Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Радиоволны , излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т. д. р. существенно зависят от длины волны l, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). р. называется свободным. р. в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской (см. Излучение и приём радиоволн ). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2, что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: , где P c - мощность сигнала на входе приёмника, Р ш - мощность шумов, G1, G2 - коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. р. в свободном пространстве равна скорости света в вакууме : с = км /сек.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т. п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n , которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, а также от длины волны l:

(1)

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u = c /n . В этом случае r д определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (e, s). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На Р. р. оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т. д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности.

Р. р. - пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 1 ). Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось ~. Чем меньше l, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z1 и Z2 , на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 1 , а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на Р. р. (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 1 , б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z1 >> l и Z2 >> l, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2 ). Условие Z1 и Z2 >> l практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При увеличении l существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Р. р. в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью , поэтому Р. р. вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением l.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн ), у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис. 3 ). Величина горизонтальной компоненты E x значительно меньше вертикальной E z и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.

Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше l, а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4 ), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие h << l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (рис. 5 ).

Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником

Расстояние, км

Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на Р. р. оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (s ® ¥) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 6 ), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности также влияет на Р. р. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h , горизонтальной протяжённостью l , l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7 ). Если выполняются условия:

4p2l 2 sin2q/l2 £ 1; 2psin q << 1, (2)

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на Р. р. При увеличении q условия (2) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).

Высокие холмы, горы и т. п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 8 ).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере . Проводимость тропосферы s для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость e и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n » 1,0003. Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно e и n уменьшаются, а фазовая скорость u растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. 9 ). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис. 9 ), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует Р. р. за пределы прямой видимости, т. к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических радиоволноводах , в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической (lкр » 0,085 d 3/2 , d - высота волновода в м , lкр в см ). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает ~ 50-100 м , поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны.

Рассеяние на флуктуациях e. Помимо регулярных изменений e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей e, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10 ). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l4, если размер рассеивающей частицы d < l, и не зависит от l, если d >> l (см. Рассеяние света ). Практически через область сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см , помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (l = 1,5 см ; 1,35 см ; 0,75 см ; 0,5 см ; 0,25 см ) и кислороде (l = 0,5 см и 0,25 см ). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере - многокомпонентной плазме , находящейся в магнитном поле Земли, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в Р. р. принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е - заряд, m - масса, N - концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2p. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11 ). Поэтому диэлектрическая проницаемость e, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1: e = 1 - w20/w2. Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n - число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w2 >> n2 и показатели преломления n и поглощения c равны:

; (5)

С увеличением частоты c уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны . Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна с ×n и в соответствии с относительности теорией меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w0n и u становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота w0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12 ), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя F 2 (главный максимум, рис. 12 ) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой w > wкр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше wкр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j0, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j(z ) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z ) = sinj0. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: wнакл = wверт secj0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Р. р. оказывает магнитное поле Земли H 0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление , т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H 0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой (гироскопическая частота) вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны.

В простейшем случае, когда направление Р. р. перпендикулярно H 0 (Е лежит в одной плоскости с H 0), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ^ Н 0 и Е || Н 0. Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

; (7)

В случае произвольного направления Р. р. относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n 1, так и n 2 зависят от wH. Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере Р. р. в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации ). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 12 ), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13 ), сложение которых приводит к замираниям - хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Р. р. (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов . Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80-120 км , длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип ), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E p ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург - Горьковский эффект ) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. р. при одном отражении от ионосферы ~ 3500-4000 км , т. к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14 ). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15 ).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода , рис. 16 ).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17 ). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики ).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики . Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4,5×104 м /сек (r - плотность ионизированного газа).

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5-30 Мгц ), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6-10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 18 ). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая связь ). Сведения о процессах Р. р. в космическом пространстве даёт радиоастрономия .

Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры s » 10-3-10-2 ом -1м -1. В этих средах волна практически затухает на расстоянии £ l. Кроме того, для сред с большой s коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.

В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 19 ). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы - слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль , поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность Р. р. до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20 ). На глубине 3-7 км s может уменьшиться до 10-11 ом -1м -1. При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км , в котором возможно Р. р. на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи - расчёт излучения и передачи энергии от антенн , расположенных в проводящей среде.

Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: , Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961; , Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; , Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; , Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; , Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; , Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; , Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; , Обзор работ, связанных с подземным распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, Сб. 5, Л., 1966; , Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; , Системы подземной радиосвязи, «Зарубежная радиоэлектроника», 1963, № 10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Радиосвязь между подземными и подводными пунктами, там же, 1972, № 12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.

