух скрещенных вибраторов, плечи которых питают токами с разной амплитудой. Для эффективного приема характер поляризации поля принимаемой волны и поляризационные свойства 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 уменьшается и в указанные формулы вводят поправки.

Например, для наиболее эффективного приема волны с линейной поляризацией вибратор приемной антенны должен быть ориентирован параллельно вектору . Если направление вектора перпендикулярно оси приемного вибратора, то приема не будет. 1.2. Область пространства, существенная при распространении радиоволн. Метод зон Френеля На формирование поля вблизи приемной антенны В (рис. 1.3,а) 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 поверхность находится как огибающая вторичных сферических волн. Поле на некотором расстоянии от излучателя определяется суммарным действием вторичных источников. Основной вклад в эту сумму дают источники, расположенные вблизи прямой А В. Действие вторичных смежных излучателей, расположенных на значительном расстоянии от этой прямой, взаимно компенсируется.

Областью, существенной при распространении радиоволн, называют часть пространства, в котором распространяется основная доля энергии.

Неоднородности среды (например, препятствия на пути волны) влияют на характеристики поля в точке приема, если они охвачены областью, существенной при распространении. Эта область имеет конфигурацию эллипсоида вращения с фокусами в точках А и В (рис.1.3,б). Радиус поперечного сечения эллипсоида на расстоянии от точки A и расстоянии r 0 от точки B определяется равенством: r n+ r n = r 0 + r 0+ n ( l/2 ) и может быть вычислен из уравнения где - целое число.

Кольцевую область, построенную на плоскости S, перпендикулярной линии АВ, с радиусами R n называют зоной Френеля номера n (рис. 1.3, в). Если на пути распространения волны помещен экран с круглым отверстием (плоскость экрана перпендикулярна линии АВ), то при изменении радиуса отверстия (или перемещении экрана вдоль трассы) напряженность поля в точке В будет периодически изменяться (рис.1.4).

Рис. 1.3. К определению зон Френеля а – 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 зоны Френеля и радиусам зон Френеля со следующими нечетными номерами. При большом размере отверстия (больше радиуса шестой зоны Френеля) амплитуда напряженности поля стремится к E m св (рис.1.4), поэтому радиус поперечного сечения области, существенной при распространении, считают равным радиусу зоны Френеля с номерами 6—10. Однако для ориентировочных расчетов часто размер существенной области 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 НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 2.1. Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности Конечные пункты радиолиний в большинстве случаев расположены в непосредственной близости от поверхности Земли.

Присутствие полупроводящей поверхности Земли вызывает поглощение и отражение радиоволн, иногда с изменением поляризации волны.

Количественно эти явления зависят от электрических параметров земной поверхности: диэлектрической проницаемости и проводимости (табл.2.1). Величины и определяются экспериментально по поглощению радиоволн земной поверхностью и отражению от нее и зависят от структуры земной поверхности, ее влажности, слоистости, температуры, а также от рабочей частоты. Из табл.2.1 видно, что с повышением частоты (уменьшением длины волны) морской и пресной воды убывает. Это убывание вызвано тем, что молекулы воды полярны и при повышении частоты не успевают ориентироваться в направлении электрического поля. Почва является сложным диэлектриком, состоящим из твердого компонента — сухого грунта и жидкого компонента — водного раствора солей.

Величины и жидкого компонента существенно больше, чем твердого компонента, и электрические параметры почвы определяются в основном свойствами жидкого компонента.

Условия распространения радиоволн в среде характеризуются тангенсом угла потерь в среде, численно равным отношению плотностей токов проводимости и смещения [1] Если , то в среде преобладает ток смещения и она по своим свойствам приближается к диэлектрику. Если же , то в среде преобладает ток проводимости и ее свойства приближаются к свойствам проводника.

Равенство плотностей токов проводимости и токов смещения наступает при определенной граничной длине волны l гр . Так, для морской воды . Поэтому для радиоволн сантиметрового диапазона морская вода может рассматриваться как диэлектрик. Для влажной почвы . Таблица 2.1 Значения диэлектрической проницаемости и проводимости для наиболее типичных видов земной поверхности

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

Лед ( t = -10° С)	>1,0 0,1 0,03	4-5 3,5 3,2
Снег ( t = -10° С)	>1,0 0,1 0,03	1,2 1,2 1,2	10 -6 10 -5 10 -5
Мерзлая почва (t = -35° С)	>1,0 0,1 0,03	3—7 — —	10 -3 —10 -2 — —
Лес	>10 0,1—5	1,004 1,04—1,4	10 -6 — 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 поверхности имеют свойства, близкие к свойствам идеального диэлектрика. При распространении радиоволн в полупроводящей среде амплитуда поля убывает с расстоянием по экспоненциальному закону, а фаза меняется линейно.

Мгновенное значение напряженности поля волны, распространяющейся в полупроводящей среде в направлении одной из координатных осей, записывется [2] (2.1) где Е m св определяется из (1.1). Величина характеризует потери энергии в среде и называется коэффициентом 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 следующем виде [2]: (2.2) (2.3) Скорость перемещения заданной фазы в направлении распространения волны n ф , называемая фазовой скоростью, связана с величиной : (2.4) Отношение . ( 2.5) называется показателем преломления среды. Длина волны в среде При При Поглощение радиоволн в среде оценивается интегральным коэффициентом Г и выражается в децибелах: Погонное поглощение выражается в децибелах на метр: Расстояния, на которых происходит ослабление Е m в 10 6 раз (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

, МГц		Расстояние, на котором значения Е m ослабляются на 120 дБ, м
Влажная почва	Морская вода
100 1 0,01	3 300 30 0 00	23 70 700	0,37 3,5 35

Следовательно, для осуществления радиосвязи через толщу земной поверхности или моря (например, для связи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии) применимы только длинные и сверхдлинные волны. 2.2. Отражение плоских радиоволн на границе воздух — гладкая поверхность Земли Электромагнитная волна, падая на гладкую границу раздела двух сред (рис.2.1), частично отражается от этой границы (причем угол падения равен углу отражения) и частично проходит в глубь второй среды.

Поэтому в первой среде имеются падающая и отраженная волны, а во второй — преломленная волна. В зависимости от направления вектора относительно поверхности Земли различают два вида поляризации — вертикальную и горизонтальную. При вертикальной поляризации вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения волны, т. е. в плоскости, перпендикулярной к плоскости раздела и проходящей через направление распространения падающей волны (рис.2.1,a). При горизонтальной

Рис. 2.1. К определению коэффициента отражения поляризации вектор напряженности электрического поля параллелен 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, падающих из свободного пространства на полупроводник, значения коэффициентов Г в и Г г рассчитывают по формулам [2]: (2.7) , (2.8) где пад —угол падения волны на границу раздела сред; Ф — его фаза. В некоторых случаях нужно знать напряженность поля или мощность волны, проходящей во вторую среду. Для этого используется понятие коэффициента прохождения F : При вертикальной поляризации при горизонтальной поляризации 2.3. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности Естественные земные покровы редко представляют собой совершенно ровную поверхность.

Наибольшее влияние оказывают неровности при отражении ультракоротких и особенно сантиметровых и миллиметровых радиоволн.

Поэтому на практике важно уметь определить характеристики поля, отраженного от неровных поверхностей. В отличие от гладкой поверхности шероховатая поверхность создает отраженный сигнал не только в направлении угла отражения, равного углу падения, но и в других направлениях, включая и обратное.

Поэтому наличие неровностей приводит к уменьшению эффективного коэффициента отражения в направлении зеркального луча.

Главным фактором в формировании отраженного поля являются фазовые соотношения, определяемые разностью хода волн от источника излучения до элементов поверхности.

Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна, составляющую ортогональной поляризации.

Расчет напряженности поля рассеянных волн ведется в случае крупных неровностей по методу Кирхгофа, а в случае мелких неровностей — по методу возмущений [3-6]. Поверхность можно считать ровной, если максимальная высота неровностей h н (рис.2.2,а) удовлетворяет следующему неравенству, называемому критерием Рэлея: (2.9) На формирование отраженной волны основное влияние оказывает участок поверхности, ограниченный 1-й зоной Френеля. При нормальном падении волны на поверхность 1-я зона Френеля представляет собой окружность радиусом (см. (1.5)), при наклонном — эллипс, большая ось которого вытянута в направлении распространения волны.

Размеры малой и большой полуосей эллипса 1-й зоны Френеля соответственно равны: (2.10) где и — расстояния от концов трассы до точки геометрического отражения; — угол падения волны (рис.2.2,б).

Рис. 2.2. Расстояние радиоволн на неровностях земной поверхности Рис 2.3. Расстояние прямой видимости без учёта и с учётом рефракции 2.4. Классификация случаев распространения земных радиоволн При расчете напряженности поля земных радиоволн атмосферу принимают за среду без потерь с =1, а необходимые поправки, учитывающие влияние атмосферы, вводят дополнительно.

