Теория на радиовълните: образователна програма. Радиочестотен обхват и използването му за радиовръзки

Мисля, че всички завъртяха копчето на радиото, превключвайки между „VHF“, „LW“, „SV“ и чуха съскане от високоговорителите.
Но освен дешифрирането на съкращенията, не всеки разбира какво се крие зад тези букви.
Нека разгледаме по-подробно теорията на радиовълните.

Радиовълна

Дължина на вълната (λ) е разстоянието между съседни вълнови гребени.
Амплитуда(и) - максимално отклонение от средната стойност по време на осцилаторно движение.
Period(T) - времето на едно пълно колебателно движение
Честота (v) - брой пълни цикли в секунда

Има формула, която ви позволява да определите дължината на вълната по честота:

Където: дължината на вълната (m) е равна на отношението на скоростта на светлината (km/h) към честотата (kHz)

"VHF", "DV", "SV"

Дълги вълни(LW) v = 150-450 kHz (λ = 2000-670 m).


Този тип радиовълни имат способността да заобикалят препятствия и се използват за комуникация на големи разстояния. Освен това има слаба проникваща способност, така че освен ако нямате дистанционна антена, е малко вероятно да успеете да уловите радиостанции.

Средни вълни(SV) v = 500-1600 kHz (λ = 600-190 m).


Тези радиовълни се отразяват добре от йоносферата, намираща се на разстояние 100-450 км над земната повърхност.Особеността на тези вълни е, че през деня те се поглъщат от йоносферата и ефектът на отражение не възниква. Този ефект се използва практически за комуникация, обикновено на няколкостотин километра през нощта.

Къси вълни(HF) v= 3-30 MHz (λ = 100-10 m).

Подобно на средните вълни, те се отразяват добре от йоносферата, но за разлика от тях, независимо от времето на деня. Те могат да се разпространяват на големи разстояния (няколко хиляди км) поради повторно отражение от йоносферата и повърхността на земята; такова разпространение се нарича скок. За това не са необходими предаватели с висока мощност.

Ултракъси вълни(VHF) v = 30 MHz - 300 MHz (λ = 10-1 m).


Тези вълни могат да се огъват около препятствия с размери няколко метра и освен това имат добра проникваща сила. Благодарение на тези свойства този диапазон се използва широко за радиопредаване. Недостатък е сравнително бързото им затихване при среща с препятствия.
Има формула, която ви позволява да изчислите обхвата на комуникация в VHF диапазона:

Така например, при излъчване от телевизионната кула Останкино с височина 500 м до приемна антена с височина 10 м, обхватът на комуникация при пряка видимост ще бъде около 100 км.

Високи честоти (HF-cm диапазон) v = 300 MHz - 3 GHz (λ = 1-0,1 m).
Те не се огъват около препятствия и имат добра проникваща способност. Използва се в клетъчни мрежи и wi-fi мрежи.
Друга интересна характеристика на вълните в този диапазон е, че водните молекули са в състояние да абсорбират енергията им възможно най-много и да я преобразуват в топлина. Този ефект се използва в микровълновите фурни.
Както можете да видите, wi-fi оборудването и микровълновите фурни работят в същия диапазон и могат да повлияят на водата, така че да спите с wi-fi рутер за дълго време не си струва.

Изключително високи честоти (EHF-милиметрова вълна) v = 3 GHz - 30 GHz (λ = 0,1-0,01 m).
Те се отразяват от почти всички препятствия и свободно проникват в йоносферата. Поради свойствата си се използват в космическите комуникации.

AM - FM

А.М.- амплитудна модулация

Това е промяна в амплитудата на носещата честота под въздействието на кодираща вибрация, например глас от микрофон.
AM е първият вид модулация, изобретен от човека. Сред недостатъците, като всеки аналогов тип модулация, той има ниска устойчивост на шум.

FM- честотна модулация


Това е промяна в носещата честота под въздействието на кодиращо трептене.
Въпреки че това също е аналогов тип модулация, той има по-висока устойчивост на шум от AM и следователно се използва широко в звука на телевизионни предавания и VHF предавания.

Всъщност описаните видове модулация имат подвидове, но тяхното описание не е включено в материала на тази статия.

Още условия

Дифракция- явление, което възниква, когато радиовълната срещне препятствия, в резултат на което вълната може да промени амплитудата, фазата и посоката.
Това явление обяснява връзката на HF и SW през йоносферата, когато вълната се отразява от различни нехомогенности и заредени частици и по този начин променя посоката на разпространение.
Същият този феномен обяснява способността на радиовълните да се разпространяват без пряка видимост, огъвайки се около земната повърхност. За да направите това, дължината на вълната трябва да е пропорционална на препятствието.

ПС:

Ако Максуел не беше предсказал съществуването на радиовълни, а Херц не ги беше открил на практика, нашата реалност щеше да е съвсем различна. Не можахме бързо да обменим информация чрез радио и мобилни телефони, изследвайте далечни планети и звезди с помощта на радиотелескопи, наблюдавайте самолети, кораби и други обекти с помощта на радари.

Как радиовълните ни помагат за това?

Източници на радиовълни

Източниците на радиовълни в природата са мълнии - гигантски електрически искрови разряди в атмосферата, чиято сила на тока може да достигне 300 хиляди ампера, а напрежението - милиард волта. Виждаме светкавица по време на гръмотевична буря. Между другото, те възникват не само на Земята. Светкавици са открити на Венера, Сатурн, Юпитер, Уран и други планети.

Почти всички космически тела (звезди, планети, астероиди, комети и др.) също са естествени източници на радиовълни.

В радиоразпръскването, радарите, комуникационните спътници, фиксираните и мобилните комуникации и различните навигационни системи се използват изкуствено получени радиовълни. Източникът на такива вълни са високочестотни генератори електромагнитни вибрации, чиято енергия се предава в космоса с помощта на предавателни антени.

Свойства на радиовълните

Радиовълните са електромагнитни вълни, чиято честота варира от 3 kHz до 300 GHz и дължина съответно от 100 km до 1 mm. Когато се разпространяват в околната среда, те се подчиняват на определени закони. При преминаване от една среда в друга се наблюдава отражение и пречупване. Присъщи са им и явленията дифракция и интерференция.

Дифракция или огъване възниква, ако има препятствия по пътя на радиовълните, които са по-малки от дължината на вълната на радиовълната. Ако размерите им се окажат по-големи, тогава радиовълните се отразяват от тях. Препятствията могат да бъдат от изкуствен (структури) или естествен (дървета, облаци) произход.

Радиовълните се отразяват от земната повърхност. Освен това повърхността на океана ги отразява с около 50% по-силно от сушата.

Ако препятствието е проводник на електрически ток, тогава радиовълните му предават част от енергията си и в проводника се създава електрически ток. Част от енергията се изразходва за възбуждане на електрически токове на земната повърхност. В допълнение, радиовълните се излъчват от антената в кръгове в различни посоки, като вълни от камъче, хвърлено във водата. Поради тази причина радиовълните губят енергия и отслабват с времето. И колкото по-далеч е приемникът на радиовълни от източника, толкова по-слаб е сигналът, който достига до него.

Интерференцията или суперпозицията кара радиовълните да се усилват или отслабват една друга.

Радиовълните се разпространяват в пространството със скорост, равна на скоростта на светлината (между другото, светлината също е електромагнитна вълна).

Както всички електромагнитни вълни, радиовълните се характеризират с дължина на вълната и честота. Честотата е свързана с дължината на вълната, както следва:

f = ° С/ λ ,

Където f – честота на вълната;

λ - дължина на вълната;

° С - скоростта на светлината.

Както можете да видите, колкото по-голяма е дължината на вълната, толкова по-ниска е нейната честота.

Радиовълните се разделят на следните диапазони: ултра-дълги, дълги, средни, къси, ултра-къси, милиметрови и децимилиметрови вълни.

Радиоразпространение

Радиовълните с различна дължина не се разпространяват еднакво в пространството.

Ултра дълги вълни(дължини на вълните от 10 km или повече) лесно се огъват около големи препятствия близо до повърхността на Земята и се абсорбират много слабо от нея, така че губят по-малко енергия от другите радиовълни. Следователно те също избледняват много по-бавно. Следователно в космоса такива вълни се разпространяват на разстояния до няколко хиляди километра. Дълбочината на тяхното проникване в околната среда е много голяма и се използват за комуникация с подводници, намиращи се на големи дълбочини, както и за различни изследвания в областта на геологията, археологията и инженерството. Способността на ултра-дългите вълни лесно да обикалят Земята прави възможно изследването на земната атмосфера с тяхна помощ.

Дълги, или километър, вълни(от 1 km до 10 km, честота 300 kHz - 30 kHz) също са обект на дифракция и следователно могат да се разпространяват на разстояния до 2000 km.

Средно аритметично, или хектометър, вълни(от 100 m до 1 km, честота 3000 kHz - 300 kHz) те се огъват около препятствията на земната повърхност по-лошо, поглъщат се по-силно и следователно затихват много по-бързо. Те се простират на разстояния до 1000 км.

Къси вълнисе държат различно. Ако настроим автомобилно радио в град на къса радиовълна и започнем да се движим, тогава с отдалечаване от града приемането на радиосигнала ще се влоши и на разстояние от около 250 км ще спре напълно. След известно време обаче радиопредаванията ще бъдат възобновени. Защо се случва това?

Работата е там, че радиовълните с малък обсег (от 10 m до 100 m, честота 30 MHz - 3 MHz) на повърхността на Земята затихват много бързо. Въпреки това вълните, излизащи под голям ъгъл спрямо хоризонта, се отразяват от горния слой на атмосферата - йоносферата, и се връщат обратно, оставяйки след себе си стотици километри „мъртва зона“. След това тези вълни се отразяват от земната повърхност и отново се насочват към йоносферата. Многократно отразявани, те са в състояние да обиколят земното кълбо няколко пъти. Колкото по-къса е вълната, толкова по-голям е ъгълът на отражение от йоносферата. Но през нощта йоносферата губи своята отразяваща способност, така че комуникацията на къси вълни е по-лоша на тъмно.

А ултракъси вълни(дължини на вълните в метър, дециметър, сантиметър, по-къси от 10 m) не могат да бъдат отразени от йоносферата. Разстилайки се в права линия, те проникват в него и се изкачват по-високо. Това свойство се използва за определяне на координатите на въздушни обекти: самолети, ята птици, нивото и плътността на облаците и т.н. Но ултракъсите вълни също не могат да се огъват около земната повърхност. Поради факта, че се разпространяват в рамките на пряка видимост, те се използват за радиокомуникации на разстояние от 150 - 300 км.

По своите свойства ултракъсите вълни са близки до светлинните вълни. Но светлинни вълниможе да се събере в пакет и да се изпрати на Правилно място. Ето как работят прожектор и фенерче. Същото важи и за ултракъсите вълни. Те се събират със специални антенни огледала и към тях се изпраща тесен лъч в правилната посока, което е особено важно, например, при радарни или сателитни комуникации.

Милиметрови вълни(от 1 cm до 1 mm), най-късите вълни в радиообхвата, подобни на ултракъсите вълни. Те също се разпространяват в права линия. Но сериозна пречка за тях е валежи, мъгла, облаци. В допълнение към радиоастрономията и високоскоростните радиорелейни комуникации, те са намерили приложение в микровълновата технология, използвана в медицината и в бита.

Субмилиметър, или децимилиметрови вълни (от 1 мм до 0,1 мм) съгл международна класификациясъщо се отнасят за радиовълни. IN природни условияте почти не съществуват. Те заемат пренебрежимо малък дял от енергията на слънчевия спектър. Те не достигат повърхността на Земята, тъй като се абсорбират от водните пари и молекулите на кислорода в атмосферата. Създадени от изкуствени източници, те се използват в космическите комуникации и за изследване на атмосферата на Земята и други планети. Висока степенБезопасността на тези вълни за човешкото тяло позволява да се използват в медицината за сканиране на органи.

Субмилиметровите вълни се наричат ​​„вълни на бъдещето“. Напълно възможно е те да дадат на учените възможност да изучават структурата на молекулите на веществата по напълно нов начин, а в бъдеще може би дори ще им позволят да контролират молекулярните процеси.

Както можете да видите, всеки диапазон на радиовълните се използва там, където характеристиките на тяхното разпространение се използват за максимална полза.

ВЪВЕДЕНИЕ

По правило терминът "радиовълни" се отнася до електромагнитни вълни, принадлежащи към един или друг честотен диапазон, използван в радиотехниката. Със специално решение на Международния съюз по телекомуникации (ITU) и Международната електротехническа комисия (IEC) е обичайно да се разграничават следните радиочестотни диапазони и съответните дължини на радио вълните:

много ниски честоти (VLF) - от 3 до 30 kHz, или мириаметрови вълни (дължина на вълната от 100 до 10 km);

ниски честоти (LF) - от 30 до 300 kHz, или километрични вълни (дължина на вълната от 10 до 1 km);

средни честоти (MF) - от 300 kHz до 3 MHz, или хектометрични вълни (дължина на вълната от 1 km до 100 m);

високи честоти (HF) - от 3 до 30 MHz, или декаметрови вълни (дължина на вълната от 100 до 10 m);

много високи честоти (VHF) - от 30 до 300 MHz, или метрови вълни (дължина на вълната от 10 до 1 m);

свръхвисоки честоти (UHF) - от 300 MHz до 3 GHz, или дециметрови вълни (дължина на вълната от 1 m до 10 cm);

свръхвисоки честоти (микровълни) - от 3 до 30 GHz, или сантиметрови вълни (дължина на вълната от 10 до 1 cm);

изключително високи честоти (EHF) - от 30 до 300 GHz, или милиметрови вълни (дължина на вълната от 1 cm до 1 mm).

Радиотехнологиите исторически са се развивали с постоянна тенденция за овладяване на все по-високи честотни диапазони. Това се дължи главно на необходимостта от създаване на високоефективни антенни системи, които концентрират енергията в тесни плътни ъгли. Факт е, че антена с тясна диаграма на излъчване трябва задължително да има напречни размери, значително надвишаващи работната дължина на вълната. Това условие е лесно изпълнимо в метровия и още повече в сантиметровия диапазон, докато силно насочената антена за мириаметрови вълни би имала напълно неприемливи размери.

Вторият фактор, който определя ценните свойства на високочестотните диапазони, е фактът, че е възможно да се реализират голям брой радиоканали с взаимно неприпокриващи се честотни ленти. Това дава възможност, от една страна, да се използва широко принципът на честотно разделяне на каналите, а от друга страна, да се използват широколентови модулационни системи, като честотна модулация. При определени условия такива модулационни системи могат да осигурят висока шумоустойчивост на радиоканала.

В практиката на радиоразпръскването и телевизията се разви и донякъде опростена класификация на диапазоните на радиовълните. Според нея мириаметровите вълни се наричат ​​ултрадълги вълни (VLW), километричните вълни се наричат ​​дълги вълни (LW); хектометрични - средни вълни (MV), декаметрични - къси вълни (SW), и все по-високочестотни вибрации с дължина на вълната под 10 m се класифицират като ултракъси вълни (VHF).

1. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ В СВОБОДНО

ПРОСТРАНСТВО

Системата за предаване на информация се състои от три основни части: предавателно устройство, приемащо устройство и междинна връзка - свързваща линия. Междинната връзка е средата - пространството, в което се разпространяват радиовълните. Когато радиовълните се разпространяват по естествени пътища, т.е. при условия, при които средата е земната повърхност, атмосферата или космическото пространство, средата е тази част от радиосистемата, която е практически невъзможна за контрол.