Рис. 3. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 1. Область, существенная при распространении радиоволн: А - передающая антенна; В - приёмная; Z1 и Z2 - их высоты над поверхностью Земли.

Рис. 2. Лепестковая структура поля в точке приёма.

Рис. 4. Высота шарового сегмента h, характеризующая выпуклость Земли.

Рис. 5. График изменения напряжённости поля с расстоянием r (в км ). По вертикальной оси отложена величина множителя ослабления, который определяется отношением напряжённости поля в реальных условиях распространения к величине напряжённости поля при распространении в свободном пространстве.

Рис. 6. Изменение напряженности Е поля волны при пересечении береговой линии.

Рис. 7. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 8. Усиление радиоволн при дифракции на непологих неровностях.

Рис. 9. Искривление радиолучей в тропосфере в результате ее неоднородности.

Рис. 10. Схематическое изображение линии радиосвязи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы.

Рис. 11. Смещение электронов ионосферы под действием поля волны Е приводит к появлению дополнительного поля DE.

Рис. 12. Изменение концентрации N электронов в ионосфере с высотой; Е, F1, F2 - слои ионосферы.

Рис. 13. Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы.

Рис. 14. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 15. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 16. Зависимость напряженности Е поля волны от расстояния до передатчика r в отсутствии поглощения (пунктир) и при учете поглощения.

Рис. 17. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 18. Зависимость потерь энергии за счет вращения плоскости поляризации волны от частоты для трех значений угла возвышения b.

Рис. 19. Система подземной связи с частичным распространением радиоволн вдоль земной поверхности. Вторичные волны изображены условно.

Связь с подводными лодками, когда они находятся в погружённом состоянии — достаточно серьёзная техническая задача. Основная проблема состоит в том, что электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является солёная вода.

В большинстве случаев хватает простейшего решения: всплыть к самой поверхности воды и поднять антенну над водой. Но этого решения недостаточно для атомной подводной лодки. Эти корабли были разработаны во время холодной войны и могли находиться в подводном положении в течение нескольких недель и даже месяцев. Но, тем не менее, они должны были оперативно запустить баллистические ракеты в случае ядерной войны.

Находясь на перископной глубине, лодка может поднять тот самый перископ и использовать для радиосвязи установленные на нём антенны. Проблема в том, что подобный перископ, увешанный антеннами, будет отлично выдавать лодку, так как может быть обнаружен самыми разными радарами противника. Интересно, что перископы современных лодок в надводной их части стараются делать малозаметными (по технологии, так сказать, “Стелс”). Более того, стараются максимально сократить время присутствия перископа над водой: например, перископ может подниматься, выполнять очень быстрое сканирование горизонта, передавать, используя специальный тип сигналов, короткие сообщения через спутник и тут же прятаться обратно, под воду.

Связь с подводными лодками, находящимися в подводном положении, осуществляется следующими способами:

Акустическая передача

Звук может распространяться в воде достаточно далеко, и подводные громкоговорители и гидрофоны могут использоваться для связи. Во всяком случае, военно-морские силы и СССР, и США устанавливали акустическое оборудование на морском дне областей, которые часто посещались подводными лодками, и соединяли их подводными кабелями с наземными станциями связи.

Односторонняя связь в погруженном положении возможна путем использования взрывов. Серии взрывов, следующих через определенные промежутки времени распространяются по подводному звуковому каналу и принимаются гидроакустиком.

Радиосвязь в диапазоне очень низких частот

Радиоволны очень низкого диапазона (ОНЧ, VLF, 3—30 кГц) могут проникать в морскую воду на глубины до 20 метров. Значит, подводная лодка, находящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи. Даже подводная лодка, находящаяся гораздо глубже, может использовать буй с антенной на длинном кабеле. Буй может находиться на глубине нескольких метров и из-за малых размеров не обнаруживается сонарами противника. Один из первых ОНЧ-передатчиков, «Голиаф», был построен в Германии в 1943 году, после войны перевезён в СССР, в 1949—1952 годах восстановлен в Нижегородской области и эксплуатируется до сих пор.

Радиоволны крайне низкой частоты (КНЧ, ELF, до 3 кГц) легко проходят сквозь Землю и морскую воду. Строительство КНЧ-передатчика — чрезвычайно сложная задача из-за огромной длины волны. Советская система «ЗЕВС» работает на частоте 82 Гц (длина волны — 3658,5 км), американская «Seafarer» (англ. мореплаватель) — 76 Гц (длина волны — 3947,4 км). Длина волны в этих передатчиках сравнима с радиусом Земли. Очевидно, что постройка дипольной антенны в половину длины волны (протяжённостью ≈ 2000 км) — нереальная на данный момент задача.

