Распростарнение радиоволн

Тип:
Добавлен:

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:

рассчитать мощность пе­редающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий);

определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;

определить истинную скорость и на­правление прихода сигналов;

учесть возможные искажения передава­емого сигнала и определить меры по их устранению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверх­ности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распростране­нии радиоволн.

Земная поверхность оказывает сущест­венное влияние на распространение радио­волн:

в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;

при падении на земную поверхность они отражаются;

сфе­рическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

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

Рис. 1.2. Диаграммы направленности антенны по

мощности:

1 – изотропного излучателя; 2 – направленной

антенны

4 основное влияние ока­зывает атмосфера Земли.

1.1. Формула идеальной радиопередачи

Свободное пространство можно рас­сматривать как однородную непоглощающую среду с 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/м2) 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 Dмакс=D(ξ0 θ0). Зависимость величин D от углов ξ и θ называют диаграммой направленности антенны по мощно­сти, а отношение F2(ξ,θ)= D(ξ θ)/Dмакс

- 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)

E2mcв =2Z0 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,

, (1.2)

где

— 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:

. (1.3)

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 B0(дБ) рассчитывают по формуле:

, (1.4)

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 [2].В зависимости от изменения направления вектора поляри­зация может быть линейной, круговой и эллиптической. Вид поляризации радиоволн в свободном про­странстве определяется типом излучателя (антенны). Например, антенна-вибратор излучает в сво­бодном пространстве линейно поляризован­ную волну.

Для получения волн с круговой поляризацией достаточно иметь в качестве передающей антенны два линейных вибратора, смещен­ных в пространстве на 90° один относитель­но другого и питать их токами равной амп­литуды со сдвигом по фазе на 90°. Радио­волны с круговой поляризацией излучают, например, спиральная и турникетная антен­ны. Подобный вид поляризации находит широкое применение в телевидении и радио­локации.

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

Для эффективного приема характер по­ляризации поля принимаемой волны и поля­ризационные свойства приемной антенны должны совпадать. Формулы (1.2) и (1.3) справедливы в случае совпадения характера и направления поляризации электрического поля и приемной антенны. Если совпадение отсутствует, мощность в приемной антенне уменьшается и в указанные формулы вво­дят поправки. Например, для наиболее эффективного приема волны с ли­нейной поляризацией вибратор приемной антенны должен быть ориентирован парал­лельно вектору . Если направление векто­ра перпендикулярно оси приемного вибра­тора, то приема не будет.

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

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

Областью, существенной при распро­странении радиоволн, называют часть про­странства, в котором распространяется основная доля энергии. Неоднородности сре­ды (например, препятствия на пути волны) влияют на характеристики поля в точке приема, если они охвачены областью, суще­ственной при распространении. Эта область имеет конфигурацию эллипсоида вращения с фокусами в точках А и В (рис.1.3,б). Радиус поперечного сечения эллипсоида на расстоянии от точки A и расстоянии 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. 1.3. К определению зон Френеля

а– формирование волнового фронта; б – к определению

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

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

Рис. 1.4. Изменение напряженности поля за

экраном с круглым отверстием при

изменении радиуса отверстия R

(– 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 [1]

Если , то в среде преоблада­ет ток смещения и она по своим свойствам приближается к диэлектрику. Если же , то в среде преобладает ток про­водимости и ее свойства приближаются к свойствам проводника. Равенство плотно­стей токов проводимости и токов смещения наступает при определенной граничной дли­не волны 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

ε

, См/м

Морская вода (t = 200 С)

>1,0

0,1

0,03

0,003

78

70

40

10

5,0

5,0

20,0

5,0

Пресная вода рек, озер

(t = 20° С)

>1,0

0,1

0,03

0,003

90

80

40

10

210 -2

5

20

5

Влажная почва (t = 20° С)

>1,0

0,1

0,03

15-30

15-30

10-15

Сухая почва (t = 20° С)

>1,0

0,1

0,03

3-6

3-6

2-5

Лед (t = -10° С)

>1,0

0,1

0,03

4-5

3,5

3,2

Снег (t = -10° С)

>1,0

0,1

0,03

1,2

1,2

1,2

10-6

10-5

10-5

Мерзлая почва

(t = -35° С)

>1,0

0,1

0,03

3—7

10-3—10-2

Лес

>10

0,1—5

1,004

1,04—1,4

10-6 — 10-5

10-5 — 10-3

Продолжение табл. 2.1

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

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

(2.1)

где 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 [2]:

(2.2)

(2.3)

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

. (2.4)

Отношение

. (2.5)

называется показателем преломления среды.

