Распространение радиоволн метрового диапазона при приземном слое. Особенности распространения радиоволн метрового -миллиметрового диапазонов

Как правило, термин «радиоволны» обозначает электромагнит­ные волны, принадлежащие тому или иному диапазону частот, применяемому в радиотехнике. Специальным решением Международного союза электросвязи (МСЭ) и Международной электротехнической комиссии (МЭК) принято различать следующие диапа­зоны радиочастот и соответствующих длин радиоволн:

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

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

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

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

очень высокие частоты (ОВЧ) - от 30 до 300 МГц, или мет­ровые волны (длина волны от 10 до 1 м);

ультравысокие частоты (УВЧ) - от 300 МГц до 3 ГГц, или дециметровые волны (длина волны от 1 м до 10 см);

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

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

Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденци­ей к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффек­тивные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой диаграм­мой направленности обязательно должна иметь поперечные раз­меры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для мириаметровых волн имела бы совершенно неприемлемые габариты.

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:

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 ε, 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. 1.2. Диаграммы направленности антенны по

мощности:

1 – изотропного излучателя; 2 – направленной

4 основное влияние ока­зывает атмосфера Земли.

1.1. Формула идеальной радиопередачи

Свободное пространство можно рас­сматривать как однородную непоглощающую среду с ε =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 Ризл (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 ξ и в вертикальной q (рис 1.2). Обычно антенна создает максимальное излучение лишь в не­котором направлении (ξ0 θ0), для которого D приобретает максимальное значение D макс =D(ξ0 θ0). Зависимость величин D от углов ξ и θ называют диаграммой направленности антенны по мощно­сти, а отношение F 2 (ξ,θ)= D(ξ θ)/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 Z0)

E 2 m c в =2Z 0 П = 240p П,

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

(1.1)

Мощность на входе приемника, согла­сованного с антенной, находящейся на рас­стоянии r от излучателя,

Эффективная площадь приемной антен­ны, характеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.

Мощность Рпр.св удобно определять не­посредственно через мощность Pизл и вели­чину Dизл излучающей антенны:

Это выражение называется формулой идеальной радиопередачи .

Ослабление мощности при распростра­нении радиоволн в свободном пространстве, определяемое как отношение Рпр.св / Pизл, называют потерями передачи в свободном пространстве. При ненаправлен­ных передающей и приемной антеннах это отношение B 0 (дБ) рассчитывают по формуле:

где Р - мощность, Вт; r - расстояние, км; ƒ - 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 .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 r0 от точки B определяется равенством:

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

и может быть вычислен из уравнения,

где - целое число.

Кольцевую область, построенную на плоскости S, перпендикулярной линии АВ, с радиусами Rn 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. 1.4. Изменение напряженности поля за

экраном с круглым отверстием при

изменении радиуса отверстия R

(– радиус первой зоны Френеля)

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 Em 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 ε и проводимости (табл.2.1). Величи­ны ε 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) ε морской и пресной воды убывает. Это убывание ε 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 ε 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

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 lгр. 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

Морская вода (t = 20 0 С)

Пресная вода рек, озер

Влажная почва (t = 20° С)

Сухая почва (t = 20° С)

Лед (t = -10° С)

Снег (t = -10° С)

Мерзлая почва

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

где Еm св определяется из (1.1).

Величина α 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 :

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

Отношение

называется показателем преломления среды.

Длина волны в среде

Поглощение радиоволн в среде оцени­вается интегральным коэффициентом Г и выражается в децибелах:

Погонное поглощение выражается в де­цибелах на метр:

Расстояния, на которых происходит ослабление Еm 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

Расстояние, на котором зна­чения Еm ослабляются на 120 дБ, м

Влажная почва

Морская вода

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) .

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 Гв и Гг рассчитывают по формулам :

где θпад-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: . Коэффи­циент прохождения можно выразить через коэффициент отражения Г. 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 .

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:

где и - расстояния от концов трассы до точки геометрического отражения; - угол падения волны (рис.2.2,б).

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 ε=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

где = 6,37 10 6 м - радиус Земли; и - высоты подъема антенн, м.

При протяженности радиолинии < <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 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 λ, 200-20000 м); 50-100 км (для λ, 50-200 м); 10 км (для λ, 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 < 0,2 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

где определяется из (1.1),

Углы θ1 и θ2 обозначены на рис. 2.4. Корень из трехчлена в этой формуле называют интерференционным множите­лем.

Коэффициент отражения от земной поверхности Гв.г определяют для соответствующей поляризации по формулам (2.7),(2.8). Для слабо направленных антенн из-за того, что в ши­роком интервале углов D(θ2)/D(θ1) 1, интерференционная формула упрощается:

Присутствие земной поверхности изме­няет распределение поля излучателя в вер­тикальной плоскости. Диаграмма направ­ленности системы излучатель - Земля изре­зана многими лепестками, а диаграмма направленности самого излучателя F(θ) 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 (θ стремится к 90 0) формула (2.12) может быть подвергнута дальнейшему упрощению. Учиты­вая, что при этом |Гв.г| 1, Фв.г (рис. 2.1), напряженность поля Em (В/м) в зависимости от

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 :

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 П1г, направленной вдоль поверхности, имеется составляющая П1в, направленная перпендикулярно к зем­ной поверхности, в результате чего суммар­ный вектор П1 направлен не параллельно земной поверхности, а следовательно, и век­тор напряженности электрического поля 1 направлен к земной поверхности под углом, не равным 90°, и помимо вертикальной со­ставляющей напряженности электрического поля имеется горизонтальная составля­ющая Е1г. 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 Em1в непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, располо­женный вблизи полупроводящей поверхно­сти, применяют формулу, выведенную одновре­менно М.В. Шулейкиным и Б. Ван-дер-Полем :

Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн – схема

распространения волны над сферической поверхностью земного шара

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

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 (+) с параметрами 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 Еm (мВ/м) ведется по формуле предло­женной В.А. Фоком :

где Еm св определяется по формуле (1.1); G - множитель ослабления, являющийся произведением трех функций, G = U(x)V()V (), где U(x) - функция расстояния от пе­редатчика, r (м); V() V() -функции вы­соты подъема антенн передающей и приемной, или, если функции выразить в де­цибелах, то G (дБ) равно

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() = V() = 1.

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, ко­торые определяются физико-химическими свойствами входящих в тропосферу газов. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изме­няется лишь содержание водяных паров, ко­торое зависит от метеорологических усло­вий и убывает с высотой.

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)

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

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 з = 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 DN = l 2. Мелкие неоднород­ности непрерывно изменяются, появляясь и исчезая. Средние значения 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 , представляющий такой постоянный по высоте градиент, 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) и среднеквадратичные отклонения (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:

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: Rо= 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

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

Основные случаи применения понятия эквивалентного радиуса Земли следующие.

Расстояние прямой видимости с учетом рефракции определяется по формуле

В условиях нормальной рефракции

где - расстояние в метрах; - 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<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от поверхности Земли.

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<0. Траектория радио­волны в этом случае обращена выпукло­стью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция под­разделяется на 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. 3.2. 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 Em oc определяется по формуле:

где Em св- напряженность поля в свобод­ном пространстве на расстоянии r от излу­чателя (1.1);

Гoc - коэффициент ослабления, дБ/м.

Зависимость коэффициента ослабления Гoc 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. 3.4. 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 Em 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 = 500 600 км. Воз­растание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излуче­нием Солнца.

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 котором электронная концентрация в несколько раз превышает концентрацию области 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; Nэ - 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:

Используя частоту электромагнитной волны (кГц) формулу для e удобно записать в таком виде:

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

Частота, при которой выполняется условие e = 0,

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:

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 . 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. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотно­шением для ионизированного газа

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

4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)

Коэффициент затухания радиоволн в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из (4.1) и g из (4.2).

Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и ионами и переходом электромагнитной энергии в тепловую энергию движения тя­желых частиц. В этом процессе важно соотношение между периодом электромаг­нитных колебаний (T=1/) и средним вре­менем между двумя соударениями элек­трона с молекулами или ионами. На низких частотах при T> энергия электромагнитной волны передается от электро­на тяжелой частице малыми порциями, при Т< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях поглощение мало. При T на­ступает явление резонанса между частотой колебаний электрона под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц, причем поглощение существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей максимум в области частоты, близкой к величине, т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы 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. 4.3. 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):

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:

Если волна нормально падает на ионо­сферу, то

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 раз превышающей частоту волны, отражающей­ся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:

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 ; отра­жение происходит вблизи максимума иони­зации слоя:

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 =40 А/м.