Вместо этого следует найти область Земли с достаточно низкой удельной проводимостью и вогнать в неё 2 огромных электрода на расстоянии порядка 60 км друг от друга. Поскольку удельная проводимость Земли в области электродов достаточно низкая, электрический ток между электродами будет проникать глубоко в недра Земли, используя их как часть огромной антенны. По причине крайне высокой технической сложности такой антенны, только СССР и США имели КНЧ-передатчики.

Спутники

Если субмарина находится в надводном положении, то она может использовать обычный диапазон радиосвязи, как и прочие морские суда. Это не означает использование обычного коротковолнового диапазона: чаще всего это связь с военным cпутником связи. В США подобная система связи называется «спутниковая подсистема обмена информацией с подводными лодками» (англ. Submarine Satellite Information Exchange Sub-System, SSIXS), часть морской системы спутниковой связи на ультравысоких частотах (англ. Navy Ultra High Frequency Satellite Communications System, UHF SATCOM).

Вспомогательные подводные лодки

В 1970-х годах в СССР был разработан проект модификации подводных лодок проекта 629 для использования их в качестве ретрансляторов сигнала и обеспечения связи кораблей из любой точки мира с командованием ВМФ. По проекту было модифицировано три субмарины.

Самолёты

Находясь на небольшой глубине, лодка может принимать радиоволны не высокой частоты (например ”короткие волны”) - они проникают на некоторую глубину под поверхность воды. При этом, в общем случае, радиоволны с более низкими частотами проникают несколько глубже под поверхность воды. Именно таким образом возможен приём сообщений с самолётов

Скрытность

Сеансы связи, особенно со всплытием лодки, нарушают ее скрытность, подвергая риску обнаружения и атаки. Поэтому принимаются различные меры, повышающие скрытность лодки, как технического, так и организационного порядка. Так, лодки используют передатчики для передачи коротких импульсов, в которых сжата вся необходимая информация. Также передача может быть осуществлена всплывающим и подвсплывающим буём. Буй может быть оставлен лодкой в определенном месте для передачи данных, которая стартует, когда сама лодка уже покинула район.

В данной статье расскажем вам про радиоволны и свойства их распространения.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром .

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ» , включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ» .

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны . Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора . Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал» , состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка , в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения , или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель» . Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

ВВЕДЕНИЕ

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

Факторы, влияющие на распространение радиоволн

Средой распространения радиоволн может быть как естественная трасса, так и искусственная. Естественной трассой является земная поверхность, атмосфера или космическое пространство. Такая среда не поддается управлению, что весьма важно для организации радиосвязи. Пути распространения радиоволн по естественным трассам имеют вид:

(РИСУНОК 12).

Радиоволны (1) распространяются в непосредственной близости Земли называют земными. Наиболее заметное влияние на распространение радиоволн в атмосфере оказывают тропосфера и ионосфера. Распространение тропосферных волн (2) в тропосфере происходит вследствие рассеяния и отражения от неоднородностей тропосферы радиоволны (3) распространяются путем отражения от ионосферы, или рассеяния в ней называют ионосферными. Радиоволны 4,5 используются для радиолиний Земля-космос, космос-космос и не имеют специального названия. В свободном пространстве радиоволна обладает поперечной структурой, т.е. входящие в ее состав взаимосвязанные электрическое и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения. На рис.13 вектор E характеризует в некоторый момент времени направление электрического поля волны, вектор H-магнитного поля, вектор П-направление распространения э.м волны. Расположение вектора Е в пространстве характеризует поляризацию радиоволны. В зависимости от изменения направления вектора поляризация может быть линейной, круговой, эллиптической. При линейной поляризации вектор Е в процессе распространения остается параллельным самому себе, периодически меняясь по величине и направлению. Математический закон изменения вектора при условии, что в прямоугольной системе координат он изменяется в плоскости проходящей через ось Z, можно записать: Ez=Emcos(?t-kz) (1) или в комплексной форме: Ez=Em*(e**j)*cos(?t-kz) (2), где?=2πƒ-κруговая частота, k=2π/λ – пространственная частота или волновой коэффициент. В общем случае величина k имеет смысл вектора и характеризует направление распространения волны. Закон изменения вектора H записывается аналогично в силу того, что только при этом условии возможно распространение радиоволн. В случае распространения линейно поляризованной волны вблизи раздела 2х сред различают вертикальную поляризацию если вектор E лежит в плоскости падения волны и горизонтальную, если вектор E параллелен границе раздела. Понятие поляризации относительное, в общем случае рассматривают волну поляризованную произвольно относительно границ раздела. В этом случае вектор Е раскладывают на две составляющие, одна из которых будет соответствовать вертикальной поляризации, а вторая – горизонтальной. При круговой поляризации вектор Е оставаясь постоянным по величине, вращается таким образом, что его конец описывает окружность. При эллиптической поляризации вектор Е меняется во времени по направлению и величине что его конец описывает эллипс.