Когато радиовълните се разпространяват в среда, амплитудата на вълновото поле се променя, скоростта и посоката на разпространение се променят, равнината на поляризация се върти и предаваните сигнали се изкривяват. В тази връзка при проектирането на радиокомуникационни линии е необходимо:

определя оптимални работни вълни при дадени условия на разпространение;

определяне на истинската скорост и посока на пристигане на сигнали;

да вземе предвид възможните изкривявания на предавания сигнал и да определи мерки за отстраняването им.

За решаването на тези проблеми е необходимо да се познават електрическите свойства на земната повърхност и атмосферата, както и физичните процеси, протичащи при разпространението на радиовълните.

Земната повърхност оказва значително влияние върху разпространението на радиовълните:

в полупроводниковата повърхност на Земята се абсорбират радиовълни;

при падане върху земната повърхност се отразяват;

Сферичната форма на земната повърхност възпрепятства праволинейното разпространение на радиовълните.

Радиовълните, разпространяващи се в непосредствена близост до земната повърхност, се наричат земни радиовълни(1 на фиг. 1.1). Когато се разглежда разпространението на земните вълни, атмосферата се счита за среда без загуби с относителна диелектрична проницаемост ε, равна на единица. Отделно се отчита влиянието на атмосферата, като се правят необходимите корекции.

IN заобикалящи ЗемятаВ атмосферата има три области, които влияят върху разпространението на радиовълните: тропосферата, стратосферата и йоносферата. Границите между тези области не са рязко очертани и зависят от времето и географското положение.

Тропосферанаречен повърхностен слой на атмосферата, простиращ се до височина 7-18 km. В тропосферата температурата на въздуха намалява с височината. Тропосферата е разнородна както във вертикално направление, така и по протежение на земната повърхност. Неговите електрически параметри се променят с променящите се метеорологични условия. В тропосферата траекторията на земните радиовълни 1 е изкривена, наречена рефракция. Разпределение тропосферни радиовълни 2 е възможно поради тяхното разсейване и отражение от нееднородности в тропосферата. Радиовълните в милиметровия и сантиметровия диапазон се абсорбират в тропосферата.

Стратосферасе простира от тропопаузата до надморска височина от 50-60 km. Стратосферата се различава от тропосферата по значително по-ниската плътност на въздуха и по закона за разпределение на температурата по надморска височина: до надморска височина 30-35 km температурата е постоянна, а след това до височина 60 km рязко се повишава . Стратосферата има същото влияние върху разпространението на радиовълните като тропосферата, но то е по-слабо изразено поради ниската плътност на въздуха.

йоносферанарича областта на атмосферата на височина 60-10 000 km над земната повърхност. На тези височини плътността на въздуха е много ниска и въздухът е йонизиран, тоест има голям брой свободни електрони. Наличието на свободни електрони значително влияе върху електрическите свойства на йоносферата и прави възможно отражението от йоносферата на радиовълни с дължина над 10 м. Радиовълните, разпространяващи се чрез отражение от йоносферата или разсейване в нея, се наричат йоносферни вълни 3. Свойствата на земната повърхност и тропосферата оказват малко влияние върху условията за разпространение на йоносферните вълни.

Условията за разпространение на радиовълни 4.5 по време на космически радиокомуникации имат някои специфични особености, а за радиовълните

Ориз. 1.2. Диаграми на излъчване на антената от

мощност:

1 – изотропен излъчвател; 2 – насочен

4 основно влияние оказва земната атмосфера.

1.1. Формулата за идеално радио предаване

Свободното пространство може да се разглежда като хомогенна непоглъщаща среда с ε =1. В действителност такива среди не съществуват, но изразите, описващи условията за разпространение на радиовълните в този най-прост случай, са фундаментални. Разпространението на радиовълни в по-сложни случаи се характеризира със същите изрази с добавяне на фактори, които отчитат влиянието на специфичните условия на разпространение.

За да се проектират различни радиосистеми, е необходимо да се определи напрежението електрическо полерадиовълни на мястото на приемане или мощност на входа на приемащото устройство.

За енергийна плътност на свободното пространство P (W/m 2 ) на разстояние r (m) от точков източник, излъчващ радиовълни равномерно във всички посоки, е свързано с мощността, излъчвана от този източник Rizl (W), както следва:

където P е модулът на вектора на Пойнтинг.

На практика антената излъчва енергия неравномерно в различни посоки. За да се вземе предвид степента на неравномерност на излъчването, се въвежда коефициентът на насоченост на антената.

Усилване на антената D показва колко пъти се променя плътността на мощността на дадено разстояние от излъчвателя с насочен излъчвател в сравнение с ненасочен (изотропен) излъчвател.

При използване на насочен излъчвател възниква пространствено преразпределение на мощността, в резултат на което плътността на мощността се увеличава в някои посоки и намалява в други в сравнение със случая на използване на изотропен излъчвател. Използването на насочени антени позволява да се получи D пъти по-голяма плътност на мощността в приемащата точка или D пъти намаление на мощността на предавателя.

Стойността на D е функция на ъглите на наблюдение: в хоризонталната равнина ξ и във вертикалната равнина q (Фигура 1.2). Обикновено антената създава максимално излъчване само в определена посока (ξ0 θ0), за която D придобива максималната стойност D max =D(ξ0 θ0). Зависимостта на величините D от ъглите ξ и θ се нарича диаграма на излъчване на антенатапо мощност и съотношението F 2 (ξ,θ)= D(ξ θ)/D макс

Нормализирана диаграма на излъчване по мощност (фиг. 1.2).

Плътност на мощността на разстояние r от насочена излъчваща антена

Амплитудата на напрегнатостта на електрическото поле на радиовълна в свободното пространство е свързана с енергийната плътност на тази вълна (чрез съпротивлението на свободното пространство Z0)

E 2 m c in =2Z 0 P = 240p P,

от която се определя амплитудната стойност на напрегнатостта на електрическото поле в свободното пространство Em cv (V/m) на дадено разстояние r (m) от излъчвателя:

(1.1)

Мощността на входа на приемник, съгласуван с антена, разположена на разстояние r от излъчвателя, е

Ефективна площ на приемната антена, характеризираща площта на фронта на вълната, от която антената извлича енергия.

Удобно е да се определи мощността Rpr.sv директно чрез мощността Pizl и стойността Dizl на излъчващата антена:

Този израз се нарича формула за идеално радио предаване.

Затихването на мощността по време на разпространението на радиовълни в свободното пространство, дефинирано като отношението Rpr.sv / Rizl, се нарича загуби при предаванев свободно пространство. При многопосочни предавателни и приемащи антени това съотношение B е 0 (dB) се изчислява по формулата:

където P е мощност, W; r - разстояние, km; ƒ - честота, MHz.

Използването на насочени антени е еквивалентно на увеличаване на излъчената мощност с фактор.

Нека припомним, че поляризацията на радиовълните се определя от ориентацията на вектора на напрегнатостта на електрическото поле на радиовълната в пространството, а посоката на вектора определя посоката на поляризацията.В зависимост от промяната в посоката на вектор  поляризация може да бъде линеен, кръгълИ елипсовидна. Видът на поляризацията на радиовълните в свободното пространство се определя от вида на излъчвателя (антената). Например вибраторна антена излъчва линейно поляризирана вълна в свободното пространство.

За да се получат кръгово поляризирани вълни, е достатъчно да има два линейни вибратора като предавателна антена, изместени в пространството на 90° един спрямо друг и да ги захранват с токове с еднаква амплитуда с фазово изместване от 90°. Радиовълни с кръгова поляризация се излъчват например от спирални и турникетни антени. Този тип поляризация се използва широко в телевизията и радара.

Елиптично поляризирана вълна може да се създаде, например, с помощта на антени под формата на два кръстосани вибратора, чиито рамена се захранват с токове с различна амплитуда.

За ефективно приемане природата на поляризацията на полето на приетата вълна и поляризационните свойства на приемната антена трябва да съвпадат. Формули (1.2) и (1.3) са валидни, ако природата и посоката на поляризацията на електрическото поле и приемната антена съвпадат. Ако няма съответствие, мощността в приемната антена се намалява и се въвеждат корекции в посочените формули. Например, за най-ефективно приемане на вълна с линейна поляризация, вибраторът на приемната антена трябва да бъде ориентиран успоредно на вектора  . Ако посоката на вектора  перпендикулярно на оста на приемащия вибратор, тогава няма да има приемане.

1.2. Област от пространството, значима за разпространение радио вълни Метод на зоната на Френел

Формирането на полето в близост до приемната антена В (фиг. 1.3, а) се влияе от различни области на свободното пространство, през които радиовълните от излъчвателя А преминават в различна степен. Излъчвателят създава сферична вълна, всеки елемент от фронта на която отново е източник на сферична вълна. Новата вълнова повърхност се намира като обвивка от вторични сферични вълни. Полето на определено разстояние от излъчвателя се определя от общия ефект на вторичните източници. Основният принос към тази сума идва от източници
разположени близо до права линия A B. Действието на вторични съседни излъчватели, разположени на значително разстояние от тази права линия, се компенсира взаимно.

Област, важна за разпространението на радиовълни, наречена част от пространството, в която се разпределя основният дял от енергията. Нехомогенностите в средата (например препятствия по пътя на вълната) влияят на характеристиките на полето в точката на приемане, ако са покрити от област, която е значителна по време на разпространението. Тази област има конфигурация на елипсоид на въртене с фокуси в точки A и B (фиг. 1.3, b). Радиусът на напречното сечение на елипсоида на разстоянието от точка А и разстоянието r0 от точка В се определя от равенството:

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

и може да се изчисли от уравнението,

където е цяло число.

Нарича се пръстеновидна област, изградена върху равнина S, перпендикулярна на права AB, с радиуси Rn Зона на Френелчисла n (фиг. 1.3, c).

Ако екран с кръгъл отвор се постави на пътя на разпространение на вълната (равнината на екрана е перпендикулярна на линията AB), тогава, когато радиусът на отвора се промени (или екранът се движи по пътя), силата на полето при точка B ще се променя периодично (фиг. 1.4).

Ориз. 1.4. Промяна в силата на полето над

екран с кръгъл отвор

промяна на радиуса на отвора Р

(– радиус на първата зона на Френел)

Силата на полето ще бъде максимална, когато радиусът на отвора в екрана е равен на радиуса на първата зона на Френел и радиусите на зоните на Френел със следните нечетни числа. При голям размер на отвора (по-голям от радиуса на шестата зона на Fresnel), амплитудата на силата на полето клони към Em St (фиг. 1.4), следователно радиусът на напречното сечение на региона, значим по време на разпространението, се счита за равен на радиуса на зоната на Френел с номера 6-10. Все пак за ориентировъчно
При изчисленията размерът на основната област често може да се приеме равен на радиуса на първата зона на Френел.

1.3. Въпроси за самопроверка

1. Какви са класификациите на обхватите на радиовълните? Дайте тези класификации.

2. Защо има тенденция за развитие на все по-високи честотни диапазони на радиовълните?

3. Каква е последователността на проектиране на радиокомуникационни линии?

4. Какви фактори влияят върху видовете пътища на разпространение на радиовълните?

5. Запишете формулата за идеално радиопредаване. Обясни го.

6. Какви видове поляризация на радиовълните съществуват?

7. Защо за ефективен приемнеобходимо ли е да се вземе предвид естеството на поляризацията на приетата вълна и поляризационните свойства на приемната антена?

8. Коя част от пространството се нарича област, необходима за разпространението на радиовълните?

9. С каква цел се въвежда понятието зони на Френел?

10. Начертайте и обяснете графика на зависимостта на напрегнатостта на полето зад непрозрачен екран от радиуса на отвора в този екран.

2. ВЛИЯНИЕ НА ЗЕМНАТА ПОВЪРХНОСТ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ

2.1. Поглъщане на радиовълни от различни видове земна повърхност

Крайните точки на радиовръзките в повечето случаи се намират в непосредствена близост до земната повърхност. Наличието на полупроводникова повърхност на Земята кара радиовълните да се абсорбират и отразяват, понякога променяйки поляризацията на вълната. Количествено тези явления зависят от електрическите параметри на земната повърхност: диелектрична константа ε и проводимост (Таблица 2.1). Стойностите на ε се определят експериментално чрез поглъщането на радиовълни от земната повърхност и отражението от нея и зависят от структурата на земната повърхност, нейната влажност, наслояване, температура, както и от работната честота.

От таблица 2.1 става ясно, че с увеличаване на честотата (намаляване на дължината на вълната), ε на морската и прясна вода намалява. Това намаляване на ε се дължи на факта, че водните молекули са полярни и с нарастваща честота нямат време да се ориентират в посоката на електрическото поле.

Почвата е сложен диелектрик, състоящ се от твърд компонент - суха почва и течен компонент - воден разтвор на соли. Стойностите на ε и течния компонент са значително по-големи от тези на твърдия компонент, а електрическите параметри на почвата се определят главно от свойствата на течния компонент.

Условията за разпространение на радиовълните в средата се характеризират с тангенс на загубитев средата, числено равно на съотношението на плътностите на проводимостта и токовете на изместване

Ако, токът на изместване преобладава в средата и свойствата му се доближават до диелектрик. Ако тогава токът на проводимост преобладава в средата и свойствата му се доближават до тези на проводника. Равенството на плътностите на токовете на проводимост и токовете на изместване възниква при определена гранична дължина на вълната lgr. Да, за морска вода

Следователно за радиовълни в сантиметровия диапазон морската вода може да се разглежда като диелектрик. За влажна почва

Таблица 2.1

Стойности на диелектричната константа и проводимостта за най-типичните видове земна повърхност

Тип земна повърхност или покритие

Дължина на вълната, m

Морска вода(t = 20 0 C)

Прясна водареки, езера

Мокра почва(t = 20° C)

Суха почва (t = 20° C)

Лед (t = -10° C)

Сняг (t = -10° C)

Замръзнала почва

Продължение на таблицата. 2.1

Мократа почва може да се счита за диелектрик за метри и по-къси вълни. Следователно, за сантиметровите вълни всички видове земна повърхност имат свойства, близки до тези на идеален диелектрик.

Когато радиовълните се разпространяват в полупроводникова среда, амплитудата на полето намалява с разстоянието според експоненциалния закон, а фазата се променя линейно. Записва се моментната стойност на напрегнатостта на полето на вълна, разпространяваща се в полупроводникова среда по посока на една от координатните оси.

където Em St се определя от (1.1).

Величината α характеризира загубата на енергия в средата и се нарича коефициент на затихване. Физически загубите се причиняват от прехода на енергията на електромагнитните вълни в топлинна енергия на молекулярното движение. Стойността b (фазов коефициент) характеризира промяната във фазата на вълната. Тези количества могат да бъдат записани в следната форма:

Скоростта на движение на дадена фаза по посока на разпространение на вълната nф, нар фазова скорост, е свързано със стойността β:

Поведение

Наречен индекс на пречупванезаобикаляща среда.

Дължина на вълната в средата

Абсорбцията на радиовълните в средата се оценява чрез интегралния коефициент G и се изразява в децибели:

Линейната абсорбция се изразява в децибели на метър:

Разстоянията, при които Em се отслабва с коефициент 10 6 (с 120 dB), когато радиовълните се разпространяват във влажна почва и морска вода, са дадени в таблица 2.2.

Таблица 2.2

Разстояния, на които се получава затихване

Разстояние, при което стойностите на Em се отслабват с 120 dB, m

Мокра почва

Морска вода

Следователно за радиовръзка през дебелината на земната повърхност или морето (например за комуникация с потопени подводници) са приложими само дълги и свръхдълги вълни.

2.2. Отражение на плоски радиовълни на границата между въздуха и гладката повърхност на Земята

Електромагнитна вълна, падаща върху гладка повърхност между две среди (фиг. 2.1), се отразява частично от тази граница (и ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение) и частично преминава дълбоко във втората среда. Следователно в първата среда има падащи и отразени вълни, а във втората среда има пречупена вълна.