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

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

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:

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 3 кГц), а к длинным волнам (ДВ) - волны от 1000 до 10 000 м (= 300 30 кГц).

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 () - 1 = (1 5) 10 -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 Еm (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 3 мс. Такой импульс создает непрерывный спектр частот с максимумом в области 3-8 кГц, спадающий в области высоких частот по закону 1/ . В случае, когда помеха создает­ся грозой, происходящей недалеко от при­емного пункта (местной грозой), напряжен­ность поля помехи уменьшается обратно пропорционально частоте. Однако основным источником помех являются грозы, происхо­дящие в течение круглого года в экватори­альных районах земного шара - очагах грозовой деятельности. Частотная зависи­мость интенсивности помех, создаваемых очагами грозовой деятельности, иная, чем от местных гроз, так как она определяется еще и условиями распространения радио­волн от места возникновения помехи до точ­ки приема.

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 1000 м (= 0,34 3 МГц). Диапазон СВ используется для ра­диовещания, радионавигации, радиотеле­графной и радиотелефонной связи; СВ мо­гут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.

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 0,7) , для холмистой =(0,15 0,2) , 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 >300 км определяется по графикам, полученным в резуль­тате обработки большого числа наблюдений .

5.3. Особенности распространения коротких волн

К диапазону коротких поли (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (= 30 3 МГц). Волны KB диапазона распростра­няются земной волной на расстояние не бо­лее 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий ди­фракции. Расчет напряженности поля земной волны следует вести по (2.15).

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. 5.4. 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.

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) .

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 З 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 < <0,8 , необходимо учитывать влияние сферичности Земли. Одновременно следует учитывать влияние рефракции, используя принцип 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 .

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. При расчете напряженности электрического поля следует учитывать разность фаз этих лучей, обусловленную разностью хода и раз­ными условиями отражения в точках, и. В результате рассмотрения такой картины можно получить выражение для расчета напряженности поля, аналогичное интерференционным формулам, но более сложное. На рис 5.5,б 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. 5.6. 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. 5.9. 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-AС 1 и BD-BC (рис. 5.9), образуется объем атмосферы CDС 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 AC1B, 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 .

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 5) 10 -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 км от Солнца скорость перемещения плазмы можно считать постоянной и равной 500 км/с. На этих рас­стояниях электронная концентрация 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 (в граду­сах) определяется выражением, получаемым из (4.14) в предположении, что волна про­ходит всю толщу ионосферы при наибольшей электронной плотности (днем, летом):

где - рабочая частота, МГц; - истинный зенитный угол спутника (рис.5.10). Значения yмакс для частот 500 МГц, 1 ГГц, 3 ГГц, при = , составляют соответственно; ; .

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 .

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. Значения, для частот 300 МГц, 1 ГГц, 3 ГГц, составляют соответственно 1,6; 0,5; 0,1 дБ, и показывают, что влияние рассеяния 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 10 3 м/c доплеровское смещение час­тоты = 0,02 0,2 МГц.

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 .

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=Гг+Гп+Гсел+Гт.

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

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

Гг = 25p/Tl 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<<1 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. 5.12. Спектр излучения чистого неба

Поглощающее действие оказывают уг­лекислый газ (на волнах 2 ,7; 4, 3 и 12 20 мкм) 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. Поэтому при эксплуатации соответствующе­го оборудования следует неукоснительно соблюдать научно об­основанные нормы радиочастотного облучения персонала .

5.8. Вопросы для самопроверки

1. Укажите основные особенности распространения сверхдлинных и длинных волн.

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

3. Каковы характеристики сферического волновода Земля-ионосфера?

4. Укажите основные особенности распространения средних волн.

5. Как изменяются условия распространения СВ в течении суток?

6. Какова природа замираний сигнала на СВ?

7. Как определяется напряженность электрического поля в диапазоне СВ?

8. Укажите основные особенности распространения коротких волн.

9. Исходя из какого условия выбирают максимально применимую частоту?

10. От каких факторов зависит наименьшая применимая частота?

11. Что такое зона молчания?

12. Каковы причины замираний КВ?

13. Какое явление называется эффектом Кабанова?

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

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

16. Укажите основные особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве.

17. Укажите особенности распространения УКВ в пределах прямой видимости.

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

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

20. В чем заключается явление, называемое усиление препятствием?

21. Укажите особенности распространения УКВ в пределах большого города.

22. Укажите особенности распространения УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции.

23. Поясните процесс рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы.

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

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

26. Укажите основные особенности распространения УКВ в космическом пространстве.

27. Приведите основные характеристики межпланетной среды.

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

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

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

31. Каковы особенности рефракции оптических и ИK волн?

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

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

34. В чем заключается проблема электромагнитной безопасности?

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

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

5. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М: Сов. радио, 1979. – 376 с.

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

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

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….. 3

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ …4

1.1. Формула идеальной радиопередачи ………………………………………. 7

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

1.3. Вопросы для самопроверки ……………………………………………….... 12

2. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ……………………………………………………………………..13

2.1. Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности ……….13

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

2.3. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности …………………….19

2.4. Классификация случаев распространения земных радиоволн ……………22

2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью…………22

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной

поверхности …………………………………………………………………..25

2.7. Дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности ……….. 28

2.8 Вопросы для самопроверки ………………………………………………… 29

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

3.1. Состав и строение тропосферы …………………………………………….. 30

3.2. Диэлектрическая проницаемость и показатель

преломления тропосферы …………………………………………………... 31

3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере ……………………………………….. 33

3.4. Поглощение радиоволн в тропосфере ……………………………………... 37

3.5. Вопросы для самопроверки ………………………………………………… 39

4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН …39

4.1. Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере …………………………….. 39

4.2. Строение ионосферы ……………………………………………………….. 41

4.3. Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного

газа (плазмы)………………………………………………………………….. 44

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

4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе …………………………...47

4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере ………………………. 49

4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические

параметры ионизированного газа…………………...……………………… 50

4.8 Вопросы для самопроверки ………………………………………………… 52

5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ ………………………………………………………………….. 53

5.1. Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн …………. 53

5.2. Особенности распространения средних волн …………………………….. 57

5.3. Особенности распространения коротких волн.……………………………58

5.4. Особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве ………………………………………………………………… 62

5.5. Особенности распространения ультракоротких волн в космическом пространстве ………………………………………………………………… 71

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

5.7. Электромагнитная безопасность …………………………………………... 83

5.8. Вопросы для самопроверки ………………………………………………... 84

ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………………… 86

10.1. Распространение земной волны в диапазоне УКВ

Радиоволны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо­нов (диапазонов частот ОВЧ, УВЧ и СВЧ) широко применяются в назем­ных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере. В рассматриваемых час­тотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена рас­стоянием прямой видимости. В то же время широко распространены маги­стральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, ис­пользующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представ­ляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Со­седние РРС располагаются друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояния прямой видимости между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС прини­маемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интер­валом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелей­ными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости. Циф­ровые РРЛ (ЦРРЛ) должны иметь настолько широкие полосы пропускания (до 100 МГц и более), что они могут работать, в основном, на частотах выше 10 ГГц (длина волны короче 3 см). Системы телевизионного и зву­кового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизи­онного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Ус­тойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для уве­личения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на пере­даче по возможности выше, как за счет естественного рельефа, так и за счет высоты башни, на которой устанавливается антенна. Примером может слу­жить антенный комплекс Ташкентского радиотелевизионного передающе­го центра, высота которого достигает 375 метров.

Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерфе­ренционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении не­обходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены рав­номерно, то такую поверхность называют шероховатой. В зависимости от

Длины рабочей волны шероховатой поверхностью могут быть взволнован­ная поверхность моря, равнина, покрытая травой, кустарником и др. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотно­сти потока энергии в заданном направлении. Существуют два метода учета этого ослабления.