Поляризация радиоволн определяется типом передающей антенны и физическими свойствами среды, в которой происходит распространение радиоволн. Только в космическом пространстве радиоволны распространяются как в свободном пространстве. В ином случае условие распространения определяется электрическими свойствами Земли и атмосферы, а также рельефом местности. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение земных радиоволн. Ее элементарные свойства характеризуются в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью? и проводимостью?. Для земной поверхности однородной по глубине характерно постоянство параметров? и? во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых. На дм и более коротких волнах? уменьшается, а? увеличивается с увеличением частоты. Наибольшее значение? и? имеют жидкие среды, а сухая почва, лед, снег, растительность имеют относительно малые значения? и?. Поэтому в зависимости от частоты радиоволн свойства земной поверхности меняются. Например для см диапазона морская вода считается диэлектриком, а влажная почва может рассматриваться как диэлектрик для метровых и более коротких волн. Параметры ε и γ определяют степень поглощения энергии радиоволны при распространении над земной поверхностью количественно потери энергии описываются коэффициентом поглощения α≈6πγ/√(ε). (3)

Физические потери обусловлены переходом энергии радиоволны в тепловую энергию движения молекул среды распространения. При распространении радиоволны в морской воде и влажной почве на низких частотах с повышением частоты коэффициент поглощения возрастает, на высоких частотах он перестает изменяться, как это имеет место в диэлектрике. Если э.м. волна падает на гладкую поверхность Земли, то она частично отражается от границы раздела сред и частично переходит в глубь второй среды. Поэтому в атмосфере имеются падающие и отраженные волны, а во второй среде – преломленная волна. При отражении волн может меняться ее поляризация, а преломленная часть волны поглощается средой. Отражение радиоволн от ровной плоской поверхности подчиняется закону геометрической оптики. Если поверхность земли не ровная, то радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе и в обратном. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна составляющую ортогональную поляризацию. Поверхность считается ровной, если максимальная высота неровности hн удовлетворяет условию: hнλ/(8cosφ) (4). , γде?-угол падения радиоволны. Для УКВ линии, при которой связь осуществляется только на расстоянии прямой видимости поднятие антенн над поверхностью земли позволяет увеличить протяженность связи. Для СВ и ДВ увеличение протяженности радиолиний обеспечивается дифракцией радиоволн, т.е. огибанием препятствий, встречающихся на их пути. Влияние тропосферы на распространение радиоволн также, как и в случае распространения земных радиоволн в основном определяется характером изменения диэлектрической проницаемости и проводимости среды, которые в свою очередь зависят от физико-химических свойств газов, входящих в тропосферу. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изменяется лишь содержание водяных паров, которые зависят от метеорологических условий и убывают с высотой. При распространении в тропосфере радиоволны см-го и более коротковолнового диапазона она теряет энергию вследствие поглощения каплями воды и рассеяния в них. При прохождении радиоволн в каждой капельке воды наводятся токи поляризации, которые обуславливают потери энергии. При этом каждая капля переизлучает э.м. волны, причем равномерно во все стороны, что и приводит к рассеянию мощности радиоволны. Мм- волны испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. При распределении радиоволн в тропосфере наблюдаются искривления траектории волны, причем степень искривления и направления волны зависят от состояния тропосферы. Это явление искривления траектории называемое рефракцией объясняется изменением диэлектрической проницаемости? и показателя преломления тропосферы с высотой. Представим тропосферу в виде тонких сферических слоев с неизменными в слое и отличающимися в разных слоях коэффициентами преломления. При прохождении радиоволны через границы слоев она будет преломляться. Если коэффициент преломления убывает с высотой, то угол преломления увеличивается, т.е. dn/dh 0, то имеет место отрицательная тропосферная рефракция и траектории радиоволн искривляются вверх от земли. При положительной тропосферной рефракции имеет место 3 частных случая: 1) нормальная рефракция 2) критическая рефракция 3) сверхрефракция Нормальная тропосферная рефракция происходит в нормальной тропосфере, параметры которой (P, t, влажность высота) соответствует некоторому среднему значению. Траектория распределения радиоволн при этом искривляется в сторону земной поверхности, что приводит к увеличению дальности радиолинии. Степень отклонения радиоволн зависит от длины волны и от состояния тропосферы. При некоторых условиях искривление такое, что радиоволна распространяется параллельно земле на постоянной высоте. Такой вид рефракции называется критической. При резком убывании коэффициента преломления с высотой происходит полное внутреннее отражение радиоволны от тропосферы, и она возвращается на землю. Это явление называется сверхрефракцией и наблюдается в диапазоне УКВ.