В зависимост от посоката на вектора спрямо земната повърхност се разграничават два вида поляризация - вертикална и хоризонтална. При вертикална поляризация векторът на напрегнатост на електрическото поле лежи в равнината на падане на вълната, т.е. в равнина, перпендикулярна на равнината на интерфейса и минаваща през посоката на разпространение на падащата вълна (фиг. 2.1, а). Когато е хоризонтално

Ориз. 2.1. За определяне на коефициента на отражение

поляризация, векторът на напрегнатостта на електрическото поле е успореден на равнината на интерфейса (Фигура 2.1, b).

Отражателна способност на Френеле съотношението на комплексните амплитуди на напреженията на полето на падащите и отразените вълни, определени върху идеално гладка плоска повърхност. За вертикално и хоризонтално поляризирани вълни, падащи от свободното пространство върху полупроводник, стойностите на коефициентите Gv и Gg се изчисляват по формулите:

където θincidence е ъгълът на падане на вълната на повърхността на раздела; F е неговата фаза.

В някои случаи е необходимо да се знае силата на полето или мощността на вълната, преминаваща във втората среда. За тази цел се използва понятието коефициент на предаванеФ: . Коефициентът на предаване може да бъде изразен чрез коефициента на отражение G. С вертикална поляризация

с хоризонтална поляризация

2.3. Отражение на радиовълни от грапава повърхност

Естествените земни покрития рядко представляват напълно равна повърхност. Най-голямо влияние оказват неравномерностите при отразяването на ултракъси и особено сантиметрови и милиметрови радиовълни. Ето защо на практика е важно да можете да определите характеристиките на полето, отразено от неравни повърхности. За разлика от гладката повърхност, грапавата повърхност създава отразен сигнал не само в посоката на ъгъла на отражение, равен на ъгъла на падане, но и в други посоки, включително обратната посока. Следователно наличието на неравности води до намаляване на ефективния коефициент на отражение по посока на огледалния лъч.

Основният фактор при формирането на отразеното поле е фазовото съотношение, което се определя от разликата в вълновите пътища от източника на лъчение до повърхностните елементи. Разсеяният сигнал може да има, в допълнение към компонент на същата поляризация като падащата вълна, компонент на ортогонална поляризация. Напрегнатостта на полето на разсеяните вълни се изчислява при големи неравности по метода на Кирхоф, а при малки неравности - по метода на смущенията.

Образуването на отразената вълна се влияе главно от повърхността, ограничена от 1-ва зона на Френел. Когато вълната нормално пада върху повърхността, 1-ва зона на Френел е кръг с радиус (виж (1.5)), когато е наклонена е елипса, чиято голяма ос е удължена по посока на разпространение на вълната . Размерите на малката и голямата полуос на елипсата на 1-ва зона на Френел са съответно равни:

където и са разстоянията от краищата на маршрута до точката на геометрично отражение; - ъгъл на падане на вълната (фиг. 2.2, б).

Фигура 2.3. Дистанция на видимост

без и с отчитане на пречупването

2.4. Класификация на случаите на разпространение на земни радиовълни

При изчисляване на напрегнатостта на полето на земните радиовълни атмосферата се приема като среда без загуби с ε=1, като допълнително се въвеждат необходимите корекции, отчитащи влиянието на атмосферата.

Влиянието на земната повърхност върху условията на разпространение на радиовълните може да се сведе до два случая: първият - излъчващата или приемната антена е издигната високо (по скалата на дължината на вълната) над земната повърхност, вторият - предавателната и приемната антена са в непосредствена близост до Земята.

В първия случай, типичен за ултракъси и частично къси радиовълни, методът за изчисляване на напрегнатостта на полето зависи от дължината на радиовръзката спрямо разстоянието на „линията на видимост“ (фиг. 2.3), изчислено по формулата

където = 6,37 10 6 m е радиусът на Земята; и - височини на повдигане на антената, m.

С дължината на радиовръзката< <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при >0,8, силата на полето се изчислява, като се вземе предвид дифракцията на радиовълните.

Във втория случай, отнасящ се предимно до средни и дълги вълни, с дължина на радиовръзката не повече от: 300-400 km (за λ, 200-20000 m); 50-100 км (за λ, 50-200 м); 10 km (за λ, 10-50 m) земната повърхност се счита за плоска. При по-дълги радиовръзки силата на полето се изчислява, като се вземе предвид дифракцията.

2.5. Полето на излъчвателя се издига над плоската земна повърхност

В този случай вълната достига земната повърхност на значително (по скалата на дължината на вълната) разстояние от излъчвателя и участъкът от фронта на вълната в близост до земната повърхност може да се счита за плосък. По радио връзка на късо разстояние< 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 формула за интерференция

където се определя от (1.1),

Ъглите θ1 и θ2 са показани на фиг. 2.4. Коренът на тричлена в тази формула се нарича фактор на смущение.

Коефициентът на отражение от земната повърхност Gv.g се определя за съответната поляризация по формули (2.7), (2.8). За слабо насочени антени, поради факта, че в широк диапазон от ъгли D(θ2)/D(θ1) 1, формулата за смущение е опростена:

Наличието на земната повърхност променя разпределението на емитерното поле във вертикалната равнина. Диаграмата на излъчване на системата емитер-Земя е нарязана от много листенца, а диаграмата на излъчване на самия излъчвател F(θ) представлява обвивката на тези листенца. Фигура 2.5 показва получените диаграми на излъчване на системите вертикален вибратор - Земя (а) и хоризонтален вибратор - Земя (б), когато излъчвателят е издигнат на височина над почвата, взета за идеален диелектрик.

За практически важния случай на разпространение на радиовълни чрез пасващи лъчи (θ клони към 90 0), формула (2.12) може да бъде допълнително опростена. Като се има предвид, че в случая |Gv.g| 1, Fv.g (фиг. 2.1), напрегнатост на полето Em (V/m) в зависимост от

Ориз. 2.5. Диаграми на излъчване на антени, повдигнати отгоре повърхността на Земята

разстоянието r (m), дължината на вълната (m), височината на антената (m) и мощността P (W) се определят по предложената формула Б.А. Введенски:

Ако

тогава изчислението по дадената формула дава добро съответствие с резултатите от измерването.

2.6. Поле на излъчвател, разположен близо до плоска земя

повърхности

Действието на идеално проводяща повърхност върху вертикален вибратор може да бъде заменено с действието на фиктивен вибратор със същата дължина, разположен симетрично на основния вибратор спрямо повърхността (фиг. 2.6). Тогава електрическото поле в далечната зона директно на повърхността се определя от формулата

където е ефективната дължина на истински вибратор.

Диаграмата на излъчване на такава антена има максимално излъчване по повърхността. Съгласно граничните условия векторът е насочен нормално към повърхността и следователно векторът на разпространение на енергия е насочен успоредно на повърхността. Близки до разглежданите условия се наблюдават на практика при разпространение на дълги вълни над морската повърхност.

Когато източникът на радиовълни е хоризонтален вибратор, разположен над идеално проводяща повърхност на височина, много по-малка от дължината на вълната, токът в огледалния образ на вибратора има посока, обратна на тока в самия вибратор. Полетата, създадени от тези вибратори близо до повърхността, се компенсират взаимно и полученото поле е нула. Ако проводимостта на земната повърхност не е идеална, не се получава пълна компенсация, но полето на хоризонталния вибратор е много по-слабо от полето на вертикалния вибратор, така че използването на вертикален вибратор е от най-голям интерес.

Ако повърхността, близо до която се намира вертикалният излъчвател (фиг. 2.6b), не е идеален проводник, тогава част от енергията на радиовълните, разпространяващи се от антената, прониква дълбоко в земната повърхност. Следователно, в допълнение към компонента P1g, насочен по повърхността, има компонент P1v, насочен перпендикулярно на земната повърхност, в резултат на което общият вектор P1 не е насочен успоредно на земната повърхност и следователно електрическият векторът на напрегнатост на полето 1 е насочен към земната повърхност под ъгъл, не равен на 90°, като в допълнение към вертикалната компонента на напрегнатостта на електрическото поле има хоризонтална компонента E1r. Въз основа на приближения

гранични условия на Леонтович - Шчукин (установява връзка между вектори и електрически магнитно полепърва среда върху повърхността на добре проводима втора среда, където е комплексният вълнов импеданс на втората среда) получаваме връзката между вертикалните и хоризонталните компоненти на комплексните амплитуди на напрегнатостта на електрическото поле близо до земната повърхност:

Компонентите и полетата се изместват във фаза, което води до елиптична поляризация. Строгите гранични условия дават връзка между комплексните амплитуди на компонентите на полето във въздуха и в земята:

Хомогенен маршрут. За да изчислите Em1в директно на повърхността, когато емитерът е вибратор, разположен близо до повърхността на полупроводника, използвайте формулата, получена едновременно М.В. Шулейкин и Б. ван дер Пол:

Ориз. 2.7. Да се ​​изчисли дифракцията на радиовълните - диаграма

разпространение на вълните по сферичната повърхност на земното кълбо

където се определя от (1.1); |W| - коефициент на затихване, който е функция на параметъра,

За стойности > 25

|W| 1/ . (2.17)

Разнороден път. Напрегнатостта на полето върху нееднороден път, състоящ се от две секции, чиито електрически параметри се различават рязко, например при движение от морето към сушата, се определя от (2.15), където коефициентът на затихване |W| се изчислява като геометрична средна стойност на коефициентите на затихване на два фиктивни хомогенни пътя: където и са коефициентите на затихване, изчислени от (2.16) и (2.17) за път с дължина (+) с параметри и и и. При изчисляване се вземат параметрите и, при изчисляване параметрите и.

Брегова рефракция. Фазовата скорост на радиовълната, разпространяваща се близо до земната повърхност, зависи от нейната
електрически параметри. Когато една радиовълна премине от морето към сушата (близо до бреговата линия), настъпва промяна в посоката на разпространение на вълната, т.нар. брегова рефракция. Това създава грешка при определяне на посоката на пристигане на радиовълните, което е от съществено значение за работата на радионавигационните системи.

2.7. Дифракция на радиовълни около сферична земна повърхност

Нарича се огъване на радиовълни около препятствия, срещащи се по пътя на тяхното разпространение дифракция. Когато дължината на радиовръзката и височината на антените са такива, че зоната, значима за разпространението на радиовълните (1-ва зона на Френел), е частично или напълно блокирана от изпъкналостта на земната повърхност, тогава свободната част от 1-ва Френелова зона или зони от следните числа, представляващи набор от източници на сферични вълни, създават радиация не само в посоката на първоначалното движение на вълната, но и зад изпъкналостта на земната повърхност.

Разстояния, близки до границата на линията на видимост, когато 1-вата зона на Френел е само частично покрита, се наричат полусянка област(фиг. 2.7). Разстоянията, при които 1-вата зона на Френел е напълно покрита, се наричат ​​област на сянка.

В зоната на сянка силата на полето Em (mV/m) се изчислява по формулата, предложена от B .А. Фоком:

където Em St се определя по формула (1.1); G е коефициентът на затихване, който е продукт на три функции, G = U(x)V()V(), където U(x) е функция на разстоянието от предавателя, r (m); V() V() - функции на височината на предавателната и приемната антена, или, ако функциите са изразени в децибели, тогава G (dB) е равно

За определяне на функциите U(x) и V(y) се използват наличните в литературата графики.

Изчисленията с помощта на тези графики се извършват главно за VHF обхвата, където се използват антени, издигнати високо над земната повърхност. Изчисляването на силата на полето в диапазоните на дълги, средни и дори къси вълни, когато антените са разположени близо до повърхността на Земята, е опростено, тъй като V() = V() = 1.

2.8. Въпроси за самопроверка

1. Запишете израз за определяне на тангенса на загуба и дайте необходимите обяснения.

2. В какъв диапазон на радиовълните плътността на потоците на изместване в земната повърхност преобладава над плътността на проводимите токове?

3. При какви токове на проводимост и премествания се определя дължината на вълната на прекъсване?

4. Посочете характеристиките на параметрите на радиовълните в полупроводникова среда.

5. Обяснете защо за радиовръзка с потопени подводници са приложими само дълги и свръхдълги вълни?

6. Какви коефициенти определят интензитета на отразените и пречупените вълни? За какви типове поляризация се определят тези коефициенти?

7. Обяснете характеристиките на отражението на радиовълните от грапава повърхност.

8. При какви условия грапавата повърхност може да се счита за гладка?

9. Дайте класификация на случаите на разпространение на земни радиовълни и я обяснете.

10. Запишете формулата за интерференция и назовете условията за нейната приложимост.

11. Запишете формулата на Введенски. При какви условия силата на полето може да се изчисли с помощта на тази формула?

12. Обяснете характеристиките на полето на излъчвателя, разположен близо до плоската земна повърхност.

13. Какви компоненти има полето на вертикален вибратор, разположен близо до полупроводниковата повърхност на земята?

14. Запишете и обяснете формулата на Шулейкин-Ван дер Пол.

15. Посочете характеристиките на изчисляване на силата на полето върху нехомогенен път, когато излъчвателят е разположен близо до плоска земна повърхност.

16. В какъв диапазон на вълните грешките при определяне на координатите на излъчвателя, причинени от бреговата рефракция, оказват значително влияние?

17. Как се взема предвид дифракцията на радиовълните около сферичната земна повърхност при изчисляване на напрегнатостта на полето?

3. ТРОПОСФЕРАТА И НЕЙНОТО ВЛИЯНИЕ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ

3.1.Състав и структура на тропосферата

Тропосфера- това е най-близкият до земната повърхност слой на атмосферата, простиращ се на височина от 8-10 км в полярните ширини и до 16-18 км в тропиците. Тропосферата съдържа до 4/5 от масата на газовете, които изграждат атмосферата, и почти цялото количество водни пари.

От електрическа гледна точка тропосферата е много нехомогенна среда, в резултат на което траекториите на радиовълните се огъват в нея и следователно посоката на пристигане на вълната и силата на полето се променят на дадено разстояние.

За да се вземе предвид влиянието на тропосферата върху разпространението на радиовълните, е необходимо да се знаят моделите на промяна в и, които се определят от физикохимичните свойства на газовете, влизащи в тропосферата. Относителният газов състав на тропосферата остава постоянен по цялата височина, променя се само съдържанието на водни пари, което зависи от метеорологичните условия и намалява с височината.

Нормална тропосферанаричаме такава хипотетична тропосфера, чиито свойства отразяват средното състояние на реалната тропосфера. Нормалната тропосфера се характеризира със следните свойства: налягане на земната повърхност (p = 0,1013 MPa), температура (T = 288 K) и относителна влажност(S = 60%). С увеличаване на надморската височина на всеки 100 m налягането намалява с 1,2 kPa, а температурата с 0,55 K. Надморска височина от 11 km се счита за граница на нормалната тропосфера.

3.2 Диелектрична проницаемост и индекс на пречупване на тропосферата

Относителната диелектрична константа на тропосферата (въздуха) може само приблизително да се счита за равна на единица. В действителност стойността е малко по-голяма от единица и зависи от налягането p (Pa), температурата T (K) и абсолютната влажност на въздуха e (Pa)

Вторият член в (3.1) изразява промяната, дължаща се на изместването на електрическите заряди в неполярните газови молекули, които изграждат въздуха, под въздействието на външното поле и ориентацията на полярните молекули на водната пара.

Индекс на пречупване на тропосферата

и е свързан с величината на тропосферата с израза

На повърхността на Земята стойността на n в зависимост от климатичните условия е 1,00026-1,00046. За изчисления е по-удобно да се използва количество, наречено намален индекс на пречупване на тропосферата, N=(n-l) 10 6, за Земята N = 260 460.

За нормалната тропосфера промяната с височина над земната повърхност h (m) се подчинява на експоненциалния закон

където з = 5,78 е отклонението от единица на земната повърхност; - вертикален градиент при h = 0.