В условиях открытых трасс при работе в диапазонах метровых, деци- метровых и сантиметровых волн наличие земли проявляется в виде отра­женной волны. В этом случае ослабление поля в результате рассеяния ше­роховатой отражающей поверхностью учитывают с помощью эффектив­ного коэффициента отражения R эфф. Величина R эфф всегда меньше зер­кального коэффициента отражения R , который справедлив для гладкой отражающей поверхности. Степень неровности шероховатой поверхности оценивают с помощью критерия Рэлея. Пусть плоская волна падает под углом скольжения ∆ на плоскую поверхность с горизонтальной впадиной

глубиной ∆h (рис.10.1). Луч А"С"В",
попавший во впадину и отразив-­
шийся под углом скольжения ∆, на
плоскости S отличается по фазе от
луча АСВ, отразившегося от пло-­
ской поверхности на величину
∆φ = (2π / λ)2∆hsin∆. Обычно счита­ют, что возмущающим действием неровности

Рис.10.1. К определению критерия Рэлея можно пренебречь, если

∆φ ∆h m ах то в интерференционных формулах используют эффективный коэффициент отражения R эфф. Величины R эфф для разных видов шероховатых поверхностей определяют по результатам статистиче­ской обработки экспериментальных данных.

Расчет поля на открытых и закрытых трассах при клиновидном препятствии

Аппроксимацию клином применяют для препятствий типа горных вершин, крутых холмов, одиночных препятствий в виде зданий и др. Кли­новидная аппроксимация справедлива в тех случаях, когда размеры пре­пятствия вдоль трассы значительно меньше размера существенного эллип­соида для распространения в этом направлении, а поперек - значительно больше его поперечного размера. При выполнении этих условий расчет поля ведут в предположении, что поперек трассы расположен бесконеч­ный непрозрачный экран и условия дифракции соответствуют оптической дифракции Френеля.

Нормированный просвет можно также связать с относительным просветом р(g T)

-3 -2 -1 0 1 2 3

Рис. 10.2. Зависимость V(u 0)

Зная величину u 0 , по кривой рис.10.2 определяют множитель ослабления. При наличии клино­видного препятствия на трассах, где отсутствует оптическая видимость, но передатчик и прием­ник можно видеть с вершины препятствия, при некоторых условиях наблюдается явление, ко­торое называется эффектом «усиления клиновидным препятствием».

Рис.10.3. К определению эффекта усиления клино­видным препятствием

Эффект усиления препятствием возможен, если потери при огибании препятствия не очень велики, что возможно при ма­лых просветах, т.е. при малых углах возвышения ∆ и ∆". В случае пологих траекторий отраженных волн 2, 4 и 4" приближенно можно считать, что коэффициенты отражения от земли до препятствия и после препятствия одинаковы и равны -1. Для всех волн равны также дифракционные потери и приблизительно длины путей, проходимые волнами. Из последнего сле­дует, что в свободном пространстве поле каждой волны равно Е 0 . Резуль­тирующее поле, как сумма четырех волн с учетом их фаз, равно

Е = Е 0 V(u 0){ехр[ - j(2 π / λ) (ρ 1 + ρ 3)] – ехр[ - j(2 π / λ ) (ρ 1 + ρ 4)] –

Ехр[ - j (2 π / λ) (ρ 2 + ρ 3)] + ехр [ - j(2 π / λ) (ρ 2 + ρ 4)]}

Проведя вычисления с учетом обозначений на рис. 10.3 получим величи­ну результирующего поля

Е m ах = 4Е о m ах V(u 0)sinsin.

Из формулы видно, что при наличии клиновидного препятствия, когда V(u 0)→-1, поле в точке приема может превосходить поле в свободном пространстве почти в 4 раза при определенных соотношениях h 1 , h 2 , h пр, λ, r 1 ,r 2 . Если длина радиолинии такова, что в отсутствие препятствия точка приема находится в области глубокой тени и дифракционное ослабление поля велико, то по сравнению с этим полем эффект «усиления препятстви­ем» может быть весьма большим. За счет дифракции на горных хребтах клиновидной формы возможно создание линий связи большой протяжен­ности. На таких линиях оптимальное положение корреспондирующих пунктов обычно проверяется экспериментально, поскольку расчеты не мо­гут учесть всей сложности конкретного рельефа.

В процессе изменения метеорологических условий и изменения реф­ракции фазовые соотношения между интерферирующими волнами изме­няются. Обычно прием в горной местности сопровождается сильными флуктуациями уровня сигнала.

Флуктуации напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах. На открытых и полуоткрытых трассах напря­женность поля земной волны не остается постоянной во времени. В зави­симости от причин, вызывающих флуктуации поля, эти флуктуации имеют разную продолжительность и в одних случаях могут быть отнесены к классу замираний, в других - к классу длительных отклонений величины поля от его средних значений. Во всех случаях флуктуации имеют случай­ный характер. Различают следующие основные виды замираний в зависи­мости от причин их возникновения.

Субрефракционные (при отрицательной рефракции) замирания ха­рактерны для сухопутных равнинных трасс, особенно в летнее время и весной, когда часто метеоусловия таковы, что имеет место субрефракция, которая приводит к уменьшению просвета на линии. Если в условиях

Средней рефракции просвет относительно невелик, то при субрефракции может произойти значительное затенение трассы и ослабление поля за счет дифракционных потерь. Такого вида ослабления имеют обычно большую продолжительность от нескольких десятков минут до несколь­ких часов, так как обусловлены инерционными метеорологическими про­цессами, например приземными туманами. Глубина субрефракционных замираний может достигать 20...30 дБ и более в широком диапазоне час­тот.

Второй вид флуктуации, наблюдаемый на открытых трассах, имеет интерференционное происхождение. При ряде значений градиента g т про­исходит противофазное сложение полей прямой и отраженной от земли волн и результирующее поле оказывается значительно ослабленным. Глу­бина таких замираний зависит от соизмеримости амплитуд отраженной и прямой волн. Отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных пло­ских трассах, проходящих в слабопересеченной, лишенной лесного покро­ва местности, а также на трассах, проходящих над большими водными по­верхностями. Продолжительность замираний такого типа составляет се­кунды - десятки секунд при глубине 25...30 дБ. Эти замирания обладают пространственной и частотной избирательностью, поскольку небольшие изменения в частоте и длине пути приводят к заметному изменению сдви­га фаз между интерферирующими волнами (в сантиметровом и децимет­ровом диапазонах волн).

Третий вид флуктуации, также интерференционного происхожде­ния, связан с появлением в точке приема волн, отраженных от слоистых неоднородностей типа облаков, метеорологических фронтов, инверсион­ных слоев и др. Волны, отраженные от таких неоднородностей, интерфе­рируют с прямой волной и друг с другом. Малейшие изменения высоты неоднородности приводит к резким изменениям фазовых соотношений между интерферирующими волнами. В результате эти флуктуации отно­сятся к классу быстрых замираний с частотной и пространственной изби­рательностью. При глубине замираний 25...30 дБ их средняя продолжи­тельность составляет доли секунды. Чем короче волна и длиннее трасса, тем более вероятны эти замирания. Они чаще наблюдаются на волнах ко­роче 10...15 см и в соответствии с метеоусловиями в приморских районах, а также в горной местности. На таких трассах эти замирания могут быть определяющими для устойчивости работы.

Четвертый вид нерегулярного ослабления поля связан с появлением осадков на линии. Этот вид ослабления существенен для частот выше 10ГГц. При расчете устойчивости работы линии обычно оценивают ослаб­ление в дожде как наибольшее по сравнению с ослаблением в других ви­дах осадков. При выпадении ливневых дождей этот вид замираний может привести к срыву связи в течение всего времени существования ливня.

Распространение земной волны и условия работы радиовеща­тельных систем. Статистический метод расчета поля.