Влияние земной поверхности на условия распространения радиоволн можно свести к двум случаям: первый — излучатель или приемная антенна подняты высоко (в масштабе длины волны) над поверхностью Земли, второй - передающая и приемная антенны находятся в непосредственной близости от Земли. В первом случае, типичном для ультракоротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии по сравнению с расстоянием «прямой видимости» (рис.2.3), вычисляемым по формуле (2.11) где = 6,37 10 6 м — радиус Земли; и — высоты подъема антенн, м. При протяженности радиолинии земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при > 0,8 расчет напряженности поля ведется с учетом дифракции радиоволн. Во втором случае, относящемся главным образом к средним и длинным волнам, при протяженности радиолинии не более: 300-400 км (для , 200-20000 м); 50-100 км (для , 50-200 м); 10 км (для , 10-50 м) земную поверхность считают плоской. На радиолиниях большей протяженности расчет напряженности поля ведется с учетом дифракции. 2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью В этом случае волна достигает земной поверхности на значительном (в масштабе длины волны) расстоянии от излучателя и участок фронта волны вблизи земной поверхности можно считать плоским. На радиолинии малой протяженности o поле в месте приема является результатом интерференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности (рис.2.4), причем напряженность электрического поля отраженной волны определяется при помощи коэффициентов отражения Френеля.

Прямая волна распространяется по пути АВ, отраженная по пути АСВ, а линия АО есть направление максимального излучения передающей антенны.

Результирующее поле определяется интерференционной формулой , (2.12) где определяется из (1.1), Углы 1 и 2 обозначены на рис. 2.4. Корень из трехчлена в этой формуле называют интерференционным множителем.

Коэффициент отражения от земной поверхности Г в.г определяют для соответствующей поляризации по формулам (2.7),(2.8). Для слабо направленных антенн из-за того, что в широком интервале углов D( 2 ) / D( 1 ) (2.13) Присутствие земной поверхности изменяет распределение поля излучателя в вертикальной плоскости.

Диаграмма направленности системы излучатель — Земля изрезана многими лепестками, а диаграмма направленности самого излучателя F( ) представляет огибающую этих лепестков. На рис.2.5 представлены результирующие диаграммы направленности систем вертикальный вибратор — Земля (а) и горизонтальный вибратор — Земля (б), когда излучатель поднят на высоту над почвой, принимаемой за идеальный диэлектрик. Для практически важного случая распространения радиоволн скользящими лучами ( стремится к 90 0 ) формула (2.12) может быть подвергнута дальнейшему упрощению. Учитывая, что при этом |Г в.г | 1, Ф в.г (рис. 2.1), напряженность поля E m (В/м) в зависимости от

Рис. 2.4. Распространение волн при поднятых антеннах Рис. 2.5. Диаграммы направленности антенн, поднятых над поверхностью Земли расстояния r (м), длины волны (м), высоты расположения антенн (м) и мощности Р (Вт) определяют по формуле предложенной Б.А. Введенским: (2.14) Если то расчет по приведенной формуле дает хорошее 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 симметрично основному вибратору относительно поверхности (рис. 2.6). Тогда электрическое поле в дальней зоне непосредственно на поверхности определяется формулой где – действующая длина реального вибратора.

Диаграмма направленности такой антенны имеет максимум излучения вдоль поверхности.

Согласно граничным условиям вектор направлен нормально к поверхности, а следовательно, вектор распространения энергии направлен параллельно поверхности.

Условия, близкие к рассмотренным наблюдаются на практике при распространении длинных волн над морской поверхностью. 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 самом 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 горизонтального вибратора значительно слабее поля вертикального вибратора, поэтому наибольший интерес представляет использование вертикального вибратора. Если поверхность, вблизи которой расположен вертикальный излучатель (рис. 2.6,б), не является идеальным проводником, то часть энергии радиоволн, распространяющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности.

Следовательно, помимо составляющей П 1г , направленной вдоль поверхности, имеется составляющая П 1в , направленная перпендикулярно к земной поверхности, в результате чего суммарный вектор П 1 направлен не параллельно земной поверхности, а следовательно, и вектор напряженности электрического поля направлен к земной поверхности под углом, не равным 90°, и помимо вертикальной составляющей напряженности электрического поля имеется горизонтальная составляющая Е 1 г . На основании приближенных граничных условий Леонтовича — Щукина (устанавливает связь между векторами и электромагнитного поля первой среды на поверхности хорошо проводящей второй среды , где - комплексное волновое сопротивление второй среды) получают соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими комплексных амплитуд напряженности электрического поля вблизи земной поверхности: Составляющие и поля сдвинуты по фазе, вследствие чего оно имеет эллиптическую поляризацию.

Строгие граничные условия дают связь между комплексными амплитудами составляющих поля в воздухе и в земле: Однородная трасса. Для расчета E m 1 в непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, расположенный вблизи полупроводящей поверхности, применяют формулу, выведенную одновременно М.В. Шулейкиным и Б. Ван-дер-Полем:

Рис. 2.6. Структура поля вертикального вибратора, расположенного вблизи поверхности: а – идеально проводящей; б - полупроводящей Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн – схема распространения волны над сферической поверхностью земного шара (2.15) где определяется по (1.1); | W | - множитель ослабления, являющийся функцией параметра , (2.16) Для значений > 25 | W | 1/ . (2.17) Неоднородная трасса.

Напряженность поля над неоднородной трассой, состоящей из двух участков, 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: где и - множители ослабления, вычисленные по (2.16) и (2.17) для трассы протяженностью ( + и и и . При вычислении берутся параметры и при вычислении —параметры и . Береговая рефракция.

Фазовая скорость радиоволны, распространяющейся вблизи земной поверхности, зависит от ее электрических параметров. При переходе радиоволны с моря на сушу (вблизи береговой линии) происходит изменение направления распространения волны, называемое береговой рефракцией. Это создает ошибку в определении направления прихода радиоволн, что существенно для работы радионавигационных систем. 2.7. Дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности Огибание радиоволнами препятствий, встречающихся па пути их распространения, называется дифракцией. Когда протяженность радиолинии и высота расположения антенн таковы, что область, существенная при распространении радиоволн (1-я зона Френеля), частично или полностью перекрывается 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 полностью, называется областью тени. В области тени расчет напряженности поля Е m (мВ/м) ведется по формуле предложенной В.А. Фоком: (2.18) где Е m св определяется по формуле (1.1); G — множитель ослабления, являющийся произведением трех функций, G = U (x)V( U (x) — функция расстояния от передатчика, r (м); V( и приемной

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

Расчет по этим графикам проводится главным образом для диапазона УКВ, где применяют антенны, высоко поднятые над земной поверхностью.

Расчет напряженности поля в диапазонах длинных, средних и даже коротких волн, когда антенны располагают вблизи поверхности Земли, упрощается, поскольку V( 2.8. Вопросы для самопроверки 1. Записать выражение для определения тангенса угла потерь, дать необходимые пояснения. 2. В каком диапазоне радиоволн плотность потоков смещения в земной поверхности преобладает над плотностью токов проводимости ? 3. При каких токах проводимости и смещениях определяется граничная длина волны ? 4. Указать 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 условии шероховатую поверхность можно считать ровной ? 9. Приведите классификацию случаев распространения земных радиоволн и поясните ее. 10. Запишите интерференционную формулу и назовите условия ее применимости. 11. Запишите формулу Введенского. При каких условиях 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. Укажите 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 НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 3.1.Состав и строение тропосферы Тропосфера — это ближайший к земной поверхности слой атмосферы, простирающийся до высоты 8—10 км в полярных широтах и до 16—18 км в тропиках. В тропосфере содержится до 4/5 массы газов, составляющих атмосферу, и почти все количество водяных паров. В электрическом отношении тропосфера представляет собой весьма неоднородную среду, вследствие чего в ней происходит искривление траекторий радиоволн, а следовательно, изменение направления прихода волны и напряженности поля на данном расстоянии. Чтобы учесть влияние тропосферы на распространение радиоволн, необходимо знать закономерности изменения и Нормальной тропосферой называют такую гипотетическую тропосферу, свойства которой отображают среднее состояние реальной тропосферы.

Нормальную тропосферу характеризуют следующими свойствами: давлением у поверхности Земли (р = 0,1013 МПа), температурой ( T = 288 К) и относительной влажностью ( S = 60%). С увеличением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 1,2 кПа, температура — на 0,55 К. Границей нормальной тропосферы считают высоту 11 км. 3.2 Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления тропосферы Относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы (воздуха) только приближенно может считаться равной единице. В действительности значение несколько больше единицы и зависит от давления р (Па) температуры Т (К) и абсолютной влажности воздуха е (Па) (3.1) Второе слагаемое в (3.1) выражает изменение из-за смещения электрических зарядов в неполярных молекулах газов, входящих в состав воздуха, под влиянием внешнего поля и ориентации полярных молекул водяного пара.