Експоненциална зависимост от височината се наблюдава при осредняване на значителен брой наблюдения, докато отделни специфични криви се отклоняват в една или друга степен от този закон. Особено големи са отклоненията при летен периодна височина до 2-3 km, където се наблюдават интензивни облачни слоеве и чести инверсии на температурата и влажността. Почти винаги има относително малки колебания спрямо експоненциалната зависимост, причинени от турбулентното движение на въздуха.

Тези флуктуации се разглеждат като нееднородности на тропосферата. Размерите на малките нееднородности се определят от няколко метра или няколко десетки метра, а отклонението от средната стойност N е DN = l 2. Малките нееднородности непрекъснато се променят, появяват се и изчезват. Средните стойности на N претърпяват сезонни и ежедневни промени, като тези промени са максимални близо до земната повърхност и падат почти до нула на надморска височина от 7-8 km. Максималните стойности на N на земната повърхност се наблюдават през юли, минималните през януари.

Сезонната промяна на стойностите на повърхностния N е придружена от съответните промени в g. Стойностите на g градиентите и техните промени са особено големи в повърхностния слой и намаляват с височина. Стойностите на и g зависят от географското местоположение на маршрута и се променят по протежение на самия маршрут.

В повърхностния слой въздух, за опростяване на изчисленията, е възможно да се приближи експоненциалният закон на промяна с височина - линеен

Въвежда се ефективен вертикален диелектричен градиент пропускливост на тропосферата, представляваща градиентна константа във височина, при която напрегнатостта на полето в приемащата точка ще бъде същата като в случай на реална промяна по пътя.

Средната стойност на градиента се получава в резултат на статистическа обработка на голям брой измервания. Стойностите следват нормално разпределение със стандартно отклонение. Средни стойности (1/m) и стандартни отклонения (1/m) за различни климатични райони в лятно време, когато тези стойности са максимални, варират в рамките на следните диапазони от до от до 11. Има карти с изолинии на средните месечни стойности на намаления индекс на пречупване на морското равнище.

Диелектричната константа на тропосферата може да се определи чрез измерване на температурата, налягането и влажността на въздуха с помощта на инструменти, монтирани на самолети или сондажни балони.

3.3. Пречупване на радиовълни в тропосферата

Пречупванесе нарича кривина на траекторията на радиовълната, когато се разпространява в нехомогенна среда. Явлението пречупване в тропосферата се обяснява с промените в диелектричната проницаемост и съответно индекса на пречупване n с височина.

Радиусът на кривината на траекторията на радиовълните в тропосферата (без да се взема предвид кривината на земната повърхност) може да се определи по формулата:

където е ъгълът на падане на вълната върху пречупващата повърхност;

dn/dh - градиент на индекса на пречупване.

Знакът минус на градиента на индекса на пречупване означава, че радиусът на кривината е положителен и траекторията на вълната е изпъкнала нагоре, тъй като индексът на пречупване намалява с височината.

Като се има предвид, че n l, и за най-много интересен случайплоски лъчи sin 1, имаме:

От (3.3) следва, че радиусът на кривината на траекторията на радиовълните в тропосферата се определя не от абсолютната стойност на индекса на пречупване, а от скоростта на изменението му с височина

При разпространение в нормалната тропосфера, характеризираща се с постоянен градиент на показателя на пречупване, траекториите на радиовълните, движещи се под малки ъгли спрямо земната повърхност, имат формата на кръгови дъги с радиус R = 25 000 km.

Пречупването, което се случва в нормалната тропосфера, се нарича нормална тропосферна рефракция.

Отчитането на влиянието на тропосферната рефракция с линейна зависимост на индикатора N от височината се извършва по опростен начин, като се използва еквивалентният радиус на Земята Re. Да приемем, че пречупените радиовълни не се разпространяват по криволинейни траектории в нехомогенна среда, както в реалните условия, а по праволинейни траектории в хомогенна среда върху някаква въображаема повърхност, чийто радиус на кривина Re не е равен на радиуса на Земята: Ro = 6370 km (фиг. 3.1).

Освен това се приема, че в реалния и еквивалентен случай траекториите на радиовълните преминават на еднаква височина над повърхността на равни разстояния от излъчвателя. Тогава еквивалентният радиус на земното кълбо се дава от

За нормално пречупване dN/dh -40 1/km и Re = 8500 km.

Основните случаи на приложение на понятието еквивалентен радиус на Земята са следните.

Разстоянието на зрителната линия, като се вземе предвид пречупването, се определя по формулата

При нормална рефракция

където е разстоянието в метри; - височина на антената в метри.

При нормално пречупване разстоянието на зрителната линия се увеличава с 15%.

Под влияние на различни метеорологични условия в тропосферата може да настъпи промяна на коефициента на пречупване с височина, значително различна от условията, определящи възникването на нормална рефракция. В съответствие с това рефракцията може да бъде отрицателна, липсваща или положителна (фиг. 3.2).

При отрицателно пречупване N не намалява, както обикновено, с височина, а напротив, нараства, т.е. dN/dh>0. В този случай Р<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от поверхности Земли.

Ако N остава постоянна, докато височината се променя, тогава няма пречупване.

На практика най-честите случаи са когато N намалява с височината, т.е. dN/dh<0. Траектория радио­волны в этом случае обращена выпукло­стью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция под­разделяется на намалена(радиусът на кривината на траекторията на радиовълната е по-голям, отколкото при нормално пречупване), нормално, увеличена(радиусът на кривината на траекторията на радиовълната е по-малък, отколкото при нормално пречупване), критичен(радиусът на кривината на пътя на радиовълната е равен на радиуса на земното кълбо) и свръхпречупване(радиусът на кривината на траекторията на радиовълната е по-малък от радиуса на земното кълбо).

Ориз. 3.2. Видове пречупване на радиовълните в тропосферата:

1 – отрицателно пречупване; 2 – положително пречупване; 3 – критично пречупване; 4 - свръхрефракция

При свръхпречупване радиовълните, излъчвани при малки ъгли на издигане, изпитват пълно вътрешно отражение в долните слоеве на тропосферата и се връщат към повърхността на Земята. С последователни отражения от земната повърхност, радиовълните могат да изминат значителни разстояния извън "линията на видимост".

3.4. Абсорбция на радиовълни в тропосферата

Дългите, средните и късите радиовълни не изпитват абсорбция в тропосферата.

За вълни, по-къси от 10 cm, затихването на радиочестотната енергия в тропосферата започва да нараства забележимо. Това се дължи на поглъщане и разпръскване от капчици или хидрометеори (предимно дъжд, мъгла; градушка, сняг са по-малко засегнати), както и твърди частици (прах, дим и др.). Абсорбцията се причинява от топлинни загуби във вода или прахови частици, а загубите при разсейване се причиняват от преразпределението на енергията в пространството.

Ако една вълна преминава по път r в тропосферата и има разстояние между валежната зона, тогава напрегнатостта на полето зад валежната зона Em oc се определя по формулата:

където Em е напрегнатостта на полето в свободното пространство на разстояние r от излъчвателя (1.1);

Гoc - коефициент на затихване, dB/m.

Зависимостта на коефициента на затихване Гoc от дължината на вълната при разпространение на сантиметрови и милиметрови вълни при дъжд и мъгла е представена на (фиг. 3.3).

Сантиметровите радиовълни се разпръскват от капчици дъжд и мъгла, което води до появата на отразени радарни сигнали. Отразените сигнали от дъжд и облаци заемат голяма площ на екраните на радарните станции, което пречи на нормалната работа на тези станции. За да намалят отраженията от дъжд, радарните станции използват радиовълни с кръгова поляризация.

Ориз. 3.4. Зависимост на коефициента на поглъщане на кислорода и водните пари от дължината на вълната

Радиовълните, по-къси от 3 см, също изпитват молекулярно поглъщане в кислорода и водните пари, което се наблюдава дори в „чиста“ атмосфера и се причинява от разхода на енергия за възбуждане на атоми. Коефициентът на затихване може да се определи с помощта на графиките на (фиг. 3.4), а силата на полето Em на разстояние може да се изчисли по формулата:

Най-интензивно поглъщане се наблюдава при вълни 0,25; 0,5; 1,35 см - тези вълни не са подходящи за работа. „Прозорци на прозрачност“ на атмосферата са налични в близост до вълни с дължина 0,4 и 0,8 cm - тези вълни се препоръчват за работа в сантиметровия диапазон.

3.5. Въпроси за самопроверка

1. Обяснете характеристиките на състава и структурата на тропосферата.

2. Какво представлява нормалната тропосфера?

3. Как диелектричната проницаемост на тропосферата е свързана с метеорологичните условия?

4. Каква е природата на малките нееднородности в тропосферата.

5. Как да обясним наличието на явлението пречупване в тропосферата.

6. Как радиусът на кривината на вълновата траектория зависи от диелектричната константа?

7. Защо се въвежда понятието еквивалентен радиус на земята?

8. Какви условия са необходими за възникване на свръхпречупване на радиовълните?

9. Какви видове пречупване съществуват? Обяснете характеристиките на всеки тип.

10. На какви фактори се дължи поглъщането на радиовълните в тропосферата?

11. Какво представлява „прозорецът на прозрачност“ на атмосферата?

4. ЙОНОСФЕРА И НЕЙНОТО ВЛИЯНИЕ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ

4.1. Йонизация и рекомбинация на газ в йоносферата

Йоносферата е област от атмосферата, разположена на височина 60-10 000 km, където газът е частично или напълно йонизиран, т.е. съдържа голям брой свободни електрони. Наличието на свободни електрони в горните слоеве на атмосферата определя електрическите параметри на йонизирания газ – неговата диелектрична проницаемост и проводимост.

Броят на електроните, съдържащи се в единица обем въздух, се нарича електронна плътност ().

Електронната и йонната плътност на йоносферата не са постоянни по височина, което води до пречупване и отразяване на радиовълните в йоносферата.

Обемните нехомогенности на йонизирания газ причиняват разсейване на радиовълните. Тези явления определят условията за разпространение на радиовълните в йоносферата и в някои случаи могат да се използват, а в други трябва да се вземат предвид при функционирането на радиовръзките. В тази връзка възниква необходимостта от изследване на структурата на йоносферата и нейните регулярни и случайни промени.

Йоносферата като цяло е квазинеутрална, т.е. количествата положителни и отрицателни заряди в нея са равни. Съставът на газа в тази област на атмосферата се различава от състава на газа близо до повърхността на Земята: в допълнение към молекулярен кислород и азот има атоми на тези вещества и газовете не се смесват и са подредени на слоеве в в съответствие с тяхното молекулно тегло.

Температурата на газа, започвайки от височина h = 80 km, постепенно се повишава, достигайки 2000-3000 K при h = 500-600 km. Повишаването на температурата с височина в областта на йоносферата се обяснява с факта, че въздухът тук се нагрява директно от радиацията на Слънцето.

Основният източник на йонизация на земната атмосфера са електромагнитните вълни на слънчевата радиация с дължина под 0,1 микрона - долната част на ултравиолетовия диапазон и меките рентгенови лъчи, както и потоците от заредени частици, излъчвани от Слънцето. Ултравиолетовите и рентгеновите лъчи произвеждат йонизация само в осветената част на земното кълбо и по-интензивно в екваториалните области. Заредените частици се движат по спираловидни линии в посока на магнитното електропроводикъм магнитните полюси на земното кълбо и произвеждат йонизация главно в полярните области. Смята се, че йонизиращият ефект на потока от частици е не повече от 50% от йонизиращия ефект на ултравиолетовото лъчение от Слънцето.

В допълнение към Слънцето, звездите са източници на йонизиращо лъчение, особено тези, които имат високи температури (около 20 000 ° C) и създават интензивно ултравиолетово лъчение. Но поради голямото разстояние на звездите, йонизиращият ефект на тяхното лъчение е приблизително 0,001 част от йонизиращия ефект на Слънцето. Йонизацията се създава и от метеори, нахлуващи в земната атмосфера със скорости от 11-73 km/s. В допълнение към повишаването на средното ниво на йонизация, метеорите създават локална йонизация: зад метеора се образува колона от йонизиран газ, който бързо се разширява и разсейва, съществувайки в атмосферата от една до няколко секунди. Такива йонизирани метеорни следи се образуват на височина 80-120 км над земната повърхност.

Едновременно с появата на нови електрони в йоносферата, някои от съществуващите електрони изчезват, присъединявайки се към положителни и неутрални молекули. В този случай се образуват неутрални молекули и отрицателни йони.

Процесът на повторно обединяване на заредени частици и образуване на неутрални молекули се нарича рекомбинация.

След като източникът на йонизация спре да работи, електронната плътност намалява по хиперболичен закон. Следователно със залеза йонизацията в долните слоеве на йоносферата не изчезва моментално, но в горните слоеве се запазва през цялата нощ.

4.2. Структура на йоносферата

Общата картина на разпределението на електронната плътност по височина h над земната повърхност е показана на (фиг. 4.1). На височина 250-400 км има основен йонизационен максимум. Обикновено се нарича областта на йоносферата под основния йонизационен максимум вътрешна йоносфера,и областта на йоносферата над основния максимум - външна йоносфера. Най-изследвана е вътрешната йоносфера.
Във вътрешната йоносфера има няколко слаби максимума на концентрация на електрони, условно наречени слоеве (области), които обикновено се обозначават със символите D, E, F1 и F2. Йоносферните области D, E и F1 имат доста висока постоянство, което се проявява във факта, че дневната промяна на концентрацията на електрони и надморската височина на тяхното местоположение остават почти непроменени. С настъпването на тъмнината регионите D и F1 изчезват поради бърза рекомбинация. В същото време концентрацията на електрони в област Е остава постоянна през цялата нощ.

В областта F2 концентрацията на електрони и височината на максимума варират значително от ден на ден. Освен това йонизацията е различна през лятото и зимата. През зимата (в северното полукълбо) концентрацията на електрони в тази област се увеличава. Ежедневната промяна на концентрацията на електрони в областта F2 също зависи от геомагнитната ширина (разстоянието в дъгови градуси от магнитния екватор на Земята до точката на наблюдение).

Йоносферата също е разнородна в хоризонтална посока. Максимални хоризонтални градиенти на електронната плътност се наблюдават по време на залез и изгрев, но те са значително по-малки от вертикалните градиенти.

Наред с разглежданите регулярни области на йоносферата, понякога на височина 95-125 км се образува така нареченият спорадичен слой E (слой), в който концентрацията на електрони е няколко пъти по-висока от концентрацията на област E. Слоят в средните ширини се образува по-често през деня в летни месеци. В полярните региони слоят се появява главно през нощта.

Тъй като слънчевата радиация е основният източник на йонизация на земната атмосфера, активността на Слънцето зависи
и процеса на йонизация. Забелязано е, че активността на Слънцето се променя с периодичност от 11 години. Критерият за слънчевата активност е относителният брой на слънчевите петна, който характеризира повърхността на Слънцето, която има най-висока температура. В момента са разработени методи за прогнозиране на броя на слънчевите петна за много години напред и по-точно за следващите години. Прогнозирането на броя на слънчевите петна е важно поради факта, че електронната плътност на йоносферата е свързана със средния месечен брой на слънчевите петна. Максималната концентрация на електрони нараства 1,4-3 пъти при прехода от минимална към максимална слънчева активност.

Правилната слоеста структура на йоносферата понякога се нарушава и тези нарушения са причинени от промени в активността на Слънцето, което се наблюдава особено често през годините на максимална слънчева активност. Изригванията, които се появяват на Слънцето от време на време, предизвикват изригването на потоци от заредени частици, които навлизат в земната атмосфера и нарушават нормалния режим на йонизация на йоносферата. Структурата на йоносферата също се нарушава от процеси, протичащи в земната кора и долните слоеве на атмосферата, например по време на вулканични изригвания.