Спецификой условий работы вещательной сети является прием из­лучения одного передатчика одновременно множеством приемных пунк­тов, случайно распределенных на некоторой территории. В зависимости от характера рельефа условия приема в пределах этой территории могут быть различными. Кроме того, принимаемое поле подвержено быстрым и мед­ленным флуктуациям, и его среднее значение изменяется в зависимости от климатических условий. В результате в сети вещания принято оценивать напряженность поля вероятностными характеристиками, основанными на измерениях. Необходимо отметить, что при оценке условий приема веща­ния учитывают только медленные флуктуации, принимая, что мгновенные значения поля подчиняются логаримически-нормальному распределению с дисперсией, зависящей от климатических условий. Быстрые замирания порядка долей секунд и секунд не оказывают влияния на качество приема телевизионного и звукового вещания из-за инерции слухового и зритель­ного аппаратов человека. Параметрами для статистических характеристик поля служат: диапазон частот, климатический район, средние условия рельефа, процент времени наблюдений, процент приемных пунктов, в ко­торых может наблюдаться данная напряженность поля. Напряженность

Зона обслуживания вещательного передатчика. Полезной зоной вещательного передатчика или зоной обслуживания называется террито­рия, в пределах которой прием вещания на массовую приемную аппарату­ру на границе зоны осуществляется с заданным качеством в течение 90% времени в 50% приемных пунктов. По международным нормам в течение 10% времени допускается наличие заметных помех. Качество приема оце­нивается разными параметрами в зависимости от вида помех. Помехи раз­деляют на две группы: к первой группе относят природные и промышлен­ные помехи; ко второй - помехи станций. Для качественного приема ве­щания с учетом только природных и промышленных помех в пределах зо­ны обслуживания должно выполняться условие Е пол >> Е пол min , где Е пол -напряженность поля полезного сигнала; Е пол min - минимально допустимая напряженность поля полезного сигнала при наличии только природных и промышленных помех (шума) и при заданном значении необходимого превышения U пол / U ш в полосе ∆f, кГц. При расчете вещательных сетей нормируют не отношение U пол / U ш,а значение Е пол min для наиболее небла­гоприятных условий - на границе зоны обслуживания, где поле полезного сигнала минимально.

Различают два случая. Если граница зоны проходит в сельской мест­ности, то в диапазонах метровых и дециметровых волн значение Е пол min определяется внутренними шумами приемника и космическими шумами. В этих условиях принято для телевидения Е пол min = 300...700 мкВ/м в диа­пазоне метровых волн. Норма увеличивается с повышением частоты кана­ла. Для звукового вещания принято Е пол min = 200 мкВ/м. Второй случай от­носится к приему в городах, где из-за большого уровня промышленных помех аналогичные значения оцениваются 5000 мкВ/м для телевидения и 1000...3000 мкВ/м для звукового вещания. Для качественного приема ве­щания при наличии помех станций должно выполняться условие Е пол ≥ АЕ пом, где А - коэффициент необходимого защитного отношения на выходе приемника; Е пом - суммарная напряженность поля мешающих станций. Обычно на границе полезной зоны произведение АЕ пом больше значения Е пол min и основной задачей проектирования вещательной сети яв­ляется такое распределение вещательных передатчиков по обслуживаемой территории, при котором на границах полезных зон отдельных передатчи­ков величина АЕ пом была бы равна Е пол min .

Влияние местных предметов на распределение поля вблизи пе­редающей антенны. Условие приема на метровых и более коротких вол­нах зависит от расположения приемной антенны относительно окружаю­щих ее предметов и местных неровностей рельефа. Близко расположенные здания, мачты, растительность, склоны оврагов, небольшие возвышенно­сти могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими пре­пятствиями или источниками местных отраженных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения сквозь препятствие. Дифракция в рассматриваемых диапазонах волн про­текает с

большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий, группы деревьев и других сопровождается также большими потерями за счет поглощения. «Непрозрачными» препятствиями считают возвышенности земной поверхности и железобетонные строения. За таки­ми препятствиями поле появляется только в результате дифракции. Внутрь квартир в железобетонных зданиях электромагнитные волны проникают через окна. К «полупрозрачным» препятствиям относят кирпичные и де­ревянные строения, растительность. При распространении в лесу с под­леском погонное ослабление оценивается единицами и десятками дБ/км, увеличиваясь с частотой и изменяясь в зависимости от густоты лиственно­го покрова и влажности. Действие окружающих предметов, как источни­ков отраженных волн, может проявляться в виде двух явлений: неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции отраженных волн или запаздывающих сигналов, если предмет доста­точно удален от приемной антенны.

Распространение радиоволн в городе. Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.д. Близ­ко расположенные здания могут, в зависимости от их расположения, ока­заться затеняющими препятствиями или источниками местных отражен­ных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: ди­фракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматривае­мом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими по­терями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30дБ ниже, чем пе­ред ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные тене­вые зоны, где сигнал значительно ослаблен. Действие окружающих зда­ний, как источников отраженных волн, проявляется, как в виде неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля от­ражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах те­левизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет ста­тистический характер, как теоретических, так и экспериментальных ис­следований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее

типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами. В первом случае, характерном для приема сигна­лов телевизионного вещания, расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского, умножая результат расчета на поправочный коэф­фициент (обычно 0,4...0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окре­стности подвижного пункта.

Р

ассмотрим закономер­ности изменения напряженно­сти поля в точке приема в го­родских условиях в зависимо­сти от расстояния, частоты вол­ны и высот установки антенн. На рис.10.5 приведены зависи­мости среднего (медианного) значения мощности сигнала Р с от расстояния r при различных высотах подвеса антенны базо­вой станции h 1 , измеренные на частоте 922 МГц. Высота под­веса антенны на подвижном объекте h 2 = 3 м. Штриховой линией показана зависимость Р с от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соот­ветствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции. Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличе­нии расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r -3 . Последующее увеличение г приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигна­ла. Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты. Эту зависимость можно представить в виде P c = Af - n , где А - коэффициент пропорциональности. С увеличением частоты от 100 до 2000 МГц значе­ние коэффициента п изменяется от 0,2 до 1. При r = 1...10 км зависимость уровня поля от частоты слабая, но при дальнейшем увеличении расстояния значение коэффициента п начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты при h 1 =200 м и h 2 =3 м для рас­стояний 1, 5, 20 и 40 км, показано на рис. 10.6.

Частота f, МГц

Рис.10.6. Зависимость медианного значе­ния затухания в городе от частоты и рас­стояния
Зависи­мость среднего уровня поля от высоты расположения антенны базовой стан­ции можно проследить по рис.10.5. Высота подвеса антенны сильно не влияет на скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием. Однако подъем антенны базовой станции приводит к увеличению абсолютного значения по­ля примерно пропорционально квадра­ту высоты (6дБ/октаву). На поле в точ­ке приема влияют не только рассмот­ренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от распо­ложения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц уро­вень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

За счет переотражения волн от стен зданий и подстилающей по­верхности в городе наблюдается явление деполяризации - появление ор­тогональной (перпендикулярной) составляющей напряженности поля в которую переходит часть энергии волны. Коэффициент деполяризации представляет собой разницу в дБ между составляющей напряженности поля основной поляризации и ортогональной составляющей.

Установлено, что в г. Ташкенте значение коэффициентов деполяри­зации на радиальных (по отношению к передающей антенне) улицах в среднем на 2...4 дБ больше, чем на поперечных. Значения коэффициентов деполяризации в районах с большой плотностью застройки ниже, чем в районах с малой плотностью застройки. Наблюдается увеличение значе­ний коэффициентов деполяризации при увеличении высоты подвеса при­емной антенны. Значения горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля в городе практически не коррелированны, что по­зволяет рекомендовать для приема и передачи кроссполяризованные ан­тенны (антенны с ортогональными поляризациями). Структура поля но­сит интерференционный характер. Архитектура города сильно влияет на величину квазипериода (усредненного расстояния между ближайшими минимумами) интерференционной картины напряженности поля. Так, в г. Ташкенте в районах с малой плотностью застройки величина квазипе-риода в среднем составляет 0,62λ, а для районов с большой плотностью застройки - 0,76λ. На поперечных улицах величина квазипериода в сред­нем составляет 0,81λ, а на радиальных улицах - 0,5λ.

10.2. Дальнее тропосферное распространение (ДТР)

Механизм ДТР есть результат рассеяния радиоволн на слабых неод-нородностях диэлектрической проницаемости тропосферы. Свойства ме­ханизма таковы, что ДТР используют только для систем радиосвязи. Тро­посферные линии строятся по релейному принципу, но, в отличие от РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости, приемные пункты на тропо­сферных радиорелейных линиях (ТРРЛ) всегда располагаются в зоне глу­бокой тени. Протяженность интервалов между соседними РРС составляют в разных случаях 150...1000 км. К настоящему времени сеть ТРРЛ во всем мире имеет протяженность около 100000 км. Основное применение ТРРЛ находят в труднодоступных пустынных, северных и горных районах, где их строительство и эксплуатация значительно выгоднее, чем обычных РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости.