Рисунок 16

Когда область сверхрефракции занимает значительное расстояние над земной поверхностью УКВ может распространяться на весьма большие расстояния. Радиоволна в этом случае распространяется путем последовательного чередования 2х явлений: рефракции в тропосфере и отражения от земли. Это явление получило название распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода. Такое волноводное распространение возможно для см и дм волн. Высота тропосферных волноводов может достигать несколько десятков метров. В тропосфере создаются и другие условия обеспечивающие дальнее распространение радиоволн. На высотах 1-3 км наблюдаются инверсионные слои, т.е. слои с резким изменением коэффициента преломления, которые могут отражать радиоволны. Толщина инверсионного слоя может колебаться от нескольких метров до ста метров. При этом коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих лучей при малой толщине слоя по сравнению с длиной волны из этого следует что достаточная интенсивность отражений наблюдается на метровых волнах. Длинные волны отражаются слабее. Отражаясь от высоких инверсионных слоев радиоволны могут распространяться на расстояние до 200-400 км. Однако это явление, как и тропосферный волновод для создания регулярно действующей радиолинии ограничено нерегулярностью проявления. Более реальным является использование дальнего тропосферного распространения за рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Неоднородности создают вторичное излучение, носящее многолучевой характер. Максимум переизлучения ориентирован в сторону первоначального распространения волны и лишь некоторая часть в сторону. Протяженность радиолинии в случае тропосферного рассеяния достигает 300-500 км. Такие радиолинии широко используются в настоящее время там, где нельзя установить промежуточные ретрансляционные станции (над проливами, в северных и мало населенных районах). Эти радиолинии обеспечивают хорошую надежность передачи телефонных и телеграфных сообщений. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обуславливается двумя основными факторами - наличием неоднородностей и относительно высокой концентрацией электронов. Неоднородности ионосферы представляют собой некоторые области, электронная плотность в которых отличается от среднего значения на данной высоте. Размеры неоднородностей могут быть от нескольких метров до нескольких километров. В области D преобладают мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое Е до 200-300 м, а в слое F до нескольких километров. Хотя неоднородности ионосферы постоянно меняются, тем не менее они используются радиосвязи на метровых волнах на дальности 1-2 тыс. км. Наличие в ионосфере электронов и ионов определяет величину диэлектрической проницаемости, от которой зависит затухания ионосферных волн. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа всегда 2 (5), где f- рабочая частота, Nэ – электронная плотность. Из формулы (5) видно, что при некотором значении электронной плотности диэлектрическая проницаемость может стать равной 0. Частота f 0 при которой ε=0 называется собственной частотой ионизированного газа. В этом случае формула (5) имеет вид:
(6). При f (7). Из формулы (7) видно что, каждой частоте соответствует своя фазовая скорость. Эта скорость > скорости света в свободном пространстве. Таким образом дисперсия волн проявляется при одновременном распространении нескольких монохроматических волн различных частот, что практически всегда имеет место. Спектральная составляющая радиосигнала в диспергирующей среде распространяется с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала. Групповая скорость – это скорость распространения максимума огибающей сигнала. Для ионизированного газа групповая скорость Uгр распространения волны в диспергирующей среде определяется выражением:
(8). Γрупповая и фазовая скорости связаны соотношением: Uгр*Uф=с 2 (9) Т.о. в ионизированном газе радиосигналы распространяются со скоростью меньшей скорости света. Очевидно, что при распространении в ионосфере наибольшее искажение будут испытывать широкополосные сигналы, к которым относятся короткие импульсы.

Импульс 1 после прохождения через ионосферу приобретает форму 2. При распространении через ионосферу искажение вследствие дисперсии претерпевают импульсы длительностью в несколько секунд. А длительные телеграфные импульсы из-за дисперсии практически не искажаются. При распространении радиоволны через ионосферу ее траектория искривляется, при определенной диэлектрической проницаемости, электронной плотности, угле падения волны, ее рабочей частоте радиосигнал может отразиться от ионосферы. При этом угол падения Θ должен быть равен или превышать некоторый критический угол Θкр. Отражение радиоволн возможно и при нормальном падении на ионосферу и происходит оно на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа. Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения. Максимальная частота, при которой радиоволна отражается в случае вертикального падения на ионосферу, называется критической частотой f КР. Если рабочая частота больше критической, то при нормальном падении на ионосферу отражения не происходит и волна уходит в космическое пространство. Во время солнечных вспышек возникают ионосферные магнитные бури ухудшающие УКВ и КВ связь. Т.о. параметры тропосферы и ионосферы флуктуируют во времени. Это приводит к случайным изменениям амплитуды и фазы радиосигнала и вызывает их искажение. Флуктуация амплитуды сигнала называется замиранием.