Коэффициент преломления тропосферы и связан с величиной тропосферы выражением (3.2) У поверхности Земли значение n в зависимости от климатических условий равно 1,00026—1,00046. Для расчетов удобнее пользоваться величиной, называемой приведенным показателем преломления тропосферы, N=(n—l) 10 6 , для Земли N = 260 460. Для нормальной тропосферы изменение с высотой над земной поверхностью h (м) подчиняется экспоненциальному закону , где = 5,78 — отклонение от единицы у земной поверхности; — вертикальный градиент при h = 0. Экспоненциальная зависимость от высоты наблюдается при усреднении значительного числа наблюдений, тогда как единичные конкретные кривые в той или иной мере отклоняются от этого закона.

Особенно велики отклонения в летний период на высотах до 2—3 км, где наблюдаются интенсивные облачные слои, частые инверсии температуры и влажности.

Практически всегда возникают сравнительно небольшие флуктуации относительно экспоненциальной зависимости, вызванные турбулентным движением воздуха. Эти флуктуации рассматриваются как неоднородности тропосферы.

Размеры мелких неоднородностей определяются несколькими метрами или несколькими десятками метров, а отклонение от среднего значения N составляет D N = l N претерпевают сезонные и суточные изменения, причем эти изменения максимальны у земной поверхности и падают почти до нуля на высотах 7— 8 км.

Максимальные значения N у земной поверхности наблюдаются в июле, минимальные — в январе.

Сезонному ходу приземных значений N сопутствуют соответствующие изменения g. Значения градиентов g и их изменения особенно велики в приземном слое и уменьшаются с высотой.

Значения и g зависят от географического положения трассы и меняются вдоль самой трассы. В приземном слое воздуха для упрощения расчетов возможно аппроксимировать экспоненциальный закон изменения с высотой —-линейным

.

Вводится эффективный вертикальный градиент диэлектрической проницаемости тропосферы , при котором напряженность поля в точке приема будет такой же, как и в случае реального изменения на трассе.

Среднее значение градиента получают в результате статистической обработки большого числа измерений.

Значения подчиняются нормальному закону распределения со среднеквадратичным отклонением . Средние значения 1/м) для различных климатических районов в летнее время, когда эти значения максимальны, изменяются в следующих пределах от до от до 11 . Имеются карты с изолиниями среднемесячных значений приведенного коэффициента преломления на уровне моря.

Диэлектрическую проницаемость тропосферы можно определить, измеряя температуру, давление и влажность воздуха при помощи приборов, устанавливаемых на самолетах или шарах-зондах. 3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере Рефракцией называется искривление траектории радиоволны при распространении ее в неоднородной среде.

Явление рефракции в тропосфере объясняется изменением диэлектрической проницаемости и соответственно показателя преломления n с высотой.

Радиус кривизны траектории радиоволны в тропосфере (при пренебрежении кривизной земной поверхности) может быть определен по формуле: где — угол падения волны на преломляющую границу раздела; dn/dh - градиент показателя преломления. Знак минус у градиента показателя преломления означает, что радиус кривизны положителен, а траектория волны обращена выпуклостью вверх при уменьшении показателя преломления с высотой.

Учитывая, что n l, а для наиболее интересного случая пологих лучей sin 1, имеем: (3.3) Из (3.3) следует, что радиус кривизны траектории радиоволны в тропосфере определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а скоростью его изменения с высотой . При распространении в нормальной тропосфере, характеризующейся постоянством градиента индекса преломления, траектории радиоволн, идущих под небольшими углами к земной поверхности, имеют форму дуг окружности с радиусом R = 25 000 км.

Рефракция, происходящая в нормальной тропосфере, называется нормальной тропосферной рефракцией. Учет влияния тропосферной рефракции при линейной зависимости показателя N от высоты производится упрощенно, с помощью эквивалентного радиуса Земли Rэ.

Предположим, что радиоволны, испытывающие рефракцию, распространяются не по криволинейным траекториям в неоднородной среде, как в действительных условиях, а по прямолинейным траекториям в однородной среде над некоторой воображаемой поверхностью, радиус кривизны которой Rэ не равен радиусу Земли: R о= 6370 км (рис. 3.1). Кроме того, предполагается, что в реальном и эквивалентном случаях траектории радиоволн проходят на одной и той же высоте над поверхностью при равных расстояниях от излучателя. Тогда эквивалентный радиус земного шара определяется выражением (3.4) Для нормальной рефракции dN / dh -40 1/км и R э = 8500 км.

Основные случаи применения понятия эквивалентного радиуса Земли следующие.

Расстояние прямой видимости с учетом рефракции определяется по формуле (3.5) В условиях нормальной рефракции где — высота антенны в метрах. При нормальной рефракции расстояние прямой видимости возрастает на 15%. Под влиянием различных метеорологических условий в тропосфере может возникнуть изменение показателя преломления с высотой, значительно отличающееся от условий, определяющих возникновение нормальной рефракции. В соответствии с этим рефракция может быть отрицательной, отсутствовать 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 Если N при изменении высоты остается постоянным, то рефракция отсутствует. На практике наиболее часто встречаются случаи, когда N с высотой уменьшается, т. е. dN/dh пониженную (радиус кривизны траектории радиоволны больше, чем при нормальной рефракции), нормальную, повышенную (радиус кривизны траектории радиоволны меньше, чем при нормальной рефракции), критическую (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 а – траектория волны в реальных условиях; б – распространение радиоволны по прямолинейной траектории вблизи Земли с эквивалентным радиусом R э Рис. 3.2. Виды рефракции радиоволн в тропосфере: 1 – отрицательная рефракция; 2 – положительная рефракция; 3 – критическая рефракция; 4 - сверхрефракция При сверхрефракции радиоволны, излученные под небольшими углами возвышения, испытывают в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение и возвращаются к поверхности Земли. При последовательных отражениях от земной поверхности радиоволны могут распространяться на значительные расстояния за пределы «прямой видимости». 3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере Длинные, средние и короткие радиоволны не испытывают поглощения в тропосфере. Для волн короче 10 см ослабление радиочастотной энергии в тропосфере начинает заметно увеличиваться. Это вызывается поглощением и рассеянием на капельных образованиях или гидрометеорах (главным образом в дожде, тумане; меньше влияют град, снег), а также на твердых частицах (пыль, дым и т. д.). Поглощение вызывается тепловыми потерями в частицах воды или пыли, а потери на рассеяние обусловлены перераспределением энергии в пространстве. Если волна проходит в тропосфере путь r причем на зону осадков приходится расстояние , то напряженность поля за зоной осадков E m oc определяется по формуле: (3.6) где E m св — напряженность поля в свободном пространстве на расстоянии r от излучателя (1.1); Г oc - коэффициент ослабления, дБ/м.

Зависимость коэффициента ослабления Г oc от длины волны при распространении сантиметровых и миллиметровых волн в дожде и тумане представлена на (рис. 3.3). Сантиметровые радиоволны рассеиваются капельками дождя и тумана, что приводит к появлению отраженных радиолокационных 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 радиоволны с круговой поляризацией.

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для дождя и тумана разной интенсивности: а – моросящий дождь ( 0,25 мм/ч); б – слабый дождь (1 мм/ч); в – умеренный дождь ( 4 мм/ч); г – сильный дождь (15 мм/ч); д – слабый туман с водностью 0,03 г/м 3 (видимость около 600 м); е –средний туман с водностью 0,3 г/ м 3 (видимость около 120 м); ж – сильный туман с водностью 2,32 г/м 3 (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 кислороде и парах воды, наблюдаемое даже в условиях «чистой» атмосферы и вызываемое затратами энергии на возбуждение атомов.

Коэффициент ослабления можно определить с помощью графиков на (рис. 3.4), а напряженность поля E m на расстоянии рассчитать по формуле: Наиболее интенсивное поглощение наблюдается на волнах 0,25; 0,5; 1,35 см—эти волны непригодны для работы. «Окна прозрачности» 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. Как связана диэлектрическая проницаемость тропосферы с метеорологическими условиями? 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 условия необходимы для возникновения сверхрефракции радиоволн? 9. Какие виды рефракции существуют? Поясните особенности каждого из видов. 10. За счет каких факторов происходит поглощение радиоволн в тропосфере? 11. Что такое “окно прозрачности “ атмосферы? 4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 4.1. Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере Ионосферой называют область атмосферы, находящуюся на высоте 60—10 000 км, где газ частично или полностью ионизирован, т. е. содержит большое число свободных электронов.

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость и проводимость . Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью ( Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн.

Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний. В связи с этим возникла необходимость изучения строения ионосферы и свойственных ей регулярных и случайных изменений.

Ионосфера в целом является квазинейтральной, т. е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.