На тропосферных линиях прием сопровождается глубокими общи­ми и селективными замираниями. Последние являются причиной искаже­ния сигналов и ограничения неискаженной полосы передачи информации. Линии ТРРЛ используются, в основном, для передачи телефонии и теле­графии. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рас­сеяния «вперед» и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на переда­че и приеме. На этих линиях применяют передатчики мощностью от не­скольких сотен Ватт до 50 кВт, приемники с малошумящими параметри­ческими усилителями, антенны с размерами до 40 х 40м, имеющими коэф­фициент усиления 50...55 дБ, системы сдвоенного и счетверенного разне­сенного приема по пространству и частоте и др.

Разной протяженности:АВ 1 и АВ 2

Рис. 10.7. Угол и объем рассеяния при (рис.10.7) на которых ДН антенн ДТР на трассах разной протяженности прижаты к поверхности Земли.

Из рисун­ка видно, что увеличение длины радиолинии сопровождается увеличением угла рассеяния θ рас и смещением эффективного объема рассеяния V pac вверх, где интенсивность неоднородностей ослаблена. Обе причины спо­собствуют быстрому убыванию поля с расстоянием.

Чтобы не усложнять требований к энергетике, рекомендуют выбирать (если это возможно) про­тяженность интервалов не более 300...400 км. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рассеяния и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на передаче и приеме.

Основываясь на уравнении радио­связи в свободном пространстве и учиты­вая особенности линий ДТР, статистиче­ское распределение мощности сигнала на входе приемника можно записать в виде

множителя ослабления, дБ; ∆V(T) -отклонение мгновенно­го значения множителя ослабления от V MM , дБ. Первые шесть слагае­мых в формуле полно­стью соответствуют уравнению радиосвязи, остальные три слагае­мых учитывают осо­бенности линий ДТР.
где Р 1 - мощность передатчика, дБВт; r -протяженность интервала ТРРЛ; λ - длина волны; G 1 и G 2 - значения коэффициентов усиления передающей и приемной антенн, дБ; η 1 и η 2 - коэффициенты полезного действия передающего и приемного фиде­ров, дБ; ∆G - величина «потери усиления» передающей и приемной ан­тенн, дБ; V MM - долго­срочное медианное значение

Потери усиления антенн ∆G проявляются в том, что на линиях ДТР ис­пользование антенн с большими коэффициентами усиления (КУ) G не дает того выигрыша в принимаемой мощности Р 2 который следует из уравне­ния радиосвязи. Чем выше значения коэффициентов усиления, тем больше

отстает прирост мощности. Объясняется это явление двояко. Повышение КУ антенны осуществляют увеличением ее размеров, в результате чего в пределах раскрыва антенны все больше проявляется некогерентностъ структуры принимаемого поля, т.е. нарушается синфазность возбуждения раскрыва приемной антенны волнами, приходящими с направления мак­симума ее ДН, что в свою очередь, приводит к уменьшению ее КУ. Второе объяснение сводится к тому, что сужение ДН антенн приводит к сокраще­нию объема рассеяния, т.е. к уменьшению уровня принимаемого поля. Потери усиления ∆G определяются при измерениях как суммарная величина для передающей и приемной антенн. На рис.10.8 приведена зависимость ∆G от суммарного коэффициента усиления G 1 + G 2 .

М


есячное медианное значение множителя ослабления (V MM) учиты­вает среднее (медианное) ослабление поля при рассеянии радиоволн на неоднородностях тропосферы дополнительно к обычному ослаблению за счет сферичности волны. Измерения показывают, что V MM зависит от про­тяженности интервала ТРРЛ, частоты, сезона, климатических условий. На рис.10.9 приведены кривые зависимости V MM от расстояния для диапазона частот 0,1...4 ГГц, справедливые для зимних месяцев в умеренном клима­те. Из рисунка видно, что дополнительное к свободному пространству oc-

Лабление сигнала на линиях ДТР составляет 70...100 дБ, что подтверждает сделанное ранее предположение о резком убывании поля с увеличением расстояния. Зависимость среднего уровня поля от частоты волны выраже­на сравнительно слабо.

Статистическое распределение мгновенных значений множителя ослабления ∆V(Т), вычисленных относительно среднего уровня V мм учи­тывает быстрые и медленные замирания, возникающие на линиях ДТР вследствие флуктуирующей многолучевости. На рис.10.10 приведено ин­тегральное распределение ∆V(Т) для сдвоенного (n = 2) и счетверенного (n = 4) приемов. Кривые справедливы для системы автовыбора большего из сигналов. Параметром для каждой кривой является значение стандартного отклонения σ м, характеризующего распределение медленных замираний. Значение Т(∆V) определяет процент времени, в течение которого глубина замираний равна или меньше величины ∆V, указанной на оси ординат. Из рис.10.10 видно, что чем меньший процент времени срыва связи стремятся получить, тем больший энергетический запас мы должны обеспечить. Сравнение кривых для сдвоенного и счетверенного приемов показывает, что при использовании счетверенного приема необходим меньший энерге­тический запас. Это говорит об эффективности данного способа увеличе­ния устойчивости связи.

Принимают, что для удовлетворительной развязки флуктуации сиг­нала в каналах разнесения в среднем достаточно иметь относительный частотный разнос ∆f / f = (2...5) × 10 -3 . Разнесение антенн в направлении по­перек трассы должно составлять не менее (100...150)λ, а при разнесении по высоте - не менее (30...50)λ. На ТРРЛ чаще всего используется счетверен­ный прием с разнесением двух приемных антенн по пространству и двух передатчиков по частоте.

10.3. Механизм ионосферного рассеяния

Механизм ионосферного рассеяния (ИР) радиоволн аналогичен по своей физической сущности механизму ДТР. По современным представ­лениям ИР обусловлено некогерентным рассеянием на локальных слабых неоднородностях диэлектрической проницаемости ионосферы, а также ко­герентным рассеянием в пределах ионизированного слоя с плавным изме­нением ε и (h). В ионосфере интенсивное рассеяние наблюдается в ограни­ченной области на высотах слоя D около 75...90 км. На этих высотах суще­ствуют слабые рассеивающие неоднородности двух типов: турбулентные и многочисленные перекрывающиеся во времени ионизированные следы метеоров с низкой электронной плотностью, а также метеорные следы ис­каженной формы. Метеорный компонент является значительным, а в ноч­ное время - основным в принимаемом непрерывном флуктуирующем поле. Механизм ИР можно использовать только на метровых волнах в диапа­зоне 5...10 м (60...30 МГц). Волны такой длины могут не только рассеи­ваться, но и отражаться от областей ионосферы с повышенной электрон­ной плотностью, а именно от ионизированных метеорных следов с высо­кой

электронной плотностью, от спорадического слоя Е S и от регулярного слоя F2. Поэтому всегда на фоне слабого непрерывного флуктуирующего сигнала появляются единичные всплески высокой интенсивности, которые являются источниками искажений, сужая неискаженную полосу передачи до единиц килогерц.

Механизм ИР можно использовать без ретрансляции на трассах про­тяженностью от 1000 до примерно 2300 км. Большие потери в тракте рас­пространения предъявляют высокие требования к энергетическим пара­метрам оборудования. На этих линиях используют передатчики мощно­стью 30...50 кВт, антенны с коэффициентами усиления 20...30 дБ и с управляемой диаграммой на приеме, сдвоенный, а иногда и счетверенный разнесенный прием и др. Пропускная способность линий ИР ограничена искажениями в тракте распространения несколькими телеграфными кана­лами. Одноканальная телефонная связь возможна с относительно низким качеством. Дорогостоящее сложное оборудование линий ИР и в то же время низкая пропускная способность ограничивает их применение, в ос­новном, полярными широтами на трассах 1000...2000 км, где наземная связь за счет других механизмов или неустойчива (распространение за счет отражения от ионосферы), или организационно трудно выполнима (РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости или ТРРЛ с интервала­ми 300...600 км).