Распространение средних волн (СВ)

СВ имеют =100-1000 м и могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами. Земные радиоволны (РВ) СВ-диап-на испытывают значительные поглощения в полупроводящей поверхности Земли, что ограничивает их распространение расстоянием 500-700 км. Ионосферные РВ СВ-диап-на могут распространятся на гораздо большие расстояния, однако это имеет место в ночное время суток. Днём распространение СВ происходит практически только земной волной, т.к. ионосферная волна поглощается в слое D и быстро затухает. В ночное время слой D исчезает и СВ распространяются путём отражения от слоя Е ионосферы. Т.о. в диап-не СВ на некотором расстоянии от передатчика возможен одновременный приход земной и ионосферной волн (ИВ).

Вследствие того, что длина пути ИВ меняется по случайному закону при изменении электронной плотности ионосферы изменяется разность фаз волн, приходящих в некоторую точку приёма В. Если разность фаз земной и ИВ =0, то сигнал максимален, а если =180 о, то минимален. Такое изменение напряжённости поля, т.е. сигнала, называется ближним замиранием поля.

Возможен и другой вид замирания, так называемое дальнее замирание поля. Оно возникает в случае прихода в некоторую точку С (рис.18) ИВ путём одного (кривая 3) и двух (кривая 2) отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн так же приводит к колебаниям напряжённости эл. поля. Замирания тем глубже и чаще, чем короче  . Средняя длительность замираний в диапазоне СВ изменяется в пределах от 1с до 10-ков секунд.

Глубокие замирания в диап-не СВ сильно затрудняют приём передаваемой по радиолинии информации. Для борьбы с замираниями на передающей стороне радиолинии применяют специальные антенны, у которых максимум излучения прижат к земной поверхности. В этом случае зона ближних замираний удаляется от передатчика, а дальнее замирание вообще не возникнет, т.к. волна, пришедшая путём двух отражений будет сильно ослаблена. В радиоприёмных устройствах для борьбы с замираниями применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая обеспечивает поддержание постоянного уровня сигнала на выходе несмотря на значит. колебания напряжения на входе. Уменьшение уровня ионизации в зимние месяцы позволяет увеличить протяжённость радиолиний в СВ-диап-не зимой.

СВ находят многообразное применение для построения радиосвязи на относительно небольшие расстояния(до 1000 км). На СВ работают радиовещательные станции. В бортовых устройствах СВ используются для радиосвязи и радионавигации.

Распространение коротких волн (КВ)

К КВ относятся РВ с  =(10-100)м. Они могут распространяться как в виде земных (ЗВ), так и ионосферных волн (ИВ). Вследствие сильного поглощения в земн. поверхности и плохих условий дифракции земные РВ КВ диап-на распространяются на расстояния до 100 км. Над морем ЗВ испытывает меньшее поглощение, поэтому дальность КВ радиосвязи ув-ся до нескольких сот км. Если передающие и приёмные антенны поднять над земной поверхностью, поглощение ЗВ уменьшается, а дальность действия радиолинии будет доходить до 1000 км. Это имеет место, например, при радиосвязи между самолётами или между самолётом и землёй. Распространение КВ ионосферной волной происходит путём многократного последовательного отражения от слоя F ионосферы и земной поверхности. КВ не испытывают заметного поглощения при пересечении слоёв E и D, что обеспечивает возможность их распространения на сколь угодно большие расстояния. Для этого требуются радиопередатчики сравнительно небольшой мощности, что является ценной особ-тью КВ-диап-на. Еще одной особенностью этого диап-на является возможность создания направленного излучения РВ, что позволяет уменьшить излучение вдоль земной поверхности и, следовательно, уменьшить потери энергии.

Для связи ионосферной волной в КВ-диапазоне необходимо вып-е двух условий: 1.) волны должны отражаться от ионосферы (И); 2) они не должны сильно поглощаться в слоях И.