Состав газа в этой области атмосферы отличается от состава газа вблизи поверхности Земли: помимо молекулярных кислорода и азота имеются атомы этих веществ, причем газы не перемешиваются и располагаются слоями в соответствии с их молекулярной массой.

Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h = 500 Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц.

Ультрафиолетовые 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 магнитных силовых линий к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях. Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.

Помимо Солнца источником ионизирующего излучения являются звезды, особенно те, которые обладают высокой температурой (около 20 000°С) и создают интенсивное ультрафиолетовое излучение. Но из-за большой удаленности звезд ионизирующее действие их излучения составляет примерно 0,001 часть ионизирующего действия Солнца.

Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с. Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию: за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяется и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд. Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью.

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

Процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральных молекул называется рекомбинацией. После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону.

Поэтому с заходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи. 4.2. Строение ионосферы Общая картина распределения электронной плотности по высоте h над земной поверхностью изображена на (рис. 4.1). На высоте 250—400 км, имеется основной максимум ионизации.

Область ионосферы ниже основного максимума ионизации принято называть внутренней ионосферой, а область ионосферы выше основного максимума — внешней ионосферой.

Наиболее изучена внутренняя ионосфера. Во внутренней ионосфере существуют несколько неярко выраженных максимумов концентрации электронов, условно называемых слоями (областями), которые принято обозначать символами D, E , F1 и F2. Области ионосферы D, Е и F1 обладают достаточно высоким постоянством, проявляющимся в том, что суточный ход изменения электронной концентрации и высота их расположения сохраняются почти неизменными. С наступлением темноты из-за быстрой рекомбинации исчезают области D и F1. В то же время электронная концентрация области Е сохраняет постоянное значение в течение всей ночи. В области F2 электронная концентрация и высота расположения максимума значительно изменяются день ото дня. При этом ионизация различна в летнее и зимнее время. Зимой (в северном полушарии) электронная концентрация в этой области увеличивается.

Суточный ход электронной концентрации области F2 зависит также от геомагнитной широты (расстояния в градусах дуги от магнитного экватора Земли до точки наблюдения). Ионосфера неоднородна и в горизонтальном направлении.

Максимальные горизонтальные градиенты электронной плотности наблюдаются во время захода и восхода Солнца, но они существенно меньше вертикальных градиентов.

Наряду с рассмотренными регулярными областями ионосферы иногда на высоте 95—125 км образуется так называемый спорадический слой Е (слой в средних широтах чаще образуется днем в летние месяцы. В полярных же районах слой возникает в основном в ночное время.

Поскольку солнечное излучение является основным источником ионизации атмосферы Земли, то от активности Солнца зависит и процесс ионизации.

Замечено, что активность Солнца изменяется с периодичностью в 11 лет.

Критерием солнечной активности служит относительное число солнечных пятен, которое характеризует площадь поверхности Солнца, имеющую наиболее высокую температуру. В настоящее время разработаны методы прогнозирования числа солнечных пятен на много лет вперед и более точно на ближайшие годы.

Прогнозирование числа солнечных пятен важно в связи с тем, что электронная плотность ионосферы коррелированна со среднемесячными числами солнечных пятен.

Максимум электронной концентрации увеличивается в 1,4—3 раза при переходе от минимума к максимуму солнечной активности.

Регулярная слоистая структура ионосферы временами нарушается, причем эти нарушения вызваны изменением деятельности Солнца, наблюдающимся особенно часто в годы максимума солнечной активности.

Происходящие на Солнце время от времени вспышки являются причиной извержения потоков заряженных частиц, попадающих в атмосферу Земли и нарушающих нормальный режим ионизации ионосферы.

Структура ионосферы нарушается также под действием процессов, происходящих в коре Земли и нижних слоях атмосферы, например во время извержения вулканов.

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 электронная плотность в области слоя F. Нарушения этого вида могут длиться от нескольких часов до двух суток и происходят главным образом в приполярных районах.

Временами на Солнце происходят вспышки интенсивного ультрафиолетового излучения, вызывающего повышенную ионизацию нижней ионосферы в слое D. Это явление может длиться от нескольких минут до нескольких часов и происходит только на освещенной стороне земного шара.

Исследования показали, что помимо регулярных и нерегулярных изменений средних величин электронной плотности в ионосфере происходят непрерывные флуктуации электронной плотности. В ионосфере непрерывно происходят сгущения и разряжения плотности ионизации, нерегулярные как во времени так и от точки к точке. Кроме того, под действием ветров вся неоднородная структура ионосферы перемещается.

Причинами образования неоднородностей в ионосфере являются турбулентное движение воздуха и неоднородность ионизации.

Неоднородности представляют собой некоторые области с электронной плотностью, отличной от среднего значения электронной плотности на данной высоте ионосферы.

Размеры неоднородностей на высоте 60—80 км в слое D составляют до нескольких десятков метров, на высоте слоя E - 200—300 м, а в слое F размер неоднородностей достигает нескольких километров, причем они имеют продолговатую форму и вытянуты вдоль силовых линий постоянного магнитного поля.

Отклонение электронной плотности неоднородностей от среднего значения электронной плотности на данной высоте составляет (0,1 — 1) %; скорость хаотического движения 1—2 м/с. 4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного газа (плазмы) Относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа отличается от единицы из-за того, что под действием электрического поля проходящей волны электроны получают смещение относительно равновесного положения и газ поляризуется.

Помимо электронов в ионосфере содержатся ионы и нейтральные молекулы, совершающие беспорядочное тепловое движение.

Сталкиваясь с тяжелыми частицами, электроны передают им энергию, полученную от электромагнитной волны. При столкновениях эта энергия переходит в энергию теплового движения тяжелых частиц, что и приводит к поглощению радиоволн в ионизированном газе.

Диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ионизированного газа определяются выражениями где — масса электрона (9,109 10 -31 кг); е — заряд электрона (1,60 10 -19 Кл); — число соударений электрона с тяжелыми частицами, происходящее в 1 с, определяемое тепловым движением частиц; N э — электронная плотность, см -3 . Для высоких частот, когда 2 >> 2 , можно пренебречь величиной 2 по сравнению с 2 . Тогда выражения для c учётом подстановки в них числовых значений e , можно записать: (4.1) (4.2) Используя частоту электромагнитной волны e удобно записать в таком виде: (4.3) Это основная расчетная формула для определения относительной диэлектрической проницаемости ионизированного газа. Очевидно, что при значительной электронной плотности диэлектрическая проницаемость газа может оказаться равной нулю.

Частота e = 0, (4.4) называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, удобным для оценки условий распространения радиоволн.

Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной частоты ионизированного газа: (4.5) При относительная диэлектрическая проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент преломления является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания не распространяются и быстро затухают. 4.4. Скорость распространения радиоволн в ионизированном газе (плазме) Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы и зависит от частоты колебаний, поэтому и скорость распространения радиоволн в ионизированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты, называются диспергирующими. В диспергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью.

Фазовая скорость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6). Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.5) (4.6) Фазовая скорость волны в ионизированном газе больше скорости света в свободном пространстве.

Однако скорость распространения сигналов не может быть больше скорости света в свободном пространстве.

Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью.

Гармонические составляющие сигнала в диспергирующей среде распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала. Под групповой скоростью понимают скорость распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотношением для ионизированного газа (4.7) В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного газа ( ) групповая скорость уменьшается ( 0), а фазовая скорость резко возрастает ( ). 4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме) Коэффициент затухания радиоволн в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из (4.1) и g из (4.2). Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и ионами и переходом электромагнитной энергии в тепловую энергию движения тяжелых частиц. В этом процессе важно соотношение между периодом электромагнитных колебаний ( T =1/ ) и средним временем между двумя соударениями электрона с молекулами или ионами T > энергия электромагнитной волны передается от электрона тяжелой частице малыми порциями, при Т соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях поглощение мало. При T наступает явление резонанса между частотой колебаний электрона под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц, причем поглощение существенно возрастает.

Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей максимум в области частоты 10 7 1/с и условие выполняется для волн длиной около 200 м.

Поэтому в диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.

Рис. 4.2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн в ионизированном газе от частоты при N э = 10 5 см -3 и = 10 -3 Рис. 4.3. Схема отражения радиоволн от ионосферы 4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте. При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.

Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух— ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой, а следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы e n на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 4.3): (4.8) Здесь и далее N э — электронная плотность, см -3 , а частота в кГц. Чем больше значение N э , тем при меньших углах возможно отражение. Угол при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом. Из выражения (4.8) можно определить рабочую частоту при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения: (4.9) Если волна нормально падает на ионосферу, то (4.10) При нормальном падении волны отражение происходит на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, e =0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой.

Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в sec (4.11) Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.

Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой (4.12) Сферичность Земли ограничивает максимальный угол q (рис. 4.3) а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности. 4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа (плазмы) Ионизированный газ ионосферы находится в постоянном магнитном поле, напряженность которого В присутствии постоянного магнитного поля изменяются условия движения электронов, вследствие чего изменяются и электрические параметры ионизированного газа.

Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа в случае продольного распространения, когда волна распространяется в направлении силовых линий постоянного магнитного поля, без учета потерь ( = 0), определяется формулой (4.13) где Линейно поляризованная волна распадается на две составляющие, поляризованные по кругу и распространяющиеся с разными скоростями, что характеризуется различными знаками в (4.13). При продольном распространении радиоволн происходит поворот плоскости поляризации — поворот вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, на угол (4.14) где r — путь, проходимый волной в ионосфере. Это явление носит название эффекта Фарадея. В другом случае поперечного распространения, когда направление распространения волны перпендикулярно к направлению силовых линии постоянного магнитного поля, волна распадается на обыкновенную и необыкновенную составляющие. Для обыкновенной составляющей и распространение происходит так же, как в отсутствие постоянного магнитного поля. Для необыкновенной составляющей (4.15) где После прохождения некоторого расстояния в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля большая ось эллипса поляризации волны поворачивается на угол, определяемый (4.14). Обыкновенная и необыкновенная составляющие отражаются на разной высоте в ионосфере. Для отражения необыкновенной составляющей нужна меньшая электронная плотность. Критическая частота необыкновенной составляющей выше, чем обыкновенной = + 0,7МГц, что используется в практике радиосвязи.

Экспериментальное исследование ионосферы ведется преимущественно с помощью радиометодов, т. е. путем изучения условий прохождения и отражения радиоволн в ионосфере. 4.8. Вопросы для самопроверки 1. Укажите источники ионизации газа в ионосфере. Какой из источников является основным ? 2. Какой процесс называется рекомбинацией ? 3. Поясните особенности строения ионосферы. 4. Запишите выражение для определения диэлектрической проницаемости ионизированного газа, поясните его. 5. Почему на распространение радиоволн электроны оказывают существенно большее влияние, чем ионы ? 6. Как изменяется проводимость ионизированного газа, если электронная плотность возрастает вдвое ? 7. Какая частота называется собственной частотой ионизированного 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. Укажите особенности преломления и отражения 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 10 000 до 100 000 м ( = 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 незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли.

Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции.

Незначительные потери и огибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км. При этом для расстояния 500—600 км напряженность электрического поля можно определять по (2.15), а для больших расстояний расчет ведется по законам дифракции.

Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными.

Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля. На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью — на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения.

Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника. На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны.

Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.

Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис. 5.1). Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25—35 км, а критической — волна длиной 100 км.

Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно ( -3 . Однако фазовая 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 нестабильности фазы волны, главным образом в утренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необходимо учитывать при работе длинноволновых радионавигационных систем.

Расчет напряженности электрического поля Е m (мВ/м) для ДВ и СДВ ведется по эмпирической формуле Остина: где r — расстояние по дуге большого круга Земли, км; q — соответствующий этому расстоянию центральный угол; Р — 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; 3 – волна, отразившаяся от ионосферы дважды Формула Остина применима для расстояний до 16 000—18 000 км над морем и сушей, причем в последнем случае начиная с расстояний 2000—3000 км.

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толщу суши или моря. Так, волны длиной 20—30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров (см. табл. 2.1) и, следовательно, могут быть использованы для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

Основным преимуществом ДВ является большая устойчивость напряженности электрического поля: сила сигнала мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Необходимая для приема напряженность электрического поля может быть достигнута на расстоянии более 20 000 км, но для этого требуются мощные передатчики и громоздкие антенны.

Недостатком диапазонов ДВ и СДВ является невозможность применения их для передачи высококачественной разговорной речи или музыки и тем более изображений, так как для этого необходима широкая полоса частот. В настоящее время ДВ и СДВ используются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния, а также для навигации и наблюдения за грозами. В диапазоне ДВ и СДВ наиболее интенсивно действуют атмосферные помехи, источником которых являются грозы. Во время грозового разряда возникает мощный импульс тока, носящий апериодический характер или характер затухающих колебаний и имеющий длительность = 0,1 Радиоволны различной длины, возникающие во время грозового разряда, распространяются подобно волнам соответствующих диапазонов.

Количественное описание временных и географических изменений уровня атмосферных помех производится статистическими методами, основанными на результатах обработки данных многолетних измерений. Для каждого сезона года и для шести часовых интервалов времени суток составляют карты с изолиниями медианных значений напряженности поля атмосферных помех на частоте 1 МГц. Составляются также данные о статистическом распределении мгновенных значений напряженности поля атмосферных помех, по которым определяется вероятность появления выбросов помех большого уровня. 5.2. Особенности распространения средних волн К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны l =100 Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний по (2.15), а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км.

Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы.

Приближенно для равнинной местности = (0,5 , для холмистой =(0,15 , для районов вечной мерзлоты . На большие расстояния СВ распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн.

Поэтому при обычно применяемых 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 возрастает с укорочением длины волны и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах.

Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние месяцы. Ионосферные возмущения не влияют на распространение СВ, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

Замирания на средних волнах наблюдаются только в ночные часы, когда на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В (рис.5.2) причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы.

Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля во времени, называемому ближним замиранием. На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы.

Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности поля, называемому дальним замиранием.

Скорость замираний невелика (период замираний составляет 1 — 2 мин). Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замирании удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

Напряженность поля ионосферной волны на расстояниях 5.3. Особенности распространения коротких волн К диапазону коротких поли (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м ( = 30 Ионосферной волной KB распространяются на многие тысячи километров. При этом можно применять направленные антенны и передатчики не очень большой мощности.

Поэтому KB используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя E ) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои E и D, в которых претерпевают поглощение (рис.5.3,а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот. Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (4.9). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе условие 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 условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток: днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора. Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн.

Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка В на рис.5.3,а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (4.9). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.

Рис. 5.3. Схема распространения КВ на большие расстояния: а– 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 глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис.5.3,а). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис.5.3,б), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис.5.3,в). Обработка измерений за короткие интервалы времени (до 5 мин) показала, что функции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея. В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному. Для борьбы с замираниями применяется прием на разнесенные антенны.

Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации— прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей. При благоприятных условиях распространения 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 называемый радиоэхо.

Радиоэхо оказывает мешающее действие на линиях меридионального направления.

Короткие волны при распространении испытывают наземное рассеяние (рис.5.4). Не вся энергия волны, падающей на неровную земную поверхность (луч 1), отражается зеркально, часть ее рассеивается в разных направлениях (лучи 2, 3, 4, 5). При этом часть энергии, отражаясь от ионосферы, возвращается к месту излучения радиоволны (луч 5). Возвратно-рассеянные волны могут быть приняты в пункте излучения, что указывает на возможность прохождения радиоволн данной частоты 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 правильности выбора рабочей частоты.

Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитиые бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным.

Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток.

Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.

Расчет KB линий связи разбивается на два этапа: определение суточного хода максимальных применимых частот (МПЧ) и оптимальных рабочих частот (ОРЧ); определение напряженности электрического поля в месте приема или определение суточного хода наименьших применимых частот (НПЧ) [7]. 5.4. Особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве Общие свойства. К диапазону ультракоротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм ( = 30 МГц 10 5 МГц). В нижнем пределе частот диапазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на УКВ, как правило, не может быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы (4.8). В верхнем пределе частот УКВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапазон УКВ делится на поддиапазоны метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону УКВ. Условия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы. Из-за малой длины УКВ плохо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверхности или других препятствий.

Антенны стремятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, увеличивается расстояние прямой видимости (см.(2.11),(3.5)) и, во-вторых, уменьшается экранирующее влияние местных предметов, находящихся вблизи антенны. При этом, как правило, выполняется условие, при котором высота расположения антенны много больше длины волны и расчет напряженности поля можно вести по интерференционным формулам (2.12),(2.13). Если это условие не выполняется (переносные или автомобильные станции, работающие на метровых волнах), расчет ведут по (2.15). В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный диэлектрик, и проводящие свойства земной поверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью.

Поэтому изменение проводящих свойств почвы (изменение ее влажности) практически не сказывается на распространении УКВ. Но согласно (2.9) даже небольшие неровности земной поверхности существенно изменяют условия отражения УКВ от поверхности Земли.

Распространение УКВ в пределах прямой видимости.

Отражение от земной поверхности. При расстояниях, много меньших предела прямой видимости (3.5), можно не учитывать влияние сферичности Земли и влияние рефракции радиоволн в тропосфере. Характерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая устойчивость и неизменность уровня сигнала во времени при стационарных передатчике и приемнике.

Расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского (2.14), если выполняются условия применимости этой формулы. На линии радиосвязи Земля — самолет или при радиолокационном наблюдении самолета сигнал флуктуирует благодаря изменению угла наблюдения при движении самолета и изрезанности диаграммы направленности системы излучатель — Земля (см.рис.2.8). При расстояниях, лежащих в пределах 0,2 эквивалентного радиуса Земли (см.(3.4)). При таких расстояниях на распространение УКВ влияют и метеорологические условия. С изменением коэффициента преломления тропосферы меняется кривизна траектории волны, причем для прямого и отраженного от земной поверхности лучей эти изменения могут оказаться различными. В результате изменяется разность фаз между прямым и отраженным лучами, а следовательно, меняется и уровень поля радиоволны, происходят замирания сигнала.

Мешающее действие замираний усиливается с увеличением расстояния.

Радиолокационные отражения . Отражения УКВ от неровной земной поверхности имеют особое значение в радиолокационной технике. В основном они носят рассеянный характер, причем часть отраженной энергии оказывается направленной к источнику. Такие отражения чаще всего относятся к мешающим сигналам, которые затрудняют распознавание полезных радиолокационных целей.

Однако отражения от земной поверхности к источнику используются при проведении наблюдений за поверхностью Земли с воздуха, например при высотометрии.

Случайные значения амплитуды сигнала, излученного движущимся радиолокатором (например, с самолета) и отраженного земной поверхностью, подчиняются закону Рэлея.

Только при отражении от спокойной воды и от ровных участков пустыни присутствует постоянная составляющая и закон распределения амплитуд соответствует обобщенному закону Рэлея. Корреляционная функция сигнала описывается экспоненциальным законом, причем масштаб корреляции зависит как от высоты неровностей, так и от скорости движения источника [7]. Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах.

Обычно вдоль линии связи на УКВ имеются большие или малые неровности, которые влияют на распространение радиоволн. В общем случае учесть это влияние не представляется возможным. Для расчета напряженности электрического поля в каждом конкретном случае необходимо построить профиль трассы и в зависимости от характера этого профиля вести расчет тем или иным методом.

Рассмотрим несколько примеров профилей трасс. Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами. На (рис.5.5,а), изображен профиль трассы, при котором передающая антенна расположена на пологом склоне холма. В этом случае к приемной антенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луча и и изображен профиль, при котором имеется возвышенность в середине трассы. В простейшем случае в точку В приходит только один луч, отражающийся в точке С. Для расчета такой трассы удобно ввести понятие приведенных высот антенн h 1пр и h 2пр и свести задачу к известному случаю распространения радиоволн над фиктивной плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения.

Рис. 5.5. Распространение УКВ в пересеченной местности: а – одна антенна находится на пологом склоне; б – пологая возвышенность в середине трассы Рис. 5.6. Распространение УКВ на трассе с препятствием, открытая и закрытая трассы (а); зависимость множителя ослабления V от параметра z (б) Рис. 5.7. Схема трассы с «усиливающим препятствием» Трасса, проходящая над высоким холмом или горным кряжем . Для приближенного определения напряженности поля на трассе, имеющей высокий холм или горный кряж, можно воспользоваться теорией дифракции электромагнитных волн на непрозрачном клиновидном экране. Если препятствие не перекрывает линии прямой видимости между антеннами, то трасса называется открытой; когда препятствие поднимается выше линии прямой видимости, трасса называется закрытой (рис.5.6,а ). Если препятствие хотя бы частично перекрывает первую зону Френеля (1.5), интенсивность электромагнитного поля на трассе изменяется. При применении остронаправленных антенн излученные волны не попадают на ровные участки земной поверхности и напряженность поля за препятствием определяется формулой E m = E m c в V , где E m c в находится по (1.1). Множитель ослабления V зависит от длины волны и «просвета» d, который принято считать положительным при закрытой трассе и отрицательным при открытой трассе. На рис.5.6,б изображена зависимость множителя ослабления V от параметра z :

.

На трассах УКВ протяженностью примерно 100—150 км, проходящих через горные кряжи высотой 1000—2000 м, наблюдается явление, называемое усиление препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность электромагнитного поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передатчика на трассе без препятствий.

Объяснить усиление препятствием можно тем, что вершина 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 горы, как на клиновидном препятствии, и распространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ. Следовательно, на участках трассы передатчик — гора и гора — приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 100—150 км, намного превышающих предел прямой видимости, к месту приема доходит только весьма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и рефракцией.

Расчеты и эксперименты показывают, что такое препятствие — ретранслятор может дать усиление напряженности электрического поля на 60—80 дБ. Использование явления усиления препятствием оказывается экономически выгодным, избавляя от, необходимости устанавливать высокогорные ретрансляционные станции. На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равнинной местности, сооружают искусственное усиливающее препятствие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.

Распространение УКВ в пределах большого города.

Большой город можно рассматривать как сильно пересеченную местность.

Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метровых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в 3—5 раз.

Поэтому грубую оценку среднего уровня напряженности поля на этих волнах можно производить по (2.14), вводя в нее множитель 0,2—0,4. В сантиметровом диапазоне волн ослабление еще сильнее. Если имеется прямая видимость между передающей и приемной антеннами, то расчет можно вести по (2.14), причем высоту расположения антенны следует отсчитывать от среднего уровня крыш.

Внутри помещений структура поля является еще более сложной и практически не поддается расчету.

Измерения напряженности поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 10—40% напряженности поля над крышей, а в первом этаже - 3— 7% этой величины.

Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции. При расстояниях, превышающих расстояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко убывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностях тропосферы.

Резкое увеличение дальности распространения УКВ происходит, когда область сверхрефракций занимает значительные расстояния над земной поверхностью. В этом случае радиоволна распространяется путем последовательного чередования двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Такой вид распространения волн получил название атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энергии волны, которая используется для приема, а остальная, преломляясь, уходит через верхнюю стенку волновода (рис. 5.8). Для атмосферного волновода определенной высоты по аналогии с металлическим волноводом имеется некоторая критическая длина волны. Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются.

Критическая длина волны l кр (м), связана с высотой волновода h в (м), соотношением Высота атмосферных волноводов h в достигает несколько десятков метров, следовательно, волноводное распространение возможно только для сантиметровых и дециметровых волн. В условиях волноводного канала только наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, а более крутые лучи просачиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием УКВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться по сравнению с условиями нормальной рефракции.

Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить устойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении УКВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, работающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния. Кроме того, появление атмосферного волновода может создавать помехи для работы радиолокационных станций обнаружения самолетов.

Например, самолет, находящийся выше атмосферного волновода, может быть не обнаружен из-за того, что радиоволны отразятся от стенки волновода.

Рассеяние УКВ на неоднородностях тропосферы.

Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы наводятся токи поляризации и создается электрический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели.

Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некоторой диаграммой направленности с максимумом излучения в сторону первоначального движения волны.

Рис. 5.8. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода Рис. 5.9. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние Поле, созданное вблизи земной поверхности, есть результат интерференции полей, переизлученных большим числом неоднородностей.

Вследствие изменения структуры и местоположения неоднородностей поле непрерывно флуктуирует и является случайной функцией времени.

Характер распределения мгновенных значений уровня сигнала зависит от среднего уровня сигнала. Чем уровень меньше, тем ближе закон распределения к рэлеевскому. При больших уровнях сигнала мгновенные значения его амплитуды распределены по обобщенному закону Рэлея, что свидетельствует о наличии в месте приема помимо быстро меняющейся компоненты сигнала медленно меняющейся регулярной компоненты, полученной путем отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

Работу линии связи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы, можно объяснить следующим. В результате пересечения в пространстве диаграмм направленности передающей и приемной антенн, условно ограниченных прямыми AD—A С 1 и BD—BC (рис. 5.9), образуется объем атмосферы CD С 1 D 1 , называемый рассеивающим объемом. Он и участвует в передаче радиоволн от пункта А к пункту В. Для увеличения напряженности электрического поля в месте приема стремятся к уменьшению угла между направлением первоначального движения волны и направлением в точку приема (угол q на рис. 5.9 ). Характерной особенностью рассматриваемых линий связи является их узкополосность.

Максимальная ширина полосы частот, которая может быть передана без искажений, определяется временем запаздывания луча АСВ относительно луча AC 1 B, т. е. шириной диаграмм направленности антенн.

Практически с допустимыми искажениями можно передать полосу частот в 1—2 МГц.

Расчет мощности на входе приемной антенны на линии связи, использующей тропосферное рассеяние, разработан советскими учеными 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 и частоте 2 = 1 + D , причем D / = (2 -3 . Замирания на этих двух частотах не коррелированны. Ведут прием либо наиболее сильного из двух сигналов, либо сигналы складываются после детектирования.

Рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере.

Ионизированные слои характеризуются большой неоднородностью.

Наличие местных объемных неоднородностей ионосферы приводит к рассеянию УКВ, которое происходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы.