Средние уровни поля при ионосферном распространении. Изме­рения показали, что на линиях ИР средний уровень поля зависит от длины трассы, ее географического положения, рабочей частоты, ширины и ори­ентации диаграмм направленности антенн. Кроме того, средний уровень претерпевает из­менения во времени по часам суток, по сезонам года, по циклу солнечной активности. Теория рассеяния в ионосфере показывает, что на трассе про­тяженностью r при угле рассеяния θ рас и на рабочей частоте f принимаемая мощность Р 2 ~1 / {r 2 n f m }, где установленные из опыта значения n ≈ 6,5 и m ≈7,8, т.е. при ионосферном рассеянии поле быстро падает при увеличении угла θ рас и частоты f. Зависимость Р 2 (θ рас) ограничивает диапа­зон расстояний, в пределах которых возможно использовать механизм ИР. Поскольку интенсивное рассеяние в ионосфере сосредоточено в толще вы­сот 75...90 км, то независимо от длины трассы область пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн (рассеивающий объем) должна располагаться в пределах этих высот. Для выполнения этого условия не­обходимо согласовывать углы возвышения диаграмм направленности антенн с длиной ра­диолинии. В частности, с укорочением трассы угол ∆ увеличивают, что приводит к увеличению

θ рас и соответственно потерь. На линиях протя­женностью меньше 1000 км, где θ рас > 22°, потери настолько велики, что механизм ИР использовать нельзя. В пределах расстояний 1000...1600 км потери минимальны и не увеличиваются при удлинении линии, поскольку убывание по закону 1/r 2

компенсируется увеличением интенсивности рас­сеяния за счет уменьшения θ рас На линиях протяженностью больше 1600 км такой компенсации не происходит и потери увеличиваются. Предель­ная длина радиолинии около 2300 км ограничивается кривизной земной поверхности при высоте h рас ≈ 85 км. Резкая частотная зависимость потерь передачи связана с тем, что интенсивность неоднородностей диэлектриче­ской проницаемости ионосферы ∆ε и = 80,8∆N e / f 2 резко уменьшается с по­вышением частоты. При высокоэффективном передающем и приемном оборудовании на линиях ИР можно работать на частотах не выше 60 МГц. Частоты ниже 30 МГц также не применяются из-за наличия сигналов, нормально отраженных от ионосферных слоев и обуславливающих боль­шие искажения.

Измерения показывают, что оптимальные условия приема сущест­венно зависят от ширины и ориентации диаграмм направленности антенн. Рекомендуют антенны с шириной лепестка около 10°. Сужение диаграмм направленности приводит к ослаблению метеорной составляющей поля, поскольку эта со­ставляющая распределена в относительно широком угловом секторе про­странства. В вертикальной плоскости основные лепестки диаграмм направленности на пе­редаче и приеме должны быть ориентированы так, чтобы их средние ли­нии пересекались на высоте h рас ≈ 85 км. В горизонтальной плоскости же­лательно управлять диаграммой направленности и смещать ее в ночное время на 6...8° от дуги большого круга трассы в область максимального рассеяния метеорными следами.

Временные изменения среднего уровня сигнала следующие. Суточ­ные вариации достигают 5...10 дБ с максимумом в дневные часы, когда наиболее интенсивны турбулентные неоднородности. По сезонам в уме­ренных широтах минимальный сигнал характерен для весенне-осеннего периода. Амплитуда сезонного хода достигает 8...16 дБ. В течение цикла солнечной активности средний уровень сигнала понижается примерно на 4...5 дБ с уменьшением активности Солнца.

Замирания и разнесенный прием. Прием сигналов на линиях ИР сопровождается быстрыми замираниями. Распределение мгновенных зна­чений уровня сигнала осложняется наличием вспышек за счет отражений, главным образом, от единичных интенсивных метеорных следов. Как и на других линиях, устойчивость работы при ИР зависит от флуктуаций, на­блюдаемых на низких уровнях сигнала. Сигналы с низким уровнем обу­словлены только непрерывным рассеянным компонентом поля. Поэтому распределение мгновенных значений амплитуд определяют на уровнях, которые примерно на 15 дБ ниже медианных, т.е. без учета метеорных вспышек. Это распределение аппроксимируется законом Рэлея, что и учитывают при расчете устойчивости. Скорость замираний, определяемая числом пересечений огибающей заданного уровня, оказывается равной 15...20 в минуту со средней длительностью около 0,06 с на уровне - 20 дБ относительно медианы. Устойчивый прием на линиях ИР возможен только с применением разнесенного приема. Наиболее

эффективным оказывается пространственное разнесение антенн на (7...10) λ, в направлении поперек трассы. При частотном разнесении необходимо в каналах разнесения ис­пользовать частоты, отличающиеся не менее чем на 6 кГц.

Искажения сигналов. Многолучевая флуктуирующая структура принимаемого сигнала является источником искажений передаваемой ин­формации. Для оценки искажений импульсных сигналов необходимо знать время запаздывания сигналов ∆t m ах. На линиях ИР различают запаздыва­ния, свойственные, во-первых, основному механизму рассеяния, за счет конечных размеров рассеивающего объема и, во-вторых, сопутствующих механизмов, т.е. отражений от метеорных следов с повышенной электрон­ной плотностью, а также от слоя Е S и др. Установлено, что в соответствии с размерами рассеивающего объема первый вид запаздывания составляет всего лишь 20...40 мкс и ограничение длительности импульсов на линиях ИР определяется запаздывающими метеорными сигналами, для которых ∆f m ах ≤1…2 мс. Поскольку длительность импульса должна быть в несколь­ко раз больше ∆t m ах, то на линиях ИР она ограничивается единицами миллисекунд. Неискаженная полоса передачи аналоговой информации ∆f m ах f, что соответствует приближению метеорного следа к точке приема. Максимальные значения ∆f д никогда не превышают 6 кГц, а с вероятностью 95% - 2,5...3 кГц. Изменения скорости и направления движения метеорного следа приводят к изменению во вре­мени ∆f д, что проявляется в телефонном канале в виде свистов. При пра­вильном выборе оборудования устойчивая работа на линиях ИР может быть обеспечена более чем в 99% времени в течение года.

10.4. Распространение волн за счет отражения от ионизирован­ных метеорных следов

Системы связи, работающие за счет приема сигналов, отраженных от ионизированных следов метеоров, называются метеорными радиоли­ниями. Для работы радиолиний существенны метеоры с массой m ≥ 10 -8 г, количество которых за сутки ориентировочно составляет 10 11 . Минималь­ное число метеоров наблюдается в 18ч. местного времени, а максимальное - в 6 ч. утра. На линиях метеорной связи информация передается только в периоды «вспышек», которые появляются на фоне слабого флуктуирую­щего сигнала, рассеянного в

ионосфере на слабых неоднородностях. «Вспышки» появляются в результате отражения сигналов от ионизирован­ных следов метеоров с повышенной электронной плотностью. Для появ­ления «вспышки» в заданном пункте приема необходимо выполнение двух условий: метеорный след должен образоваться в области пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн; интенсивная «вспышка» появляется только в тех случаях, когда ориентация следа тако­ва, что выполняется условие зеркального отражения для падающей и от­раженной волн, т.е. φ пад = φ отр. Метеорный след после возникновения бы­стро изменяет свои свойства. Из-за диффузии уменьшается его электрон­ная плотность, под влиянием ветра изменяется форма, по мере перемеще­ния изменяется ориентировка в пространстве. В результате амплитуда сигнала, отраженного от такого следа, изменяется во времени по сложно­му случайному закону. Различают два характерных закона изменения ам­плитуд в зависимости от электронной плотности следа без учета его де­формации. Первый закон соответствует случаю, когда начальная линейная электронная плотность следа N е 10 14 эл/м 3 и след для метровых волн представляет отражатель цилиндрической фор­мы, внутрь которого волна не проникает. В этом случае амплитуда отра­женного сигнала остается на высоком уровне, пока электронная плотность следа превышает критическое значение по условиям отражения. На мете­орных линиях информация передается прерывисто только в те промежут­ки времени, когда за счет «вспышки» отношение сигнал-шум на входе приемника превышает некоторый пороговый уровень. Для оценки условий работы таких линий необходимо иметь сведения о числе и продолжитель­ности «вспышек», превышающих заданный пороговый уровень. С точки зрения условий распространения оба параметра «вспышки» являются функциями рабочей частоты и ориентировании диаграмм направленности антенн на передаче и приеме.

Расчеты и измерения показывают, что с понижением рабочей часто­ты увеличиваются число и продолжительность «вспышек», поскольку по­нижается уровень электронной плотности, необходимый для интенсивного рассеяния и отражения, т.е. все большее число следов участвует в работе линии. В соответствии со степенью ионизации метеорных следов верхняя граница рабочего диапазона метеорных линий ограничивается частотами около 60...50 МГц, (λ = 5...6 м), нижняя - с частотой 30 МГц (λ = 10 м). На более низких

частотах чрезмерно увеличиваются замирания и появляются сигналы за счет других механизмов распространения, что ведет к недопус­тимо большим искажениям передаваемой информации.