Эти условия влияют, прежде всего, на выбор рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы электронная плотность И. была достаточной. Рабочая частота f  , при которой волны отразятся от ионосферы при заданной электронной плотности N Э и угле падения  0 равна:

(10)

Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона. Нижняя граница рабочего диапазона определяется степенью поглощения КВ в И.. В диап-не КВ уменьшение поглощения происходит с повышением частоты. Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия получения в некоторой точке пространства достаточной для приёма напряжённости ЭМ поля при данной мощности передатчика. Электронная плотность И. меняется в течение суток, поэтому днём рабочий диапазон волн 10-25м, ночью 35-100м. Необходимость правильного выбора длины волны усложняет организацию радиосвязи.

Для КВ радиолиний характерна ещё одна особенность – наличие так называемой зоны молчания. Зоной молчания (ЗМ) называют кольцевую область вокруг передатчика, в пределах которой невозможен приём РВ. Наличие ЗМ объясняется тем, что земные радиоволны 1 быстро затухают, а ИВ 2 приходят в некоторую точку земной поверхности на значительном удалении от радиопередатчика, т.к. для ИВ, падающих под малыми углами на И. не выполняется условие отражения (10) и они (рис. 19) уходят в космическое пространство. Пределы зоны молчания зависят от рабочей длины волны и уровня электронной плотности. Днём при связи на волнах в 10-25м ЗМ достигает 1000км, а ночью при связи на волнах 35-100м ширина ЗМ уменьшается до нескольких сот км. С увеличением мощности передатчика ЗМ так же уменьшается.

При распространении КВ, так же, как и в средневолновом диапазоне наблюдается явление случайного изменения во времени уровня сигнала, т.е. замирание. Сущ-ют замирания быстрые и медленные.

РИСУНОК 20

Быстрые замирания являются следствием многолучевого распространения РВ (рис 20а). Прежде всего причиной замираний служит приход в точку приёма РВ претерпевших одно и двукратное отражение от И.. Радиоволны 2 и 3 проходят разные пути, поэтому их фазы неодинаковы. Кроме того, изменение электронной плотности И. приводит к изменению длины пути каждой волны. Такие изменения происходят непрерывно, поэтому колебание напряж-ти эл. поля в диап-не КВ являются частыми и глубокими. Замирания радиосигналов вызываются также рассеянием РВ на неоднородностях И.(рис 20б) и интерференции рассеянных волн. ИВ-на КВ-диап-на под действием м. поля земли распадается на две составляющие – обыкновенную и необыкновенную, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями (рис 20в). Интерференция составляющих магниторасщеплённой волны также приводит к замираниям. При отражениях от И. наблюдается также поворот плоскости поляризации волны. Если приёмная антенна принимает волны одной поляризации, то случайные изменения поляризации РВ-ны приведет к колебаниям уровня входящего сигнала. Все указанные причины замирания сигнала как правило действуют одновременно. Изменение поглощения РВ в И. также вызывает замирание, по времени проявления они медленнее.

Для борьбы с замираниями применяют направленные антенны, организуют приём радиоволн на разнесённые антенны, т.к. величина разноса порядка 10 обеспечивает надёжный приём. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т.е. приём РВ на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. При благоприятных условиях распространения КВ могут огибать земной шар один или несколько раз.

Тогда в точке приёма помимо основного сигнала с некоторым опозданием (0.1с) возможно появление такого же сигнала. Это явление, называемое радиоэхо ухудшает качество приёма радиосигналов. КВ нашли широкое и весьма многообразное применение прежде всего в организации дальней связи для радионавигации и радиовещания, в целях радиолокации для загоризонтного обнаружения объектов.

Распространение УКВ

К УКВ относят сравнительно большой диапазон волн =10-0.001м. Диапазон УКВ делят на поддиапазоны метровых (МВ), дециметровых (СМ), сантиметровых (СМ) и миллиметровых (ММ) волн. Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения, однако существуют общеосновные положения, свойственные всему диап-ну УКВ. Условия распространения УКВ определяются прежде всего свойствами трассы. УКВ слабо дифрагируют вокруг выпуклой поверхности Земли и крупных неровностей на ней и по этой причине распространяются на расстояния лишь незначительно превышающие дальность прямой видимости. Для того чтобы увеличить дальность УКВ-связи и уменьшить влияние окружающих антенну неровностей радиолинии стремятся поднять над земной поверхностью по возможности выше. Дальность действия радиолинии при этом с учётом атмосферной рефракции, определяется формулой

, (11)

где h 1 , h 2 - высота поднятия антенн в метрах, D – дальность радиолинии в км. Если протяжённость УКВ радиолинии много меньше предельно возможной дальности прямой видимости, то сферичность Земли, рефракция в тропосфере не влияют на распространение РВ. Для подобных радиолиний характерны большая устойчивость и неизменность уровня радиосигнала во времени, если передатчик и приёмник стационарные. Если хотя бы один из абонентов УКВ радиолинии является подвижным объектом, то уровень радиосигнала меняется во времени вследствие изменении угла наблюдения при движении объекта и изрезанности (?) зоны излучения стационарной передающей антенны.