Ориз. 4.1. Електронно разпространение

плътност според височината на атмосферата

Промяната в йонизацията е придружена от промяна в магнитното поле на Земята и това явление се нарича йоносферно – магнитенбури По време на йоносферна магнитна буря намалява електронната плътност в областта на слой F. Смущенията от този тип могат да продължат от няколко часа до два дни и да се проявяват главно в полярните области.

От време на време на Слънцето се появяват проблясъци на интензивна ултравиолетова радиация, причиняващи повишена йонизация на долната йоносфера в слой D. Това явление може да продължи от няколко минути до няколко часа и се среща само от осветената страна на земното кълбо.

Изследванията показват, че в допълнение към редовните и неравномерни промени в средните стойности на електронната плътност в йоносферата се наблюдават непрекъснати колебания на електронната плътност. В йоносферата непрекъснато възникват кондензации и разпадания на йонизационната плътност, неравномерни както във времето, така и от точка до точка. Освен това под въздействието на ветровете се движи цялата разнородна структура на йоносферата. Причините за образуването на неравности в йоносферата са турбулентното движение на въздуха и йонизационната нехомогенност.

Неравностите са някои области с електронна плътност, различна от средната електронна плътност на дадена йоносферна височина. Размерът на нееднородностите на надморска височина 60-80 km в слой D е до няколко десетки метра, на височината на слой E - 200-300 m, а в слой F размерът на нееднородностите достига няколко километра и те имат продълговата форма и са опънати по силовите линии на постоянно магнитно поле.

Отклонението на електронната плътност на нееднородностите от средната стойност на електронната плътност на дадена височина е (0,1 - 1)%; скорост на хаотично движение 1-2 m/s.

4.3. Диелектрична константа и проводимост на йонизиран газ (плазма)

Относителната диелектрична константа на йонизиран газ се различава от единица поради факта, че под въздействието на електрическото поле на преминаваща вълна електроните се изместват спрямо тяхното равновесно положение и газът се поляризира. В допълнение към електроните, йоносферата съдържа йони и неутрални молекули, които претърпяват произволно топлинно движение. Сблъсквайки се с тежки частици, електроните им предават енергията, получена от електромагнитната вълна. По време на сблъсъци тази енергия се превръща в енергия на топлинно движение на тежки частици, което води до поглъщане на радиовълни в йонизирания газ.

Диелектричната константаи специфичната проводимост на йонизирания газ се определят от изразите

където е масата на електрона (9,109 10 -31 kg); e - заряд на електрона (1,60 10 -19 C); - броят на сблъсъците на електрон с тежки частици, възникващи за 1 s, определени от топлинното движение на частиците; Ne - електронна плътност, cm -3.

За високи честоти, когато 2 >> 2, стойността на 2 може да бъде пренебрегната в сравнение с 2. След това изразите за отчитане на заместването в тях числови стойности e, можем да напишем:

Използвайки честотата на електромагнитната вълна (kHz), е удобно да напишете формулата за e в следната форма:

Това е основната изчислителна формула за определяне относителна диелектрична константа на йонизиран газ. Очевидно при значителна електронна плътност диелектричната константа на газа може да се окаже нула.

Честотата, при която е изпълнено условието e = 0,

Наречен естествена честота на йонизиран газили честота на Langmuir и е параметър на йонизиран газ, удобен за оценка на условията на разпространение на радиовълните.

Изразът (4.3) може да бъде пренаписан по различен начин, като се използва концепцията за естествената честота на йонизирания газ:

При< относительная диэлектриче­ская проницаемость e оказывается по-малко от нула. Това означава, че индексът на пречупване е имагинерна величина. В такава среда електромагнитните трептения не се разпространяват и бързо затихват.

4.4. Скоростта на разпространение на радиовълните в йонизирани

газ (плазма)

Диелектричната константа на йонизирания газ е по-малка от единица и зависи от честотата на трептене, следователно скоростта на разпространение на радиовълните в йонизирания газ зависи от работната честота. Наричат ​​се среди, в които скоростта на разпространение на радиовълните зависи от честотата разпръскване. В диспергиращите среди се прави разлика между фазови и групови скорости на разпространение на радиовълните. Скоростта, с която се движи вълновият фронт, се нарича фазова скорост. Фазовата скорост за среда, която се доближава до свойствата на диелектрик, се определя от (2.6). Следователно, за йонизиран газ, без да се вземат предвид загубите съгласно израз (4.5)

(4.6)

Фазовата скорост на вълната в йонизиран газ е по-голяма от скоростта на светлината в свободното пространство. Скоростта на разпространение на сигнала обаче не може да бъде по-голяма от скоростта на светлината в свободното пространство. Сигнали с крайна продължителност, съдържащи няколко пълни периода на трептене (група от вълни), се разпространяват с групова скорост. Хармоничните компоненти на сигнала в диспергираща среда се разпространяват с различни фазови скорости, което води до изкривяване на сигнала.

Под групова скоростразберете скоростта на разпространение на максималната обвивка на сигнала. Груповата скорост е свързана с фазовата скорост чрез съотношението за йонизиран газ

Когато работната честота се доближи до естествената честота на йонизирания газ (a), груповата скорост намалява (a0), а фазовата скорост се увеличава рязко ().

4.5. Абсорбция на радиовълни в йонизиран газ (плазма)

Коефициентът на затихване на радиовълните в йонизиран газ се определя от (2.2) със стойностите e от (4.1) и g от (4.2), заместени в него.

Поглъщането на радиовълни е свързано със сблъсъци на електрони с молекули и йони и преход електромагнитна енергияв топлинна енергия на движение на тежки частици. В този процес е важна връзката между периода на електромагнитните трептения (T=1/) и средното време между два сблъсъка на електрон с молекули или йони. При ниски честоти при T> енергията на електромагнитната вълна се прехвърля от електрона към тежката частица на малки порции, при T< 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 електромагнитно полеи топлинно движение на частиците, а абсорбцията се увеличава значително. Следователно честотната зависимост на коефициента на поглъщане се описва с крива (фиг. 4.2), която има максимум в честотната област, близка до стойността, т.е. наблюдава се явлението резонанс. В долните слоеве на йоносферата 10 7 1/s и условието = / е изпълнено за вълни с дължина около 200 м. Следователно в диапазона на късите вълни поглъщането намалява с увеличаване на честотата, а в диапазона на вълните по-дълго над 200 m, абсорбцията се увеличава с нарастваща честота.

Ориз. 4.3. Диаграма на отражението на радиовълните от йоносферата

4.6. Пречупване и отражение на радиовълните в йоносферата

Забележима електронна плътност се появява в атмосферата, започвайки от надморска височина от приблизително 60 km. Освен това, електронната плътност на йоносферата се променя с височината над земната повърхност и следователно електрическите свойства на йоносферата са хетерогенни с височината.

Когато една радиовълна се разпространява в нехомогенна среда, нейната траектория се огъва. При достатъчно висока електронна плътност кривината на траекторията на вълната може да бъде толкова силна, че вълната да се върне към земната повърхност на известно разстояние от мястото на излъчване, т.е. радиовълната се отразява в йоносферата.

Отражението на радиовълните, изпратени от повърхността на Земята към йоносферата, се случва не на границата на йонизирания въздух, а в дебелината на йонизирания газ. Отражението може да възникне само в тази област на йоносферата, където диелектричната константа намалява с височина и следователно електронната плътност се увеличава с височината, т.е. под максималната електронна плътност на йоносферния слой.

Условието на отражение свързва ъгъла на падане на вълната върху долната граница на йоносферата с диелектричната константа в дебелината на самата йоносфера e n на височината, където се отразяват вълните (фиг. 4.3):

Колкото по-голяма е стойността на N e, толкова по-малки ъгли на отражение са възможни. Ъгълът, при който отражението все още е възможно при дадени условия, се нарича критичен ъгъл.

От израз (4.8) можем да определим работната честота, при която вълните ще се отразяват от йоносферата в случай на дадена електронна плътност и ъгъл на падане:

Ако вълната обикновено пада върху йоносферата, тогава

При нормално падане на вълната отражението възниква на височината, където работната честота е равна на естествената честота на йонизирания газ и следователно e=0. При наклонено падане по-високочестотните радиовълни могат да се отразят на тази височина. Така нареченият секущ закон, което се състои в това, че при наклонено падане вълна се отразява с честота s пъти по-висока от честотата на вълната, отразена при вертикално падане на вълната върху слой с дадена електронна плътност:

Колкото по-висока е електронната плътност, толкова по-високо условие за отражение е изпълнено за по-високи честоти.

Максималната честота, с която вълната се отразява при вертикално падане върху йоносферния слой, се нарича критичен

честота; отражението се получава близо до максималната йонизация на слоя:

Сферичността на Земята ограничава максималния ъгъл q (фиг. 4.3)

и, следователно, максималните честоти на радиовълните, които могат да бъдат отразени от йоносферата при дадена електронна плътност.

4.7. Влиянието на постоянното магнитно поле върху електрическите параметри на йонизиран газ (плазма)

Йонизираният газ на йоносферата е в постоянно магнитно поле, чиято сила е = 40 A/m.

При наличие на постоянно магнитно поле условията за движение на електроните се променят, в резултат на което се променят и електрическите параметри на йонизирания газ.

Диелектрична константа на йонизиран газ в случай на надлъжно разпространение, когато вълната се разпространява в посоката на линиите на постоянното магнитно поле, без да се вземат предвид загубите (= 0), се определя по формулата

Линейно поляризирана вълна се разпада на две компоненти, кръгово поляризирани и разпространяващи се с различни скорости, което се характеризира с различни знаци в (4.13).

Когато радиовълните се разпространяват надлъжно, поляризационната равнина се върти - векторът се върти в равнина, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната под ъгъл

(4.14)

където r е пътят, изминат от вълната в йоносферата.

Това явление се нарича ефект на Фарадей.

В различен случай на напречно разпространение, когато посоката на разпространение на вълната е перпендикулярна на посоката на линиите на постоянното магнитно поле, вълната се разпада на обикновени и необичайни компоненти.

За обикновеникомпонент

и разпространението става по същия начин, както при липса на постоянно магнитно поле.

За извънреднокомпонент

След като измине определено разстояние в йоносферата в присъствието на постоянно магнитно поле, голямата ос на вълновата поляризационна елипса се завърта под ъгъл, определен от (4.14). Обикновените и необикновените компоненти се отразяват на различни височини в йоносферата. За да се отрази необикновеният компонент, е необходима по-ниска електронна плътност. Критичната честота на извънредния компонент е по-висока от тази на обикновения:

какво се използва в радиокомуникационната практика.

Експерименталното изследване на йоносферата се извършва главно с помощта на радиометоди, т.е. чрез изучаване на условията за преминаване и отразяване на радиовълните в йоносферата.

4.8. Въпроси за самопроверка

1. Посочете източниците на йонизация на газа в йоносферата. Кой източник е основният?

2. Какъв процес се нарича рекомбинация?

3. Обяснете структурните характеристики на йоносферата.

4. Запишете израз за определяне на диелектричната проницаемост на йонизиран газ и го обяснете.

5. Защо електроните имат много по-голямо влияние върху разпространението на радиовълните, отколкото йоните?

6. Как се променя проводимостта на йонизиран газ, ако електронната плътност се удвои?

7. Каква честота се нарича естествена честота на йонизиран газ?

8. Възможен ли е вълнов процес в среда, където относителната диелектрична константа е по-малка от нула?

9. Какви среди се наричат ​​диспергиращи?

10. Покажете, че йонизираният газ е диспергираща среда.

11. Как изглежда графиката на честотната зависимост на коефициента на поглъщане на радиовълните в йоносферата?

12. Посочете характеристиките на пречупване и отражение на радиовълните в йоносферата.

13. Вълната премина в йонизиран газ известно разстояние по посока на линиите на постоянното магнитно поле. Какви промени са настъпили в структурата на вълновото поле?

14. Какви компоненти на електрическото поле могат да съществуват в йонизиран газ, ако посоката на разпространение на вълната е нормална спрямо посоката на линиите на постоянното магнитно поле?

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ В РАЗЛИЧНИ ДИАПАЗОНИ

5.1 Характеристики на разпространението на ултра-дълги и дълги вълни

Свръхдългият вълнов диапазон (ULW) включва вълни с дължина от

10 000 до 100 000 m (= 30 3 kHz), а до дълги вълни (LW) - вълни от 1000 до 10 000 m (= 300 30 kHz).

Токовете на проводимост за диапазоните SDV и DV значително преобладават над токовете на изместване за всички видове земна повърхност. Следователно, когато повърхностната вълна се разпространява, се получава само леко проникване на нейната енергия дълбоко в Земята. Сферичността на Земята, която служи като пречка за праволинейното разпространение на радиовълните, остава съизмерима с дължината на вълната до разстояния от 1000-2000 км, което допринася за доброто протичане на дълги вълни около земното кълбо поради дифракция. Незначителни загуби и огъване около земната повърхност направиха възможно разпространението на LW и SDV като земна вълна на разстояние до 3000 km. В този случай за разстояние от 500-600 km силата на електрическото поле може да се определи чрез (2.15), а за големи разстояния изчислението се извършва съгласно законите на дифракцията.

Започвайки от разстояние 300-400 км, в допълнение към земната вълна има вълна, отразена от йоносферата. С увеличаване на разстоянието силата на електрическото поле на отразената от йоносферата вълна се увеличава и на разстояния от 700-1000 km полетата на земните и йоносферните вълни стават приблизително равни. Суперпозицията на тези две вълни дава модел на интерферентно поле.

На разстояние над 3000 км LW и VHF се разпространяват само от йоносферни вълни. За отразяване на дълги вълни е достатъчна малка електронна плътност, така че през деня отразяването на тези вълни може да се случи на долната граница на слоя D, а през нощта - на долната граница на слоя E. Проводимостта в това областта на йоносферата за LW е доста значителна (но хиляди пъти по-малка от проводимостта на сухата земна повърхност) и токовете на проводимост се оказват от същия порядък като токовете на изместване. Следователно долната част на йоносферата за LW има свойствата на полупроводник.

При LW и особено при LW, електронната плътност на слоевете D и E се променя рязко по дължината на вълната. Следователно отражението тук възниква като на границата въздух-полупроводник, без проникване на радиовълната в дебелината на йонизирания газ. Това се дължи на слабото поглъщане на LW и SW в йоносферата.

Разстоянието от земната повърхност до долната граница на йоносферата е 60-100 km, т.е. от същия порядък като дължината на вълната (LW и LW), така че вълните се разпространяват между две близко разположени полупроводникови концентрични сфери, едната от които е Земята, а другата е йоносферата. Условията на разпространение в този случай са приблизително същите като в диелектричен вълновод (фиг. 5.1).

Както при всеки вълновод, може да се отбележи оптимални вълни- вълни, разпространяващи се с най-малко затихване, и критична вълна. За вълновод, образуван от Земята и йоносферата, оптимални са вълни с дължина 25-35 km, а вълна с дължина 100 km е критична. Подобно на законите за разпространение на радиовълните в конвенционалните вълноводи, в сферичен йоносферен вълновод фазовата скорост на радиовълните надвишава скоростта на светлината в свободното пространство. При честоти над 10 kHz разликата между фазовата скорост и скоростта на светлината е малка, приблизително () - 1 = (1 5) 10 -3 . Фазовата скорост обаче се променя с разстоянието от предавателя. Освен това зависи от електронната плътност и броя на сблъсъци на електрони с молекули в областта на йоносферата, където се отразяват радиовълните. Това води до нестабилност на фазата на вълната, главно в сутрешните и вечерните часове, когато височината на отразяване на дългите вълни се променя, което трябва да се има предвид при работа на дълговълнови радионавигационни системи. Силата на електрическото поле Em (mV/m) за DV и SDV се изчислява с помощта на Емпиричната формула на Остин:

където r е разстоянието по дъгата голям кръгЗемя, км; q е централния ъгъл, съответстващ на това разстояние; P - мощност на предавателя, kW; l - дължина на вълната, км.