Метеоры прилетают преимущественно с направления, соответст­вующего апексу Земли (точка небесной сферы, по направлению к которой движется Земля при обращении вокруг Солнца). На трассах, ориентиро­ванных с востока на запад, наиболее активной с 24 до 12 час. оказывается область, расположенная к северу от трассы, с 12 до 24 час. - к югу, на трассах, ориентированных с севера на юг, активная область ориентирована с 18 до 06 час. к западу от трассы, с 06 до 18 час. - к востоку.

Коэффициент заполнения. Для оценки пропускной способности ме­теорных линий, где передача информации ведется прерывисто, использу­ют коэффициент заполнения (использования) k мл, который оценивается как отношение суммарного времени, в течение которого амплитуда при­нимаемого сигнала превосходит пороговый уровень системы (порог обна­ружения), к общему времени работы. Понятие порога обнаружения U пор связано с принципом действия метеорных линий, где передача информа­ции ведется только в течение интервалов времени, когда за счет «вспыш­ки» отношение сигнал-шум достигает необходимого значения. При очень низком пороге почти все наблюдаемые сигналы сформированы «недоуплотненными» следами, при очень высоком - «переуплотненными».

На заданной частоте максимальное напряжение на входе приемника U пор пропорционально линейной электронной плотности следа, которая, в свою очередь, пропорциональна массе метеора. Время жизни «вспышек» составляет 0,2...0,4 с и изменяется в течение суток, уменьшаясь ночью, когда время жизни метеоров оказывается меньше, чем днем. Коэффициент использования на метеорных линиях обычно составляет единицы процен­тов, не превышая 10%. Тракт распространения на метеорных линиях по своей природе прерывист, поскольку полезные метеорные следы появляются прерывисто во времени с интервалами более 10 с. Это обуславливает ряд особенностей построения режима работы таких линий.

К первой особенности следует отнести необходимость прерывистого включения и выключения передаваемой информации с учетом появления и пропадания полезных метеорных следов. В простейшем варианте это осуществляется так. На обоих концах линии имеются накопители переда­ваемой и принятой информации типа магнитных лент, а также автомати­ческие устройства для включения и выключения этих накопителей. Пере­датчики на обоих концах линии непрерывно излучают несущие на часто­тах, разнесенных примерно на 1 кГц. При появлении полезного метеорно­го следа, когда на обоих концах линии уровень несущей, на входах прием­ников достигает порогового уровня, автоматические устройства открыва­ют цепи передачи и информация с накопителя поступает на модулятор, начинается передача информации с большой скоростью. На приемном конце после демодуляции сигнал поступает

на накопитель, откуда с за­медленной скоростью подается на оконечную приемную аппаратуру. Ко второй особенности режима работы метеорных линий следует отнести ра­боту с большими мгновенными скоростями передачи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной пропускной способности линий. Пропу­скная способность оценивается средней скоростью передачи информации, которая равна произведению мгновенной скорости на коэффициент ис­пользования. При k мл ≈ 2...10%, характерных для метеорных линий, ско­рость 40 бит/с может быть обеспечена при мгновенной скорости 2000...400 бит/с.

На метеорных линиях применяют передатчики мощностью 0,5...5 кВт. Антенные устройства имеют два варианта исполнения. Наиболее про­стой, но не наиболее эффективный вариант - использование антенн с ши­рокими диаграммами направленности (50...60°), перекрывающими основ­ную часть активной области метеорных следов. Наиболее эффективный вариант - использование антенн с узкой диаграммой направленности (8...10°), способной следить за перемещением в течение суток активной области отражения. Многолучевая структура принимаемого поля ограни­чивает неискаженную полосу передачи до 15...20 кГц. Многолучевое рас­пространение обусловлено одновременным существованием нескольких следов в пределах активной области отражения, разрывом следа на части и др. Максимальная дальность метеорных линий ограничивается высотой образования ионизированных следов (90...100 км) и достигает 2000...2200 км. На линиях аналогичной протяженности можно передавать информа­цию на коротких волнах за счет отражения от ионосферы или на УКВ за счет ИР. В ряде случаев использование механизма отражения от ионизи­рованных следов метеоров имеет преимущества главным образом за счет значительно более низкого энергетического потенциала линии- меньших мощностей передатчика и простоты антенных устройств.

Самым важным свойством, определяющим радиоволны ультракоротковолнового диапазона, является их свойство распространяться на сравнительно небольшие расстояния. Считается, что принять приемником даже со специальной антенной радиоволны этого диапазона можно только на расстоянии прямой видимости. Практически при очень высоком подъеме приемной и передающей антенн над поверхностью земли это расстояние не превышает 80-100 км . Объясняется это тем, что ультракороткие волны не обладают способностью отражаться от верхних слоев атмосферы, как волны коротковолнового диапазона. При дальнем приеме коротких волн на антенну приемника действует не прямая волна, распространяющаяся от передатчика, а отраженная от верхнего слоя атмосферы земли. На рис. 1 показано, как происходит отражение коротких волн от такого слоя, находящегося в особом, так называемом ионизированном состоянии. Отражение от слоя может быть однократным (луч 2) и многократным (луч 3).

Приемная радиостанция может принимать и прямой луч, не претерпевший ни одного преломления в атмосфере земли (луч 1).

Рис. 1. 1 - земной луч; 2, 3 - лучи, отраженные от верхних ионизированных слоев атмосферы

Как было уже сказано, радиоволны ультракоротковолнового диапазона не обладают свойством отражаться от ионизированного слоя. Распространение радиоволн этого диапазона происходит так, как показано на рис. 2. Приемная радиостанция принимает только прямой луч, отражения от верхних слоев атмосферы, как правило, не происходит. Но были, правда, довольно редкие случаи, когда наблюдалось такое отражение и дальний прием ультракоротких волн удавался. Особенно благоприятные

Рис. 2. 1 - земной луч; 2 - луч, отраженный от поверхности земли; 3 - луч, не возвратившийся на землю

условия для распространения радиоволн метрового диапазона наблюдались летом 1955-1956 годов, когда в Киеве, в Москве и других городах европейской территории Советского Союза владельцы телевизионных приемников принимали передачи телевизионных центров Италии, Чехословакии, Голландии и других стран Европы. Кроме того, в ряде случаев некоторые радиолюбители на своих ультракоротковолновых радиостанциях мощностью меньше десяти ватт поддерживают связи на расстояниях 4-5 тыс. км.

Все это говорит о необходимости тщательного изучения распространения волн ультракоротковолнового диапазона с тем, чтобы в будущем организовать в этом диапазоне регулярные дальние связи и обмен телевизионными программами между городами.

Следует обратить внимание на некоторые особенности распространения ультракоротких волн в условиях города с его высокими зданиями, покрытыми железными крышами. Для понимания процесса их распространения рассмотрим еще некоторые свойства радиоволн этого диапазона. Прежде всего необходимо отметить, что ультракороткие радиоволны обладают способностью проникать сквозь кирпичные и бетонные стены, деревянные перегородки и другие преграды, испытывая при этом тем большее поглощение, чем толще слой препятствия. Кроме того, радиоволны ультракоротковолнового диапазона хорошо отражаются от железных крыш, железобетонных стен зданий, отдельных металлических сооружений (мачт, шпилей) и т. д. Явление отражения заключается в том, что возбуждаемые волной в металлических сооружениях электрические токи в свою очередь создают радиоволны той же длины, которые могут попасть в точки, недосягаемые для основной волны. Эти радиоволны также обладают способностью огибать встречающиеся на пути строения (рис. 3). Все эти явления очень усложняют прием радиоволн УКВ диапазона, создавая дополнительные помехи приему. В телевидении наблюдают, например, появление так называемых «вторичных контуров», иногда очень заметных на экране. Избавиться от дополнительных помех можно в простейшем случае вращением антенны, если в качестве таковой применен полуволновый вибратор. Можно идти и по пути усложнения конструкции антенны, что дает большую направленность приема

Рис. 3. / - луч, огибающий городские строения; 2 - луч, отраженный от крыши дома; 3 - прямой луч

Из всего сказанного становится ясным, что при работе в городе на ультракоротковолновом диапазоне большее значение имеет место расположения антенны по отношению к окружающим предметам. Иногда перемещение приемной антенны на расстояние порядка нескольких метров существенно влияет на силу приема.