Если протяжённость УКВ радиолинии превышает пределы прямой видимости, то на качество её работы влияет сферичность Земли, явление рефракции, а также метеорологические условия. Сферичность Земли оказывает заметное ослабляющее действие, а тропосферная рефракция большей частью улучшает условия приёма. При нормальной тропосферной рефракции протяж-ть УКВ радиолинии может превышать пределы прямой видимости на 15. ДЛЯ наземных радиолиний с низко расположенными антеннами максимальная дальность распространения УКВ не превышает нескольких км. С антеннами, поднятыми на высоту порядка 20-25м максимальная дальность составляет 40-60 км. Для самолётов, летящих на средних высотах она равна 300-400 км. При распространении УКВ над пересечённой местностью препятствия ослабляют сигналы в том случае, если они перекрывают линию прямой видимости между антеннами приёмо-передающих устройств.

Вместе с тем, на трассах УКВ в горных условиях наблюдается явление улучшения распространения РВ. Например, на трассах протяжённостью 100-150 км проходящих через горы высотой 1-2 км наблюдается явление усиления препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность ЭМ поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем в случае распространения без препятствия. Объясняется это тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором.

Поле, возбуждающее вершину горы складывается из прямой волны 1 и отражённой волны 2. Волны дифрагируют на острой вершине и распространяются в область за гору. К месту расположения приёмной антенны А2 приходят волны 3 и 4, сумма которых значительно превышает уровень сигнала в этой точке пространства при распространении РВ без препятствия. Явление усиления препятствием экономически выгодно и позволяет организовать радиолинию в горах без ретрансляционной станции.

Распространение УКВ на большие расстояния (до 200-1000 км) возможно путём рассеяния на неоднородностях тропосферы, которые действуют как вторичные излучатели. Поле, создаваемое вблизи земной поверхности есть результат интерференции полей, переизлучённых большим числом неоднородностей. На неоднородностях тропосферы хорошо рассеиваются волны см. и дм. диап-нов. Волны метрового диап-на переизлучаются неоднородностями ионосферы.

Максимальная протяжённость радиолинии, использующей ионосферные волны метрового диап-на достигает 2000-2300 км. Такая радиосвязь имеет большое преим-во перед коротковолновыми линиями связи в возможности круглосуточной работы на одной частоте без заметных нарушений связи.

Сверхдальняя связь на УКВ может быть основана на использовании явления сверхрефракции в тропосфере. Если область сверхрефракции занимает значительный объём над земной поверхностью, то при этом обеспечивается распространение УКВ на большие расстояния в условиях, так называемого, тропосферного волновода. Такая связь имеет недостатки: 1) приём радиоволн возможен, если приёмник и передатчик находятся в пределах волновода; 2) нерегулярное появление волноводов не может обеспечить устойчивую связь на больших расстояниях.

Явление сверхрефракции имеет и негативную сторону. Оно может служить причиной взаимных помех, создаваемых станциями, работающими в см-ровом диап-не, а также помех радиолокационным станциям обнаружения воздушных объектов.

УКВ широко применяются на космических радиолиниях, подразделяющихся на виды Земля-космос и космос-космос. Межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее воздействие на радиоволны. На р/линии Земля-космос решающее значение имеет ослабление сигналов из-за большой протяжённости трассы и поглощения в атмосфере Земли. Для космических систем связи оптимальными являются волны длиной от 3 до 10 см.

В современных линиях радиосвязи УКВ занимают особое место, т.к. обладают рядом преимуществ по сравнению с РВ-нами других диап-нов:

1.Диапазон УКВ занимает очень широкий спектр частот, что позволяет разместить в нём большое количество одновременно работающих без взаимных помех радиосредств, а также маневрировать их рабочей длиной волны.

2.В диап-не УКВ возможно создание широкополосных радиолиний, таких как телевизионные линии или широкополосные радиолинии с ЧМ.

3.Применение УКВ позволяет сравнительно легко осуществлять остронаправленное излучение и приём радиоволн с помощью антенн относит-но небольших размеров.

4.Радиоприём на УКВ в меньшей степени подвержен воздействию атмосферных и промышленных помех.

5.Ограничение дальности распространения УКВ обеспечивает относительную скрытность передачи информации.

МВ и ДМВ используют для передачи ТВ изображений, для радиосвязи самолётов между собой и с наземными пунктами. См-ровые волны прим-ся для линий связи широкого назнач-я, для такой же связи применяются и мм-ровые волны.