Ориз. 5.1. Разпространение на DV и ADD в

Земя-йоносферен вълновод

Ориз. 5.2. Близко и далечно затихване на средни вълни:

1 – земна вълна; 2 – еднократно отразена от йоносферата вълна; 3 – вълна, отразена от йоносферата два пъти

Формулата на Остин е приложима за разстояния до 16 000-18 000 км над море и суша, а във втория случай започва от разстояния 2000-3000 км.

Дългите и особено свръхдългите вълни се абсорбират слабо, когато преминават през суша или море. По този начин вълни с дължина 20-30 km могат да проникнат на няколко десетки метра в дълбините на морето (виж таблица 2.1) и следователно могат да се използват за комуникация с потопени подводници, както и за подземни радиокомуникации.

Основното предимство на DV е по-голямата стабилност на силата на електрическото поле: силата на сигнала се променя малко през деня и през цялата година и не подлежи на случайни промени. Силата на електрическото поле, необходима за приемане, може да бъде постигната на разстояние над 20 000 км, но това изисква мощни предаватели и обемисти антени.

Недостатъкът на диапазоните DV и SDV е невъзможността да се използват за висококачествено предаване разговорна речили музика и особено изображения, тъй като това изисква широка честотна лента. В момента DV и SDV се използват главно за телеграфни комуникации на дълги разстояния, както и за навигация и наблюдение на гръмотевични бури.

Атмосферните смущения, чийто източник са гръмотевичните бури, са най-интензивни в LW и SW диапазона. По време на разряд на мълния възниква мощен токов импулс, който има апериодичен характер или характер на затихнали трептения и има продължителност

0,1 3 мс. Такъв импулс създава непрекъснат честотен спектър с максимум в областта 3-8 kHz, намаляващ във високочестотната област по закона 1/. В случай, когато смущението се генерира от гръмотевична буря, възникваща близо до приемащата точка (локална гръмотевична буря), силата на полето на смущението намалява обратно пропорционално на честотата. Основният източник на смущения обаче са гръмотевичните бури, които се случват по време на през цялата годинав екваториалните райони на земното кълбо - центрове на гръмотевична активност. Честотната зависимост на интензивността на смущенията, създадени от центрове на гръмотевична буря, е различна от тази на локалните гръмотевични бури, тъй като се определя и от условията на разпространение на радиовълните от мястото на произход на смущението до точката на приемане.

Радиовълните с различна дължина, които възникват по време на мълния, се разпространяват като вълни от съответните диапазони. Количественото описание на времевите и географските промени в нивото на атмосферни смущения се извършва с помощта на статистически методи, базирани на резултатите от обработката на дългосрочни данни от измервания. За всеки сезон на годината и за шест часови интервала от времето на деня се изготвят карти с изолинии на средните стойности на силата на полето на атмосферните смущения при честота 1 MHz. Данните също се събират на статистическо разпределениемоментни стойности на силата на полето на атмосферните смущения, които определят вероятността от поява на емисии на високо ниво на смущения.

5.2. Характеристики на разпространението на средни вълни

Обхватът на средните вълни (MV) включва радиовълни l=100 1000 m (= 0,34 3 MHz). CB обхватът се използва за радиоразпръскване, радионавигация, радиотелеграфни и радиотелефонни комуникации; SW може да се разпространява както от наземни, така и от йоносферни вълни.

Напрегнатостта на електрическото поле на земните вълни се определя за малки разстояния съгласно (2.15), а за големи - според законите на дифракцията. SW изпитва значително поглъщане в полупроводниковата повърхност на Земята, поради което обхватът на разпространение на земната вълна е ограничен до разстояние от 1000 km. Трябва също така да се има предвид, че неравните земни повърхности намаляват ефективната проводимост на почвата. Приблизително за равнинен терен = (0,5 0,7), за хълмист терен = (0,15 0,2), за вечно замръзнали райони.

SW се разпространяват на големи разстояния само през нощта чрез отражение от Е слоя на йоносферата, чиято електронна плътност е достатъчна за това. През деня по пътя на разпространение на СВ има слой D, който изключително силно поглъща енергията на тези вълни. Следователно, при често използваните мощности на предавателя, напрегнатостта на електрическото поле на големи разстояния се оказва недостатъчна за приемане и през деня разпространението на SW се извършва почти изключително от земната вълна.

Абсорбцията в SW диапазона се увеличава със скъсяване на дължината на вълната и силата на електрическото поле на йоносферната вълна е по-голяма при по-дълги вълни. Абсорбцията се увеличава през летните месеци и намалява през зимните месеци. Йоносферните смущения не влияят на разпространението на SW, тъй като E слоят е леко нарушен по време на йоносферни магнитни бури.

Затихването при средни вълни се наблюдава само през нощта, когато на известно разстояние от предавателя е възможно пространствените и повърхностните вълни да пристигнат едновременно в точка В (фиг. 5.2), а дължината на пътя на пространствената вълна се променя с промените в електронната плътност на йоносферата. Промяната във фазовата разлика на тези вълни води до флуктуация в напрегнатостта на електрическото поле във времето, т.нар. близо до избледняване. Вълните могат да достигнат значително разстояние от предавателя (точка C) чрез едно или две отражения от йоносферата. Промяната на фазовата разлика между тези две вълни също води до флуктуация в напрегнатостта на полето, т.е избледняване на дълги разстояния. Скоростта на затихване е ниска (периодът на затихване е 1 - 2 минути).

За борба със затихването в предавателния край на радиовръзката се използват антени с диаграми на излъчване, притиснати към земната повърхност. При такъв модел на излъчване зоната на почти затихване се отдалечава от предавателя и на големи разстояния полето на вълната, пристигаща чрез две отражения, се оказва отслабено.

Силата на полето на йоносферната вълна на разстояния >300 km се определя от графики, получени в резултат на обработка на голям брой наблюдения.

5.3. Характеристики на разпространението на къси вълни

Късият поли (KB) диапазон включва вълни с дължина от 10 до 100 m (= 30 3 MHz). KB вълните се разпространяват от наземни вълни на разстояние не повече от 100 km поради силно поглъщане в земната повърхност и лоши условия на дифракция. Силата на полето на земната вълна трябва да се изчисли с помощта на (2.15).

Йоносферната вълна KB се разпространява на много хиляди километри. В този случай могат да се използват насочени антени и предаватели с не много голяма мощност. Следователно KB се използват главно за комуникации на дълги разстояния и излъчване.

Разпространението на HF от йоносферна вълна става чрез последователно отражение от слоя F (понякога слоя E) на йоносферата и земната повърхност. В този случай вълните преминават през долната област на йоносферата - слоеве E и D, в които претърпяват абсорбция (фиг. 5.3, а). За да се осъществи радиокомуникация на HF, трябва да бъдат изпълнени две условия: вълните трябва да се отразяват от йоносферата и силата на електромагнитното поле в дадено място трябва да е достатъчна за приемане, т.е. поглъщането на вълната в слоевете на йоносферата не трябва бъде твърде страхотно. Тези две условия ограничават обхвата на приложимите работни честоти.

За да се отрази вълна, е необходимо работната честота да не е твърде висока и електронната плътност на йоносферния слой да е достатъчна, за да отрази тази вълна в съответствие с (4.9). От това условие се избира максималната приложима честота (MUF), която е горната граница на работния диапазон.

Второто условие ограничава работния обхват отдолу: колкото по-ниска е работната честота (в обхвата на късите вълни), толкова по-силно е поглъщането на вълната в йоносферата (виж фиг. 4.2). Най-ниската приложима честота (LOF) се определя от условието, че за дадена мощност на предавателя силата на електромагнитното поле трябва да е достатъчна за приемане.

Електронната плътност на йоносферата се променя през деня и през цялата година. Това означава, че границите на работния обхват също се променят, което води до необходимостта от промяна на работната дължина на вълната през деня: през деня те работят при вълни от 10-25 m, а през нощта при вълни от 35-100 m. Необходимостта да се избере правилно дължината на вълната за комуникационни сесии в различно време усложнява дизайна на станцията и работата на оператора.

Зоната на тишина KB е пръстеновидна зона, която съществува на определено разстояние от предавателната станция, в рамките на която е невъзможно да се приемат радиовълни. Появата на зона на мълчание се обяснява с факта, че земната вълна отслабва и не достига тази зона (точка B на фиг. 5.3, а), а за йоносферните вълни, падащи под малки ъгли върху йоносферата, условията на отражение (4.9 ) не са изпълнени. Границите на безшумната зона (SB) се разширяват, когато дължината на вълната се скъсява и електронната плътност намалява.

Ориз. 5.4. Наземно разсейване на къси вълни на дълги разстояния

Затихването в KB обхвата е по-дълбоко отколкото в CB обхвата. Основната причина за избледняване е интерференцията на лъчите, разпространяващи се чрез едно или две отражения от йоносферата (фиг. 5.3, а). В допълнение към това, затихването се причинява от разсейването на радиовълни върху нередности в йоносферата и интерференцията на разсеяните вълни (фиг. 5.3, b), както и интерференцията на обикновените и извънредни компоненти на магнитно разделена вълна ( Фиг. 5.3, c). Обработката на измерванията за кратки интервали от време (до 5 минути) показа, че функциите на амплитудното разпределение са близки до разпределението на Rayleigh. При големи периоди на наблюдение разпределението е по-близо до логнормалното. За да се пребори със затихването, се използва приемане на разнообразна антена.

Сигналите, получени от раздалечени антени, се добавят след откриване. Ефективно е поляризационното разнообразие - приемане от две антени с взаимно перпендикулярна поляризация. Използват се и приемни антени с тясна диаграма на излъчване, фокусирани върху приемането само на един от лъчите.

При благоприятни условия на разпространение KB може да обиколи земното кълбо един или няколко пъти. Тогава, в допълнение към основния сигнал, може да бъде получен втори сигнал, забавен с приблизително 0,1 s и извикан радио ехо. Радиоехото има смущаващ ефект върху меридионалните линии. Късите вълни изпитват земно разсейване по време на разпространение (фиг. 5.4). Не цялата енергия на вълна, падаща върху неравна земна повърхност (лъч 1), се отразява огледално, част от нея се разпръсква в различни посоки (лъчи 2, 3, 4, 5). В този случай част от енергията, отразена от йоносферата, се връща към мястото, където се излъчва радиовълната (лъч 5). Обратно разсеяните вълни могат да бъдат получени в точката на излъчване, което показва възможността радиовълни с дадена честота да преминават по пътя. Това явление се нарича ефект на Кабанов, се използва за коригиране на работните честоти: преди началото на предаването се изпращат импулсно модулирани сигнали на избраната работна честота. Въз основа на времето на забавяне и изкривяването на обратно разпръснатите импулси се преценява правилният избор на работната честота.

Изчисляването на KB комуникационните линии е разделено на два етапа: определяне денонощен цикълмаксимални приложими честоти (MUF) и оптимални работни честоти (OPF); определяне на напрегнатостта на електрическото поле на мястото на приемане или определяне на дневната вариация на най-ниските приложими честоти (LAP).

5.4. Характеристики на разпространението на ултракъси вълни в повърхностното пространство

Общи свойства.Обхватът на ултракъсите вълни (VHF) включва радиовълни с дължина от 10 m до 1 mm (= 30 MHz 3 10 5 MHz). При долната честотна граница VHF диапазонът е в съседство с HF. Тази граница се определя от факта, че на VHF по правило не може да бъде изпълнено условието за отразяване на радиовълните от йоносферата (4.8). В горната честотна граница VHF граничи с дълги инфрачервени вълни. VHF диапазонът е разделен на поддиапазони от метрови, дециметрови, сантиметрови, милиметрови вълни, всеки от които има свои собствени характеристики на разпространение, но основните разпоредби са характерни за целия VHF диапазон. Условията за разпространение зависят от дължината на комуникационната линия и спецификата на маршрута.

Поради малката си дължина VHF дифрактират слабо около сферичната повърхност на Земята и големи неравности на земната повърхност или други препятствия. Антените са склонни да бъдат разположени на значителна височина над повърхността на Земята, тъй като това, първо, увеличава разстоянието на линията на видимост (виж (2.11), (3.5)) и, второ, намалява ефекта на екраниране на локални обекти, разположени в близост до антената. В този случай, като правило, е изпълнено условието, при което височината на антената е много по-голяма от дължината на вълната и силата на полето може да се изчисли с помощта на формули за смущения (2.12), (2.13). Ако това условие не е изпълнено (преносими или автомобилни станции, работещи на метрови вълни), изчислението се извършва съгласно (2.15).

В VHF диапазона земната повърхност може да се счита за идеален диелектрик и проводимите свойства на земната повърхност трябва да се вземат предвид само когато метровите вълни се разпространяват над морската повърхност. Следователно промените в проводимите свойства на почвата (промените в нейното съдържание на влага) практически нямат ефект върху разпространението на VHF. Но според (2.9) дори малки неравности на земната повърхност значително променят условията за отразяване на VHF от земната повърхност.

VHF разпространение в рамките на пряка видимост. Отражение от земната повърхност.При разстояния, много по-малки от границата на линията на видимост (3.5), влиянието на сферичността на Земята и влиянието на пречупването на радиовълните в тропосферата могат да бъдат пренебрегнати. Характерни особености на УКВ разпространението в този случай са по-голямата стабилност и неизменност на нивото на сигнала във времето при стационарен предавател и приемник. Силата на полето може да се изчисли по формулата на Введенски (2.14), ако са изпълнени условията за приложимостта на тази формула.

На радиокомуникационната линия Земя-самолет или по време на радарно наблюдение на самолет, сигналът се колебае поради промяна в ъгъла на наблюдение, когато самолетът се движи и здравината на радиационната схема на системата излъчвател-Земя (виж Фиг. 2.8) .

На разстояния в рамките на 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.

Радарни отражения. VHF отраженията от неравни земни повърхности са от особено значение в радарната технология. По принцип те са разпръснати в природата и част от отразената енергия е насочена към източника. Такива отражения най-често се отнасят до смущаващи сигнали, които затрудняват разпознаването на полезни радарни цели. Въпреки това, отраженията от земната повърхност към източник се използват, когато се правят наблюдения на земната повърхност от въздуха, например при алтиметрия.

Случайните стойности на амплитудата на сигнала, излъчван от движещ се радар (например от самолет) и отразен от земната повърхност, се подчиняват на закона на Rayleigh. Само при отражение от спокойна вода и от равнинни области на пустинята има постоянен компонент и законът за разпределение на амплитудата съответства на обобщения закон на Релей. Корелационната функция на сигнала се описва с експоненциален закон, а мащабът на корелация зависи както от височината на нередностите, така и от скоростта на източника.

VHF разпространение над неравен терен и в градове.Обикновено има големи или малки нередности по VHF комуникационната линия, които влияят на разпространението на радиовълните. В общия случай не е възможно да се отчете това влияние. За да се изчисли силата на електрическото поле във всеки конкретен случай, е необходимо да се изгради профил на пътя и в зависимост от естеството на този профил да се извърши изчислението по един или друг метод. Нека да разгледаме няколко примера за профили на маршрути.