Рассеяние радиоволн происходит на высоте 70—90 км, что ограничивает максимальную протяженность линии радиосвязи расстоянием в 2000—2300 км.

Основная часть энергии волны, падающей на ионосферу, рассеивается в направлении первоначального движения волны. Чем больше угол, составляемый направлением на приемную антенну с направлением первоначального движения волны, тем меньше уровень мощности рассеянного сигнала.

Поэтому прием возможен только на расстояниях более 800—1000 км.

Напряженность поля рассеянного сигнала убывает с повышением рабочей частоты и применимыми для связи оказываются волны частотой 30—60 МГц.

Сигналы при этом виде радиосвязи на метровых волнах подвержены быстрым и глубоким замираниям. Для борьбы с замираниями применяется прием на две антенны.

Большими преимуществами радиосвязи путем ионосферного рассеяния метровых волн по сравнению с линиями связи на KB являются возможность круглосуточной работы на одной рабочей частоте и отсутствие нарушений связи. На этих линиях достигается большая надежность радиотелеграфной связи в приполярных областях.

Однако связь на метровых волнах требует применения передатчиков мощностью порядка 10 кВт и антенн с коэффициентом усиления 20—30 дБ. 5.5. Особенности распространения ультракоротких волн в космическом пространстве Основные типы космических радиолиний.

Космические радиолинии решают следующие основные задачи: наземная радиосвязи и ретрансляция радиовещательных и телевизионных программ через ретрансляторы, расположенные на искусственных спутниках Земли; радиосвязь пилотируемых космических кораблей с Землей и между собой; радионаблюдение за полетом и управление полетом космических кораблей; передача с космического корабля радиотелеметрической информации (результатов измерений режима работы аппаратуры, параметров полета, данных научных наблюдений) ; изучение космоса, сбор метеорологических и геодезических данных. К космической радиосвязи относится также распространение радиоволн на трассах Земля — планета, между двумя планетами, между двумя корреспондентами, находящимися на планете.

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) имеют траектории с тремя характерными участками. На начальном, стартовом участке траектории спутник с ракетой-носителем при работающих двигателях движется в сравнительно плотных слоях атмосферы. Здесь происходит отделение отработавших ступеней ракеты. На втором участке траектории скорость движения спутника несколько превышает первую космическую скорость и движение вокруг Земли происходит по эллиптической орбите в сильно разреженной атмосфере.

Третий участок траектории соответствует возвращению спутника, вхождению его в плотные слои атмосферы. У невозвращаемых спутников третий участок траектории отсутствует.

Особенности радиосвязи на первом и третьем участках траектории обусловлены тем, что вблизи спутника образуется скопление ионизированного газа большой электронной плотности (на несколько порядков больше электронной плотности ионосферы). Причиной образования ионизации на первом участке траектории является раскаленный отработанный газ двигателя, а на третьем участке - термодинамический нагрев воздуха при движении спутника в плотных слоях атмосферы (на высотах менее 100 км) со сверхзвуковой скоростью. На первом и на третьем участках траектории расстояния от наземных станций до спутника невелики и распространение радиоволн осуществляется в пределах прямой видимости. На втором участке в зависимости от высоты нахождения спутника и от длины рабочей волны радиосвязь возможна как в пределах прямой видимости, так и за ее пределами. На условия распространения радиоволн оказывают влияние тропосфера и ионизированные слои атмосферы Земли.

Космические корабли имеют траекторию, которая может быть также разбита на три участка, причем условия радиосвязи на первом и третьем участках для спутников и космических кораблей совпадают. На втором участке траектории скорость корабля превышает вторую космическую скорость, корабль выходит из поля тяготения Земли и движется в межпланетном пространстве.

Протяженность радиолинии космический корабль — Земля может достигать сотен миллионов километров.

Атмосфера Земли и в этом случае оказывает влияние на условия радиосвязи. Если космический корабль направлен на одну из планет, то при вхождении корабля в атмосферу планеты условия радиосвязи изменяются в зависимости от радиофизических свойств атмосферы планеты.

Характеристики межпланетной среды. В межпланетном пространстве электронная концентрация равна протонной и в целом плазма квазинейтральна. На расстояниях более 30 N э см -3 вследствие постоянства потока частиц в единичном телесном угле зависит от расстояния до Солнца r (км) по закону На расстоянии 150 10 6 км от Солнца, электронная концентрация N э = 2 – 20 см -3 . Межпланетная плазма является статистически неоднородной средой со средним размером неоднородностей около 200 км.

Помимо этого существуют крупномасштабные неоднородности с размерами (0,1 — 1) 10 6 км.

Напряженность постоянного магнитного поля на расстоянии 150 10 6 км от Солнца составляет = 4 10 -3 А/м. После солнечных вспышек электронная концентрация и скорость потока плазмы, а 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 УКВ в том и другом случае практически не поглощается межпланетной средой.

Однако установлено, что межпланетная среда вызывает 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 УКВ радиолинии Земля — космос . Потери энергии . На радиолинии Земля— космос межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее действие на радиоволны.

Определяющим является ослабление сигнала из-за большой протяженности трассы и поглощения в атмосфере Земли.

Диапазон радиочастот, пригодный для радиосвязи с космическим кораблем, ограничен поглощающими и отражающими свойствами 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 рабочей частоты убывает по квадратичному закону. При прохождении всей толщи ионосферы волнами с частотами выше 100 МГц поглощение не превышает 0,1 дБ. Во время вспышек поглощения потери на волне с частотой 100 МГц возрастают до 1 дБ и условия прохождения метровых волн ухудшаются.

Верхняя граница частот, применимых для космической радиосвязи, определяется поглощением радиоволн в тропосфере и равна примерно 10 ГГц. При расположении наземного корреспондента на высоте около 5 км верхняя граница рабочих частот может быть повышена до 40 ГГц. Для радиосвязи с ИСЗ, траектория которых 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 коротковолновых радиолиниях.

Резкое увеличение уровня сигнала, принимаемого со спутника, наблюдается, когда спутник проходит над пунктом приема и над точкой антипода (эффект антипода). Поворот плоскости поляризации . При распространении радиоволн в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля Земли происходит поворот плоскости поляризации радиоволны.

Максимальное значение угла поворота плоскости поляризации волны (днем, летом): где - рабочая частота, МГц; - истинный зенитный угол спутника (рис.5.10). Значения y макс для частот 500 МГц, 1 ГГц, 3 ГГц, при = . Поворот плоскости поляризации в ионосфере проявляется на весьма высоких частотах и изменяется при движении спутника по небосводу из-за изменения угла и флуктуации электронной плотности ионосферы. При приеме на антенну с линейной поляризацией возникают замирания. Для устранения замираний применяют передающие и приемные антенны с круговой поляризацией. При этом нужно учесть, что только в центральной части диаграммы получается поле с круговой поляризацией, а по краям диаграммы — поле с эллиптической поляризацией. Это вызывает потери из-за несоответствия поляризации, которые составляют примерно 0,5 дБ. Если бортовая антенна имеет линейную поляризацию, то возникают потери до 3 дБ [7]. Замирания радиоволн . Рассеяние энергии радиоволн неоднородностями ионосферы и интерференция прямых и рассеянных волн приводят к флуктуациям амплитуды радиосигналов, прошедших через ионосферу. Для обеспечения непрерывного приема таких сигналов их рассчитанную интенсивность следует выбрать больше на величину падает с частотой.

Разница в значениях принятой и переданной частот D называется доплеровским смещением частоты:

Рис. 5.10. Схема радиолинии Земля - космос: А – наземная антенна; С - спутник Например, при , r =8 3 м/ c доплеровское смещение частоты = 0,02 При прохождении радиоволн, излученных движущимся источником, через неоднородную среду, которой меняется случайным образом во времени и пространстве, также меняется случайным образом. Так, при прохождении радиоволн, излученных с космического корабля, в неоднородных тропосфере, ионосфере и космическом пространстве изменение носит статистический характер. Для уменьшения вредного влияния смещения несущей частоты при космической радиосвязи в приемниках используют автоматическую подстройку частоты или изменяют частоту передатчика, если заранее известна траектория движения излучателя. Кроме того, под влиянием эффекта Доплера деформируется частотный спектр сигнала из-за того, что каждая составляющая спектра получает свое смещение.

Доплеровский сдвиг частоты используют как положительное явление, которое позволяет определять скорость движущегося источника или отражателя, если известны свойства среды.

Решают и обратную задачу: измеряя сдвиг частоты и зная скорость движения излучателя, определяют электрические параметры среды.

Поправки при определении координат космических объектов радиотехническими методами.

Прохождение радиоволн в тропосфере и ионосфере сопровождается рефракцией и изменением фазовой и групповой скоростей распространения волны. Эти факторы являются причиной ошибок, которые необходимо учитывать при определении координат космических объектов радиотехническими методами.