Длина волны в среде

При

При

;

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

Погонное поглощение выражается в де­цибелах на метр:

Расстояния, на которых происходит ослабление Еm в 106 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

ƒ, МГц

, м

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

Влажная почва

Морская вода

100

1

0,01

3

300

30000

23

70

700

0,37

3,5

35

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

2.2. Отражение плоских радиоволн на границе воздух — гладкая поверхность Земли

Электромагнитная волна, падая на гладкую границу раздела двух сред (рис.2.1), частично отражается от этой границы (причем угол падения равен углу отраже­ния) и частично проходит в глубь второй среды. Поэтому в первой среде имеются падающая и отраженная волны, а во второй — преломленная волна.

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

Рис. 2.1. К определению коэффициента отражения

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

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

(2.7)

, (2.8)

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: [2]. 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 [3-6].

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

. (2.9)

На формирование отраженной волны основное влияние оказывает участок поверхности, ограниченный 1-й зоной Френе­ля. При нормальном падении волны на поверхность 1-я зона Френеля представляет собой окружность радиусом (см. (1.5)), при наклонном — эллипс, большая ось которого вытянута в направлении распростра­нения волны. Размеры малой и большой по­луосей эллипса 1-й зоны Френеля соответст­венно равны:

(2.10)

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

Рис. 2.2. Расстояние радиоволн на неровностях

земной поверхности

Рис 2.3. Расстояние прямой видимости

без учёта и с учётом рефракции

2.4. Классификация случаев распространения земных радиоволн

При расчете напряженности поля зем­ных радиоволн атмосферу принимают за среду без потерь с 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

(2.11)

где = 6,37106 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

, (2.12)

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:

(2.13)

Присутствие земной поверхности изме­няет распределение поля излучателя в вер­тикальной плоскости. Диаграмма направ­ленности системы излучатель — Земля изре­зана многими лепестками, а диаграмма направленности самого излучателя F(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 900 ) 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. 2.4. Распространение волн при поднятых антеннах

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

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

(2.14)

Если

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

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной

поверхности

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

где – действующая длина реального вибратора.

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

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

Если поверхность, вблизи которой рас­положен вертикальный излучатель (рис. 2.6,б), не является идеальным проводни­ком, то часть энергии радиоволн, распро­страняющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности. Следовательно, помимо составляющей 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. 2.6. Структура поля вертикального вибратора,

расположенного вблизи поверхности: а – идеально проводящей; б - полупроводящей

Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн – схема

распространения волны над сферической поверхностью земного шара

(2.15)

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

(2.16)

Для значений > 25

|W| 1/. (2.17)

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

(2.18)

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)

(3.1)

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

Коэффициент преломления тропосферы

и связан с величиной тропосферы выра­жением

(3.2)

У поверхности Земли значение n в за­висимости от климатических условий равно 1,00026—1,00046. Для расчетов удобнее пользоваться величиной, называемой приведенным показателем прелом­ления тропосферы, N=(n—l)106, 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 = l2. 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:

(3.3)

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

.

При распространении в нормальной тропосфере, характеризующейся постоянством градиента индекса преломления, траек­тории радиоволн, идущих под небольшими углами к земной поверхности, имеют форму дуг окружности с радиусом R = 25 000 км.

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

Учет влияния тропосферной рефракции при линейной зависимости показателя N от высоты производится упрощенно, с помо­щью эквивалентного радиуса Земли Rэ. Предположим, что радиоволны, испыты­вающие рефракцию, распространяются не по криволинейным траекториям в неодно­родной среде, как в действительных усло­виях, а по прямолинейным траекториям в однородной среде над некоторой воображаемой поверхностью, радиус кривизны которой Rэ не равен радиусу Земли: 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

. (3.4)

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

(3.5)

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,

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.