Маршрутът минава през малки полегати възвишения. (Фиг. 5.5, а) показва профила на пътя, в който предавателната антена е разположена на лек склон на хълм. В този случай директен лъч AB и три отразени лъча могат да стигнат до приемната антена и т.н. При изчисляване на напрегнатостта на електрическото поле трябва да се вземе предвид фазовата разлика на тези лъчи, причинена от разликата в пътя и различните условия на отражение в точките. В резултат на разглеждане на такава картина може да се получи израз за изчисляване на силата на полето, подобен на формулите за интерференция, но по-сложен. Фигура 5.5b показва профил, в който има хълм в средата на маршрута. В най-простия случай само един лъч пристига в точка B и се отразява в точка C. За да се изчисли такъв път, е удобно да се въведе концепцията определени височини на антенатач 1при Х 2при сведете проблема до добре познатия случай на разпространение на радиовълни над фиктивна равнина, допирателна към повърхността на Земята в точката на отражение.

Ориз. 5.6. VHF разпространение по маршрут с препятствие, отворени и затворени маршрути ( А); мултипликационна зависимост

отслабване Vот параметър zб)

Ориз. 5.7. Схема на маршрута с "укрепващо препятствие"

Маршрут, минаващ над висок хълм или било. За да определите приблизително силата на полето на път с висок хълм или планински хребет, можете да използвате теорията за дифракцията на електромагнитните вълни върху непрозрачен клиновиден екран. Ако препятствието не блокира линията на видимост между антените, тогава се извиква пътят отворен; когато препятствието се издигне над линията на видимост, трасето се обявява затворен(Фиг. 5.6, а).

Ако препятствието поне частично припокрива първата зона на Френел (1.5), интензитетът на електромагнитното поле по протежение на пътя се променя. Когато се използват силно насочени антени, излъчваните вълни не падат върху плоски участъци от земната повърхност и напрегнатостта на полето зад препятствието се определя по формулата E m = E m c in V, където E m c in се намира съгласно (1.1 ).

Коефициентът на затихване V зависи от дължината на вълната и "клирънса" d, който се счита за положителен, когато пътят е затворен, и отрицателен, когато пътят е отворен. Фигура 5.6b показва зависимостта на коефициента на затихване V от параметъра z:

На VHF маршрути с дължина около 100-150 км, преминаващи през планински вериги с височина 1000-2000 м, се наблюдава феномен, наречен укрепване на препятствието. Това явление се дължи на факта, че интензитетът на електромагнитното поле на радиовълна на известно разстояние зад препятствие е по-голям, отколкото на същото разстояние от предавателя по път без препятствия. Усилването от препятствие може да се обясни с факта, че върхът на планината служи като естествен пасивен повторител (фиг. 5.7). Полето, вълнуващо върха на планината, се състои от две вълни - директна AC и отразена ADC. Вълните се дифрактират на острия връх на планината, подобно на клиновидно препятствие, и се разпространяват в района зад планината. В този случай два лъча SEB и CB ще пристигнат на мястото на приемната антена B. Следователно, в участъците предавател-планина и планина-приемник на пътя, разпространението става в рамките на линията на видимост. При отсъствие на препятствие на разстояние 100-150 km, много по-голямо от границата на линията на видимост, само много слабо поле, дължащо се на дифракция върху сферичната повърхност на Земята и пречупване, достига до мястото на приемане. Изчисленията и експериментите показват, че такова препятствие - повторител - може да увеличи силата на електрическото поле с 60-80 dB.

Използването на феномена на усилване на препятствията се оказва рентабилно, елиминирайки необходимостта от инсталиране на високопланински релейни станции.

На някои радиорелейни линии, преминаващи в равнинни зони, е изградено изкуствено усилващо препятствие под формата на мрежа или система от проводници, което дава печалба в мощността и позволява да се намали височината на мачтите на антената.

Разпространение на VHF в рамките на голям град.Големият град може да се разглежда като силно пресечен терен. Многобройни експерименти показват, че средната сила на полето на метрови и дециметрови вълни в града е приблизително 3-5 пъти по-малка, отколкото на открити площи. Следователно може да се направи груба оценка на средното ниво на напрегнатост на полето при тези вълни, като се използва (2.14), като се въведе коефициент 0,2-0,4 в него. В сантиметровия диапазон на дължината на вълната затихването е още по-силно.

Ако има пряка видимост между предавателната и приемната антена, изчислението може да се извърши съгласно (2.14), а височината на антената трябва да се измерва от средното ниво на покривите.

На закрито структурата на полето е още по-сложна и практически невъзможна за изчисляване. Измерванията на напрегнатостта на полето на закрито показаха, че в помещенията на горните етажи напрегнатостта на полето е 10-40% от напрегнатостта на полето над покрива, а в приземния етаж - 3-7% от тази стойност.

VHF разпространение на дълги разстояния при свръхпречупващи условия.На разстояния, превишаващи разстоянието на линията на видимост, силата на полето на радиовълните рязко намалява. На тези разстояния разпространението се дължи на дифракцията на радиовълните около сферичната повърхност на Земята, пречупването на радиовълните в тропосферата и тяхното разсейване от нехомогенности в тропосферата.

Рязко увеличаване на обхвата на разпространение на VHF се получава, когато областта на суперрефракциите заема значителни разстояния над земната повърхност. В този случай радиовълната се разпространява чрез последователно редуване на две явления: пречупване в атмосферата и отражение от земната повърхност. Този тип разпространение на вълните се нарича атмосферен вълновод. Но в същото време само част от енергията на вълната, която се използва за приемане, се отразява от атмосферата, а останалата част, пречупена, излиза през горната стена на вълновода (фиг. 5.8). За атмосферен вълновод с определена височина, по аналогия с металния вълновод, има определена критична дължина на вълната. Вълните, по-дълги от критичните, бързо затихват и не се разпространяват. Критичната дължина на вълната l cr (m) е свързана с височината на вълновода h в (m), връзката

Височината на атмосферните вълноводи h в достига няколко десетки метра, следователно вълноводното разпространение е възможно само за сантиметрови и дециметрови вълни.

Във вълноводния канал само най-плитките лъчи се отразяват от стените на канала, докато по-стръмните лъчи пропускат през стените. Ако предавателят и приемникът са разположени във вълновода, тогава VHF приемането е възможно на големи разстояния. В противен случай обхватът на приемане може дори да намалее в сравнение с условията на нормална рефракция.

Атмосферните вълноводи се появяват неравномерно и следователно е невъзможно да се осигури стабилна радиокомуникация на дълги разстояния с помощта на VHF вълноводно разпространение. Но това явление може да причини взаимни смущения между станции, работещи в диапазона на дължината на вълната от сантиметър и дори разделени на големи разстояния. В допълнение, появата на атмосферен вълновод може да попречи на работата на радарите за откриване на самолети. Например, самолет над атмосферен вълновод може да не бъде открит поради радиовълни, отразяващи се от стената на вълновода.

Разсейване на УКВ върху тропосферни нееднородности.Нееднородности на тропосфератапредставляват области, в които диелектричната константа се различава от средната стойност за околната тропосфера. Под въздействието на полето на преминаваща вълна във всяка нееднородност на тропосферата се индуцират поляризационни токове и се създава електрически въртящ момент. В резултат на това нехомогенностите действат като вторични излъчватели. Вторичното излъчване от набор от нееднородности може да се характеризира с определен модел на излъчване с максимално излъчване в посоката на първоначалното движение на вълната.

Ориз. 5.9. Диаграма на радиовръзка, използваща тропосферно разсейване

Полето, създадено близо до земната повърхност, е резултат от интерференцията на полета, преизлъчени от голям брой нехомогенности. Поради промени в структурата и местоположението на нехомогенностите, полето непрекъснато се колебае и е произволна функция на времето. Характерът на разпределението на моментните стойности на нивото на сигнала зависи от средното ниво на сигнала. Колкото по-ниско е нивото, толкова по-близък е законът за разпределение до този на Релей. При високи нива на сигнала, моментните стойности на неговата амплитуда се разпределят съгласно обобщения закон на Рейли, който показва наличието на мястото на приемане, в допълнение към бързо променящия се компонент на сигнала, на бавно променящ се регулярен компонент, получен чрез отражение от слоести нееднородности на тропосферата.

Работата на комуникационна линия, използваща разсейване на радиовълни върху нехомогенности в тропосферата, може да се обясни по следния начин. В резултат на пресичането в пространството на диаграмите на излъчване на предавателната и приемната антени, условно ограничени от правите AD-AC 1 и BD-BC (фиг. 5.9), се образува обем на атмосферата CDС 1 D 1 , Наречен дисипативен обем. Той участва в предаването на радиовълни от точка А до точка Б. За да се увеличи силата на електрическото поле на мястото на приемане, те се стремят да намалят ъгъла между посоката на първоначалното движение на вълната и посоката към точката на приемане (ъгъл q на фиг. 5.9).

Характерна особеност на разглежданите комуникационни линии е тяхната теснолентовост. Максималната честотна лента, която може да се предава без изкривяване, се определя от времето на забавяне на лъча ACB спрямо лъча AC1B, т.е. ширината на диаграмите на антената. При практически приемливи изкривявания може да се предава честотна лента от 1-2 MHz.

Изчисляване на мощносттана входа на приемната антена на комуникационна линия, използваща тропосферно разсейване, разработена от съветски учени под ръководството на Б. А. Введенски и М. А. Колосов.

За да се пребори със затихването, приемането се извършва с помощта на раздалечени (две или четири) антени. Сигналите, получени от тези антени, се сумират след откриване.

Използва се и честотно разнообразие, когато една и съща информация се предава едновременно на честота 1 и честота 2 = 1 + D, с D / = (2 5) 10 -3. Затихването при тези две честоти не е свързано. Приема се или по-силният от двата сигнала, или сигналите се събират заедно след откриване.

Разсейване и отражение на метрови вълни в йоносферата.Йонизираните слоеве се характеризират с голяма хетерогенност. Наличието на локални обемни нехомогенности в йоносферата води до VHF разсейване, което се случва подобно на разсейването от нехомогенности в тропосферата.

Разсейването на радиовълните се извършва на надморска височина от 70-90 км, което ограничава максималната дължина на радиокомуникационната линия до разстояние от 2000-2300 км. Основната част от вълновата енергия, падаща върху йоносферата, се разсейва по посока на първоначалното движение на вълната. Колкото по-голям е ъгълът на посоката към приемната антена с посоката на първоначалното движение на вълната, толкова по-ниско е нивото на мощност на разпръснатия сигнал. Следователно приемането е възможно само на разстояния над 800-1000 км. Силата на полето на разсеяния сигнал намалява с увеличаване на работната честота и за комуникация са приложими вълни с честота 30-60 MHz. Сигналите при този вид радиокомуникация на метрови вълни са обект на бързо и дълбоко затихване.

За борба с избледняването се използва приемане с две антени.

Големите предимства на радиокомуникацията чрез йоносферно разсейване на метрови вълни в сравнение с комуникационните линии на КВ са възможността за денонощна работа на същата работна честота и липсата на прекъсвания в комуникацията. С тези линии се постига по-голяма надеждност на радиотелеграфните комуникации в полярните райони. Комуникацията на метрови вълни обаче изисква използването на предаватели с мощност около 10 kW и антени с коефициент на усилване 20-30 dB.

5.5. Характеристики на разпространението на ултракъси вълни в космическото пространство

Основни видове космически радиовръзки. Космическите радиовръзки решават следните основни задачи:

Наземни радиокомуникации и препредаване на радио и телевизионни програми чрез ретранслатори, разположени на изкуствени спътници на Земята;

радиовръзка на пилотирани космически кораби със Земята и помежду си;

Радио наблюдение на полета и управление на полета на космически кораби;

предаване на радиотелеметрична информация от космическия кораб (резултати от измерване на режимите на работа на оборудването, параметри на полета, данни от научни наблюдения);

изследване на космоса, събиране на метеорологични и геодезически данни.

Космическите радиокомуникации включват и разпространението на радиовълни по пътищата Земя-планета, между две планети, между два кореспондента, разположени на планетата.

Изкуствените спътници на Земята (AES) имат траектории с три характерни участъка. В началния, начален участък от траекторията

спътник с ракета-носител с работещи двигатели се движи в относително плътни слоеве на атмосферата. Тук се отделят отработените степени на ракетата. Във втория участък от траекторията скоростта на спътника леко надвишава първата скорост на бягство и движението около Земята се извършва по елиптична орбита в силно разредена атмосфера. Третият участък от траекторията съответства на връщането на спътника и навлизането му в плътните слоеве на атмосферата. Невъзвръщаемите сателити нямат трети участък от траекторията.

Особеностите на радиокомуникацията в първия и третия участък на траекторията се дължат на факта, че в близост до сателита се образува натрупване на йонизиран газ с висока електронна плътност (няколко порядъка по-голяма от електронната плътност на йоносферата). Причината за образуването на йонизация в първия участък от траекторията е горещият отработен газ на двигателя, а в третия участък - термодинамично нагряване на въздуха, когато спътникът се движи в плътни слоеве на атмосферата (на височини под 100 km) със свръхзвукова скорост.

В първия и третия участък от траекторията разстоянията от наземните станции до спътника са малки и радиовълните се разпространяват в рамките на пряката видимост.

Във втория участък, в зависимост от надморската височина на сателита и дължината на работната вълна, е възможна радиокомуникация както в рамките на пряката видимост, така и извън нея. Условията за разпространение на радиовълните се влияят от тропосферата и йонизираните слоеве на земната атмосфера.

Космическите кораби имат траектория, която също може да бъде разделена на три секции, като условията за радиокомуникация в първата и третата секции за сателитите и космическите кораби са еднакви. Във втория участък от траекторията скоростта на кораба надвишава втората евакуационна скорост, корабът напуска гравитационното поле на Земята и се движи в междупланетното пространство. Дължината на радиовръзката космически кораб-Земя може да достигне стотици милиони километри.

В този случай земната атмосфера също влияе върху условията за радиокомуникация.

Ако космически кораб е насочен към една от планетите, тогава когато корабът навлезе в атмосферата на планетата, условията за радиокомуникация се променят в зависимост от радиофизичните свойства на атмосферата на планетата.

Характеристики на междупланетната среда.В междупланетното пространство концентрацията на електрони е равна на концентрацията на протони и като цяло плазмата е квазинеутрална. На разстояния над 30 km от Слънцето скоростта на движение на плазмата може да се счита за постоянна и равна на 500 km/s. На тези разстояния концентрацията на електрони N e cm -3 поради постоянството на потока на частиците в единичен телесен ъгъл зависи от разстоянието до Слънцето r (km) съгласно закона

На разстояние 150 10 6 km от Слънцето електронната плътност N e = 2 – 20 cm -3. Междупланетната плазма е статистически нехомогенна среда със среден размер на нехомогенностите около 200 km. Освен това има широкомащабни хетерогенности с размери (0,1 - 1) 10 6 km. Силата на постоянното магнитно поле на разстояние 150 10 6 km от Слънцето е = 4 10 -3 A/m. След слънчевите изригвания електронната плътност и скоростта на плазмения поток, както и силата на постоянното магнитно поле се увеличават няколко пъти. Експериментално изследване на преминаването на радиовълни в космоса от източник, излъчващ бял спектър (съзвездието Телец) или монохроматични трептения (предаватели, инсталирани на космически обекти), показа, че VHF енергийният поток и в двата случая практически не се абсорбира от междупланетните среден. Установено е обаче, че междупланетната среда причинява затихване на радиовълните, свързано с движението на плазмените нехомогенности.

Тъй като нееднородностите на междупланетната среда са различни в различните региони на междупланетното и околослънчевото пространство, колебанията във фазите, амплитудите и промените в спектъра на радиовълните зависят от местоположението на пътя спрямо Слънцето.

Характеристики на УКВ радиовръзката Земя – Космос. Загуба на енергия. В радиовръзката Земя-космос междупланетната плазма има слаб абсорбиращ или разпръскващ ефект върху радиовълните. Решаващият фактор е затихването на сигнала поради голямата дължина на пътя и поглъщането в земната атмосфера.