Устранение возникающих ошибок производится путем введения соответствующих поправок [7]. 5.6. Особенности распространения волн оптического и инфракрасного диапазонов Общие положения. К оптическому диапазону относятся электромагнитные колебания с длиной волны 0,39—0,75 мкм. К инфракрасному (ИК) диапазону относятся волны длиной 0,75— 1000 мкм, занимающие промежуточное положение между оптическими и миллиметровыми волнами.

Инфракрасный диапазон делят на три области: ближнее инфракрасное излучение— от 0,75 до 1,5 мкм, среднее — от 1,5 до 5,6 мкм и дальнее — от 5,6 до 1000 мкм.

Границы спектров оптических, инфракрасных и миллиметровых радиоволн взаимно перекрываются.

Оптические и ИК волны могут фокусироваться линзами и зеркалами, менять свое направление при отражении и преломлении, разлагаться в спектр призмами. ИК волны, подобно радиоволнам, могут проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для оптических волн. ИК волны нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

Главным преимуществом многих ИК систем является то, что можно использовать излучение от целей, которые или сами являются источниками ИК излучения или отражают излучение естественных ИК источников. Такие системы называются пассивными.

Активные ИК системы имеют мощный источник, излучение которого, отфильтрованное в узком участке спектра, концентрируется с помощью оптической системы и направляется в виде узкого пучка на цель. ИК системы обладают высокой разрешающей 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 молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения.

Мощность, которую несут световые и инфракрасные волны, прошедшие в атмосфере некоторое расстояние r , вычисляется аналогично мощности радиоволны: где Г — суммарный коэффициент поглощения в дБ/км, равный: Г=Г г +Г п +Г сел +Г т . Здесь Г г и Г п — коэффициенты ослабления из-за рассеяния на молекулах газа и пара; Г сел — коэффициент селективного поглощения; Г т — коэффициент поглощения в тумане.

Коэффициент ослабления из-за рассеяния волн на молекулах газа Г г (дБ/км) при давлении воздуха р (МПа), температуре Т (К), и длине волны l (мкм) определяется следующим выражением: Г г = 25 p / T l 4 . Этот вид ослабления значительно меньше проявляется в инфракрасном диапазоне, чем в оптическом. В свободной от облаков и тумана атмосфере содержатся частицы примесей — паров воды и пыли, на которых также рассеиваются оптические и ИК волны. Для характеристики пространственной картины рассеяния света каждой частицей пользуются понятием индикатрисы рассеяния (угловой функции рассеяния), определяемой как отношение мощности, рассеянной частицей в данном направлении, к потоку энергии, рассеянному во все стороны (понятие, аналогичное диаграмме направленности антенны). Индикатрисы рассеяния определены расчетным путем для сферических частиц различного радиуса а, имеющих разные коэффициенты преломления n . Малые частицы с а/ l и n 1 имеют индикатрису, описываемую законом синуса с максимумами в направлении прямого и обратного движения волны. При n малые частицы рассеивают назад больше энергии, чем вперед. По мере роста а/ l индикатриса рассеяния прозрачных частиц становится все более вытянутой вперед (эффект Ми). Размер частиц пыли и пара во много раз превышает длину волны, а число частиц не остается постоянным, что затрудняет расчеты коэффициента ослабления. Поэтому предпочитают пользоваться экспериментальными данными для определения ослабления из-за рассеяния на этих частицах.

Опытным путем найдено, что коэффициент ослабления пропорционален l -1,75 . Потери этого вида имеют наибольшую величину в городах, на ИК волнах они меньше, чем на волнах оптического диапазона.

Селективное поглощение особенно характерно для ИК диапазона. На рис. 5.11 представлено распределение энергии в солнечном спектре, измеренном вблизи Земли для диапазона волн 0,3—2,2 мкм. Если бы не было селективного поглощения, то кривая имела плавный ход, обозначенный пунктирной линией. В видимой части спектра на волнах 0,4—0,75 мкм поглощение незначительно, при длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Участки 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 зависит от влажности атмосферы.

Рис. 5.11. Распределение энергии в солнечном спектре вблизи Земли Рис. 5.12. Спектр излучения чистого неба Поглощающее действие оказывают углекислый газ (на волнах 2 ,7; 4, 3 и 12 и озон (на волнах 4,7 и 9,6 мкм), но основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона.

Измерения показали, что сравнительно, хорошей прозрачностью для инфракрасных лучей атмосфера обладает на следующих волнах: 0,95—1,05; 1,2—1,3; 1,5—1,8; 2, 1—2, 4; 3,3—4 ,0; 8, 0—12,0 мкм. В указанных пределах поглощением можно пренебречь, тогда как на промежуточных волнах и волнах 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 наблюдателю, 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 — 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 угла места.

Земная рефракция может быть как положительной, так и отрицательной. В условиях нормальной рефракции дальность прямой видимости в оптическом и ИК диапазонах оказывается несколько меньше, чем в радиодиапазоне.

Формула (3.5) принимает следующий вид: Радиус кривизны траектории оптической волны составляет примерно 50 000 км. В оптическом и ИК диапазонах явление сверхфракции наблюдается реже, чем в радиодиапазоне. Со сверхрефракцией связано явление миража.

Распространение излучения оптических квантовых генераторов в атмосфере . Когерентность, высокая степень монохроматичности, большая направленность и мощность излучений оптических квантовых генераторов (ОКГ) вызывают соответствующие особенности распространения этих излучений в атмосфере.

Ширина спектра многих ОКГ меньше ширины линий селективного поглощения атмосферных газов.

Поэтому для количественной оценки поглощения излучения ОКГ необходимо иметь данные о селективном поглощении для фиксированных частот.

Получение таких данных затруднено ограниченной разрешающей способностью измерительной аппаратуры.

Измерение селективного поглощения в диапазоне l = 0,69334 0,6694 мкм, в который попадает излучение ОКГ на рубине, показали, что при изменении длины волны менее чем на 10 -4 мкм поглощение изменяется от 0 до 80%. Установлено, что при распространении пространственно ограниченных пучков в атмосфере рассеяние на частицах изменяет распределение мощности по сечению пучка излучения. Это распределение зависит от оптической толщины слоя, геометрии пучка, свойств среды.

Турбулентные неоднородности тропосферы вызывают серьезное ухудшение условий работы ИК радиолиний.

Особенно существенно их влияние сказывается на распространении когерентного излучения.

Турбулентности тропосферы нарушают стабильность фазового фронта когерентного луча, что приводит к его расширению и отклонению и вызывает флуктуации амплитуды.

Флуктуации амплитуды сигнала подчиняются нормально- логарифмическому закону распределения . Флуктуации углов прихода пучка излучения характеризуются нормальным законом.

Получены некоторые данные, позволяющие судить о возможном расширении пучков излучения ОКГ. При измерениях на расстояниях 15 и 145 км наблюдалось увеличение расходимости пучка на 8' и 13' соответственно . Вследствие этого не представляется возможным создать диаграммы направленности ИК антенн шириной менее одной угловой секунды.

Помехи в оптическом и инфракрасном диапазонах волн . Источник излучения, 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 днем 1 и ночью 2 представлен на рис.5.12. Яркость неба зависит от атмосферного давления и зенитного угла, возрастая к горизонту.

Облака создают неравномерность в излучении неба как днем, так и ночью, особенно на волнах короче 3 мкм.

Наиболее серьезные помехи создают яркие края облаков, которые представляют собой ложные цели в ИК диапазоне. Земля создает больший фон в ИК области спектра, чем чистое безоблачное небо, отражая коротковолновое излучение складывающееся с собственным тепловым излучение при больших длинах волн. Фон, создаваемый Землей, усложняет 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 окружают человека на производстве и в быту. Как следствие, актуальной становится защита здоровья человека от вредного влияния мощных полей, длительно воздействующих на организм.

Упомянутая здесь проблема относится к компетенции радиационной биологии, которая среди прочего занимается комплексным изучением влияния электромагнитного поля на живое существо.

Установлено, что наиболее опасными для человека оказываются ионизирующие излучения, энергия квантов которых достаточна для отрыва электронов от атома.

Такими свойствами обладают ультрафиолетовая радиация и все другие более коротковолновые излучения, например электромагнитные волны рентгеновского диапазона.

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

Важнейшее средство защиты человека — 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 остального населения не должна превышать 50 мГр за 30 лет без учета естественного радиационного фона . На радиочастотах энергия квантов (фотонов) недостаточна для ионизации атомов вещества.

Падающее электромагнитное поле переводит атомы или молекулы в возбужденное состояние. Вслед за этим атомы или молекулы возвращаются в исходное состояние, 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/ приводит к болезненным явлениям, прежде всего к помутнению хрусталика глаза. Не исключается возможность генетических изменений в организме.

оценка авто для наследства в Смоленске
оценка рыночной стоимости пакетов акций в Курске
оценка зданий в Твери