На распространение волн УКВ диапазона большое влияние оказывает и рельеф местности, расположенной между приемной и передающей радиостанциями. Как правило, на пересеченной местности дальность действия таких радиостанций меньше, чем на местности, имеющей равнинный характер. При выборе места расположения как приемной, так и передающей радиостанций следует обращать внимание на то, чтобы они находились на наиболее высоких точках окружающей местности. Дальность связи при этом может значительно возрасти. Антенны приемной и передающей радиостанций поднимают как можно выше, используя для этой цели высокое дерево, полигонометрический знак и т. п.

В настоящее время проводятся большие работы по исследованию прохождения радиоволн УКВ диапазона. В целях увеличения дальности действия связи на этих волнах создают специальные отражающие облака на определенной высоте, поднимают передатчики и приемники на самолеты и аэростаты, делают сложные по конструкции антенны. Сейчас созданы образцы антенн, имеющие до сотни и больше элементов - полуволновых вибраторов.

Классификация радиоволн

Радиоволнами принято называть электромагнитные колебания, распространяющиеся в свободном пространстве со скоростью около 300 тысяч км/с. Длина радиоволн составляет не менее 0.5мм (частота не более 6×10 12 Гц).

Электромагнитные волны представляют собой комбинацию колебаний электрического Е и магнитного Н полей (рис.1).

Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны Х, т.е.

.

Направление вектора Х определяется правилом буравчика с правой нарезкой: направление вектора Х совпадает с поступательным движением буравчика, если его вращать в направлении от Е к Н .

В зависимости от направления вектора Е радиоволны делятся на вертикально и горизонтально поляризованные радиоволны (рис.2).

Рис.2. Виды поляризации радиоволн

Картина распространения вертикально поляризованной радиоволны вдоль оси X условно представлена на рис.1.

Радиоволны классифицируют также в зависимости от длины волны. Расстояние, которое волна проходит за время одного периода колебаний называется длиной волны

где: с – скорость света; Т – период, а f – частота электромагнитных колебаний.

В соответствии с величиной длины волны принята следующая классификация радиоволн и соответствующих им частот, как это показано на рис.3.

Рис. 3. Классификация радиоволн в зависимости от длины волны

Радиоволны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, обусловленные строением атмосферы (рис. 4) и влиянием поверхности земли.

Нижний слой атмосферы, непосредственно прилегающий к поверхности Земли и простирающийся на высоту до 10-15 км, называют тропосферой. В тропосфере формируются облака, выпадают осадки, возникают ветры и воздушные течения. Состояние воздуха в тропосфере характеризуется такими параметрами, как давление, температура и влажность.

С увеличением высоты над поверхностью Земли плотность воздуха уменьшается, понижается влажность и температура, но иногда могут происходить обратные явления, что сказывается на распространении ультракоротких волн. Проводимость воздуха очень мала, поэтому в тропосфере радиоволны длиннее 0,3 м практически не поглощаются. За тропосферой располагается слой, называемый стратосферой, простирающийся на высоту до 60 км. В этом слое воздух находится в еще более разреженном состоянии, однако проводимость его невелика и не оказывает влияния на распространение радиоволн.

На расстоянии от Земли 60 км и больше (400-600 км) простирается ионосфера. Под действием ультрафиолетовых и космических лучей, солнца и звезд, потоков космических частиц, излучаемых космическими телами, происходит ионизация газов. При этом ионосфера становится токопроводящей. Проводимость ионизированной среды определяется количеством электронов, находящихся в 1 см 3 газа, т.е. электронной плотностью. Плотность электронов с заходом солнца убывает.

Степень ионизации на высоте непостоянна, однако на определенных высотах наблюдается максимум ионизации. Это объясняется неоднородностью слоистой структуры ионосферы, по-разному влияют на распространение радиоволн различной длины.

В ионосфере различают четыре слоя: Д, Е, F 1 и F 2 ,которые в зависимости от солнечной активности располагаются соответственно на высотах 60-90; 90-150; 160-200; 220-320 км. Самый нижний слой Д существует только в дневные часы и является основной поглощающей областью для коротких и средних волн и отражающей – для длинных волн. Слой Е обладает большим постоянством свойств: он отражает средние волны (а также длинные волны в ночное время) и в некоторых случаях короткие волны. Слой F днем в летние месяцы состоит в свою очередь, из двух слоев: слоя F 1 , имеющего общие свойства со слоем Е, и F 2 , являющегося основным отражающим слоем для коротких волн. В остальное время наблюдаются только отражающие свойства слоя F 2 . Этот слой используется для обеспечения дальней радиосвязи. Его высота и концентрация электронов в нем изменяются в течение суток и зависят от времени года.

Распространение радиоволн в атмосфере сопровождается следующими явлениями:

1. Дифракция радиоволн – явление огибания радиоволнами препятствий на пути распространения. Дифракция тем меньше, чем меньше длина волны.

2. Изменение (искривление) направления распространения радиоволн в неоднородной среде за счет преломления (рефракции) и отражения радиоволн от неоднородностей.

Радиоволны распространяются в воздушной среде прямолинейно. Однако если слои атмосферы отличаются один от другого плотностью, будут отличаться и их электрические характеристики, в частности, диэлектрическая проницаемость. Радиоволны будут преломляться, т.е. их путь распространения искривляется. Явление искривления направления распространения радиоволн в неоднородной среде получило название атмосферной рефракции. Если диэлектрические плотности сред, в которых распространяются радиоволны, сильно отличаются друг от друга (например, «воздух – земля», «воздух – вода»), радиоволны будут испытывать не только преломление, но и отражение. При этом так же, как и в геометрической оптике, угол падения будет равен углу отражения.

3. Интерференция радиоволн – сложение двух или нескольких волн, при котором в различных точках пространства получается усиление или ослабление («замирание») амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

При интерференции двух волн интерференционные максимумы находятся в тех точках, в которых колебания, соответствующие обеим волнам, совершаются с разностью фаз, равной 0 или кратной 2π. Интерференционные минимумы находятся в точках, в которых разность фаз колебаний равна нечетному числу π.

4. Рассеяние и затухание радиоволн в атмосфере.

Рассеяние энергии. С увеличением расстояния от излучателя (антенны) плотность потока энергии в определяемой точке пространства уменьшается. Для выявления этой зависимости допустим, что вся мощность, которую излучает антенна, распространяется во все стороны равномерно, не испытывая поглощения. Если предположить существование вокруг антенны некоторой сферической поверхности, мощность, проходящая через единицу поверхности сферы, в центре которой находится излучатель, определится величиной модуля вектора Умова-Пойнтинга:

где: П – плотность потока энергии, Вт/м 2 ;

Р ∑ - мощность, излучаемая антенной, Вт;

r – расстояние от излучателя до точки приема, м.

Таким образом, величина плотности потока энергии радиоволны с увеличением расстояния от антенны убывает пропорционально квадрату расстояния.

При распространении радиоволн их энергия для рассматриваемой точки местности непрерывно уменьшается не только из-за явления рассеяния. Часть энергии радиоволн теряется при образовании токов проводимости в почве и в различных металлических предметах, так как под действием изменяющегося электрического и магнитного полей в проводниках появляется электрический ток вихревого характера, энергия которого частично превращается в тепло. Явление преобразования энергии радиоволн в другие виды энергии получило название поглощение энергии. В результате происходит затухание радиоволн.

Данные свойства обусловливают распространение радиоволн вдоль Земной поверхности или путем многократных отражений от Земли и от ионосферы (рис.4). В связи с этим различают поверхностные и пространственные радиоволны.

Свойства радиоволн в общем случае проявляются по разному в зависимости от длины волны

Длинные волны обладают явно выраженной дифракции вокруг поверхности Земли и больших препятствий, хорошо отражаются от ионосферы и Земли. Для них малы потери энергии в атмосфере и земной поверхности. Поэтому длинные волны распространяются на достаточно большие расстояния в виде поверхностных (до тысячи км) и пространственных (тысячи км) волн, как это показано на рис.5.

Рис.4. Виды радиоволн

Средние волны обладают дифракцией и способны преломляться в ионосфере и отражаться от Земли. Поэтому они также распространяются в виде поверхностных и пространственных волн (рис.6).