Обхватът на радиочестотите, подходящи за радиовръзка с космически кораб, е ограничен от поглъщащите и отразяващи свойства на земната атмосфера. Радиовълните с дължина над 10 m се отразяват от йоносферата и поради това са неподходящи за комуникация с обекти, намиращи се извън нейните граници. Поглъщането на радиовълните в йоносферата намалява по квадратичен закон с увеличаване на работната честота. Когато вълни с честоти над 100 MHz преминават през цялата дебелина на йоносферата, поглъщането не надвишава 0,1 dB. По време на абсорбционни изблици загубите на вълна с честота 100 MHz се увеличават до 1 dB и условията за преминаване на метрови вълни се влошават. Горната граница на честотите, приложими за космически радиокомуникации, се определя от поглъщането на радиовълните в тропосферата и е приблизително 10 GHz. Когато наземният кореспондент се намира на надморска височина от около 5 км, горната граница на работните честоти може да бъде увеличена до 40 GHz.

За радиовръзка със спътници, чиято траектория минава под основния максимум на електронната плътност на йоносферата – слоя F2, са приложими късите вълни. Отражението и поглъщането на HF в този случай се подчинява на същите закони, както при наземните късовълнови радиовръзки. Рязко повишаване на нивото на сигнала, получен от спътника, се наблюдава, когато сателитът премине над приемащата точка и над антиподната точка (антиподен ефект).

Завъртете равнината на поляризация. Когато радиовълните се разпространяват в йоносферата в присъствието на постоянно магнитно поле на Земята, поляризационната равнина на радиовълната се върти.

Максималната стойност на ъгъла на въртене на поляризационната равнина на вълната (в градуси) се определя от израза, получен от (4.14) при допускането, че вълната преминава през цялата дебелина на йоносферата при най-висока електронна плътност (денем , лято):

където е работната честота, MHz; - истински зенитен ъгъл на спътника (фиг. 5.10). Стойностите на ymax за честоти 500 MHz, 1 GHz, 3 GHz, при = , са съответно; ; .

Въртенето на равнината на поляризация в йоносферата се проявява при много високи честоти и се променя, когато спътникът се движи по небето поради промени в ъгъла и колебания на електронната плътност на йоносферата. При приемане на линейно поляризирана антена се получава затихване. За да се елиминира избледняването, се използват предавателни и приемащи антени с кръгова поляризация. Трябва да се има предвид, че само в централната част на диаграмата има поле с кръгова поляризация, а по краищата на диаграмата е поле с елиптична поляризация. Това причинява загуба на поляризационно несъответствие от приблизително 0,5 dB. Ако бордовата антена има линейна поляризация, тогава възникват загуби до 3 dB.

Затихване на радио вълните. Разсейването на енергията на радиовълните от нередности в йоносферата и интерференцията на директни и разсеяни вълни водят до колебания в амплитудата на радиосигналите, преминаващи през йоносферата. За да се осигури непрекъснато приемане на такива сигнали, техният изчислен интензитет трябва да се увеличи с известно количество. Стойностите за честоти 300 MHz, 1 GHz, 3 GHz са съответно 1,6; 0,5; 0,1 dB и показват, че ефектът от разсейването намалява с честотата.

Разликата в стойностите на приетите и предаваните честоти D се нарича

Доплерова честотна промяна:

Ориз. 5.10. Диаграма на радиовръзката земя-космос:

А– наземна антена; СЪС- сателит

Например, при r =8 10 3 m/s, доплеровото изместване на честотата = 0,02 0,2 ​​MHz.

Когато радиовълните, излъчвани от движещ се източник, преминават през нехомогенна среда, която се променя произволно във времето и пространството, тя също се променя произволно.
По този начин, когато радиовълните, излъчвани от космически кораб, преминават през нехомогенната тропосфера, йоносфера и космическото пространство, промяната е статистическа по природа.

За да се намалят вредните ефекти от изместване на носещата честота по време на космически радиокомуникации, приемниците използват автоматично регулиране на честотата или променят честотата на предавателя, ако траекторията на излъчвателя е известна предварително. В допълнение, под въздействието на ефекта на Доплер, честотният спектър на сигнала се деформира поради факта, че всеки компонент на спектъра получава свое собствено изместване.

Доплеровото изместване на честотата се използва като положителен феномен, който позволява да се определи скоростта на движещ се източник или рефлектор, ако са известни свойствата на средата. Те решават и обратната задача: чрез измерване на честотното изместване и познаване на скоростта на емитера, те определят електрическите параметри на средата.

Промени при определяне на координатите на космически обекти с помощта на радиотехнически методи.Преминаването на радиовълни в тропосферата и йоносферата е съпроводено с пречупване и промени във фазовата и груповата скорост на разпространение на вълната. Тези фактори причиняват грешки, които трябва да се вземат предвид при определяне на координатите на космически обекти с помощта на радиотехнически методи. Отстраняването на възникналите грешки се извършва чрез въвеждане на подходящи изменения.

5.6. Характеристики на разпространението на вълните в оптичния и инфрачервения диапазон

Общи положения.Оптичният диапазон включва електромагнитни вибрации с дължина на вълната 0,39-0,75 микрона. Инфрачервеният (IR) диапазон включва вълни с дължина 0,75-1000 микрона, заемащи междинно положение между оптичните и милиметровите вълни. Инфрачервеният диапазон е разделен на три области: близко инфрачервено лъчение - от 0,75 до 1,5 микрона, средно - от 1,5 до 5,6 микрона и далечно инфрачервено лъчение - от 5,6 до 1000 микрона. Границите на спектрите на оптичните, инфрачервените и милиметровите радиовълни взаимно се припокриват.

Оптичните и инфрачервените вълни могат да бъдат фокусирани от лещи и огледала, да променят посоката си при отражение и пречупване и да бъдат разложени в спектър чрез призми. IR вълните, подобно на радиовълните, могат да преминат през някои материали, които са непрозрачни за оптичните вълни. IR вълните са намерили широко приложение в различни индустрии.

Основното предимство на много инфрачервени системи е, че е възможно да се използва радиация от цели, които или сами по себе си са източници на инфрачервена радиация, или отразяват радиация от естествени инфрачервени източници. Такива системи се наричат ​​пасивни. Активните IR системи имат мощен източник, чието излъчване, филтрирано в тясна част от спектъра, се концентрира с помощта на оптична система и се насочва под формата на тесен лъч към целта.

IR системите имат висока резолюция.

Затихване на оптични и инфрачервени вълни в атмосферата. Пълното затихване на оптичните и инфрачервени вълни в атмосферата се дължи на няколко фактора. Прави се разлика между отслабването на светлината в атмосфера без облаци и мъгла и отслабването на светлината в мъгла.

Затихването в свободната атмосфера се състои от разсейване на светлината от молекули газ и водна пара и селективно поглъщане. Мощността, пренасяна от светлина и инфрачервени вълни, изминали определено разстояние r в атмосферата, се изчислява подобно на мощността на радиовълна:

където Г е общият коефициент на поглъщане в dB/km, равен на:

G=Gg+Gp+Gsel+Gt.

Тук Гг и Гп са коефициентите на затихване, дължащи се на разсейване от молекулите на газа и парата; Gsel - коефициент на селективно поглъщане; Гт - коефициент на поглъщане в мъгла.

Коефициентът на затихване, дължащ се на разсейване на вълни от газови молекули Gg (dB/km) при налягане на въздуха p (MPa), температура T (K) и дължина на вълната l (μm) се определя от следния израз:

GG = 25p/Tl 4.

Този тип затихване е много по-слабо изразен в инфрачервения диапазон, отколкото в оптичния диапазон.

Атмосферата без облаци и мъгла съдържа частици от примеси - водни пари и прах, върху които също се разпръскват оптични и инфрачервени вълни. За характеризиране на пространствения модел на разсейване на светлината от всяка частица се използва концепцията за индикатриса на разсейване (ъглова функция на разсейване), дефинирана като съотношението на мощността, разпръсната от частица в дадена посока, към енергийния поток, разпръснат във всички посоки (a концепция, подобна на диаграмата на излъчване на антена). Индикатриксите на разсейване се определят чрез изчисление за сферични частици с различни радиуси a и различни показатели на пречупване n. Малки частици с а/л<<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).

Частиците прах и пара са многократно по-големи от дължината на вълната и броят на частиците не остава постоянен, което затруднява изчисленията на коефициента на екстинкция. Следователно, за предпочитане е да се използват експериментални данни за определяне на затихването, дължащо се на разсейване от тези частици. Експериментално е установено, че коефициентът на затихване е пропорционален на l -1,75. Загубите от този тип са най-големи в градовете, при инфрачервени вълни те са по-малко, отколкото при оптични вълни.

Селективното поглъщане е особено характерно за инфрачервения диапазон. На фиг. Фигура 5.11 показва разпределението на енергията в слънчевия спектър, измерен близо до Земята за вълновия диапазон 0,3-2,2 микрона. Ако нямаше селективна абсорбция, тогава кривата щеше да има плавен курс, обозначен с пунктирана линия. Във видимата част на спектъра при вълни от 0,4-0,75 микрона абсорбцията е незначителна, при дължина на вълната 0,76 микрона се наблюдава абсорбция в кислород. В близост до вълни с дължина 0,94 има области на силно поглъщане; 1.10; 1,38 и 1,87 микрона. Това поглъщане се дължи на наличието на водна пара в атмосферата, а прозрачността на атмосферата за инфрачервените лъчи е силно зависима от влажността на атмосферата.

Ориз. 5.12. Емисионен спектър на ясно небе

Абсорбиращият ефект се упражнява от въглероден диоксид (при вълни 2,7, 4, 3 и 12 20 микрона) и озон (при вълни 4,7 и 9,6 микрона), но основният абсорбиращ ефект се упражнява от водни пари, тъй като съдържанието им е много по-високо от съдържанието на газ въглероден диоксид и озон.

Измерванията показват, че атмосферата има относително добра прозрачност за инфрачервени лъчи при следните дължини на вълните: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2, 1-2, 4; 3,3-4,0; 8, 0-12,0 цт. В тези граници абсорбцията може да бъде пренебрегната, докато при междинни вълни и вълни, по-дълги от 13,0 μm, настъпва почти пълна абсорбция.

Загубата на топлина и разсейването се случват в капчиците мъгла, какъвто е случаят с милиметровите и сантиметровите радиовълни. Колкото по-голям е размерът на капката, толкова по-големи са загубите.

Пречупване на оптични и инфрачервени вълни в атмосферата.Има разлика между астрономическа рефракция - пречупване на лъчи, идващи от небесно тяло или друг източник, разположен на малка надморска височина спрямо наблюдателя, и земна рефракция - пречупване на лъчи, идващи от земни обекти.

Оптичните и близките инфрачервени вълни пречупват по-малко от радиовълните. Коефициентът на пречупване на тропосферата за инфрачервени и оптични вълни се записва в следната форма (вижте 3.1):

където е парциалното налягане на сухия въздух (Pa).

В случай на астрономическа рефракция, когато лъчът преминава през цялата дебелина на атмосферата, чийто показател на пречупване се увеличава с приближаването до повърхността на Земята, траекторията на вълната винаги е изпъкнала към зенита (положително пречупване). Както при радиовълните, явлението пречупване води до грешка при определяне на ъгъла на издигане.

Наземната рефракция може да бъде положителна или отрицателна. При условия на нормално пречупване обхватът на видимост в оптичния и инфрачервения диапазон е малко по-малък, отколкото в радиообхвата. Формула (3.5) приема следния вид:

Радиусът на кривината на траекторията на оптичната вълна е приблизително 50 000 km. В оптичния и инфрачервения обхват явлението суперфракция се наблюдава по-рядко, отколкото в радиообхвата. Феноменът мираж е свързан със свръхрефракцията.

Разпространение на радиация от оптични квантови генератори в атмосферата. Кохерентността, високата степен на монохроматичност, високата насоченост и мощността на излъчване от оптични квантови генератори (OQG) причиняват съответните характеристики на разпространението на тези лъчения в атмосферата. Ширината на спектъра на много лазери е по-малка от ширината на селективните абсорбционни линии на атмосферните газове. Следователно, за да се определи количествено поглъщането на лазерното лъчение, е необходимо да има данни за селективно поглъщане за фиксирани честоти. Получаването на такива данни е трудно поради ограничената разделителна способност на измервателното оборудване. Измерванията на селективната абсорбция в диапазона l = 0,69334 0,6694 μm, който включва рубинено лазерно лъчение, показаха, че когато дължината на вълната се промени с по-малко от 10 -4 μm, абсорбцията се променя от 0 до 80%.

Установено е, че когато в атмосферата се разпространяват пространствено ограничени лъчи, разсейването върху частиците променя разпределението на мощността по напречното сечение на радиационния лъч. Това разпределение зависи от оптичната дебелина на слоя, геометрията на лъча и свойствата на средата.

Турбулентните нееднородности в тропосферата причиняват сериозно влошаване на условията на работа на IR радиовръзките. Тяхното влияние е особено значимо върху разпространението на кохерентното лъчение. Тропосферната турбуленция нарушава стабилността на фазовия фронт на кохерентния лъч, карайки го да се разширява и отклонява и причинява колебания на амплитудата.

Флуктуациите в амплитудата на сигнала се подчиняват на нормален логаритмичен закон на разпределение. Колебанията в ъглите на пристигане на радиационен лъч се характеризират с нормален закон.

Получени са някои данни, които ни позволяват да преценим възможното разширяване на лъчите на лазерното лъчение. При измерване на разстояния от 15 и 145 km се наблюдава увеличение на дивергенцията на лъча съответно с 8" и 13".

В резултат на това не е възможно да се създадат диаграми на излъчване на инфрачервени антени с ширина по-малка от една дъгова секунда.

Интерференция в оптични и инфрачервени дължини на вълните. Нецелевият източник на радиация трябва да се разглежда като фонова радиация, която пречи на работата на оптичната или инфрачервената система. Фоновото излъчване изглежда като вреден шум, който трябва да бъде разгледан. Качествен изглед на спектралните характеристики на излъчването на ясно небе през ден 1 и нощ 2 е представен на фиг. 5.12.

Яркостта на небето зависи от атмосферното налягане и зенитния ъгъл, нарастващ към хоризонта. Облаците създават неравномерност в излъчването на небето както през деня, така и през нощта, особено при дължини на вълните, по-къси от 3 микрона. Най-сериозните смущения идват от ярките ръбове на облаците, които са примамки в инфрачервения диапазон.

Земята създава по-голям фон в инфрачервената област на спектъра, отколкото ясното безоблачно небе, отразявайки късовълновата радиация, добавяйки нейното собствено топлинно излъчване при дълги дължини на вълната. Фонът, създаден от Земята, затруднява откриването на наземни цели.

5.7. Електромагнитна безопасност

Нека разгледаме един важен въпрос, който, въпреки че не е пряко свързан с разпространението на радиовълните, придоби особено значение в наши дни. Факт е, че технологичното развитие на обществото е придружено от непрекъснато увеличаване на интензитета на електромагнитните полета от изкуствен произход, които заобикалят хората на работа и в ежедневието. В резултат на това защитата на човешкото здраве от вредното въздействие на мощни полета, които имат дългосрочен ефект върху тялото, става актуална.

Проблемът, споменат тук, попада в компетенциите на радиационната биология, която освен всичко друго се занимава с цялостно изследване на влиянието на електромагнитното поле върху живо същество. Установено е, че най-опасни за човека са йонизиращите лъчения, чиято квантова енергия е достатъчна за отстраняване на електрони от атома. Ултравиолетовото лъчение и всички други лъчения с по-къса дължина на вълната, като електромагнитните вълни в рентгеновия диапазон, имат тези свойства.

Биологичният ефект от погълнатата йонизираща радиация се изразява в специални единици - грейове (Gy). Един грей съответства на поглъщането на енергия от 1 J на ​​1 kg маса.

Най-важното средство за защита на човека е ограничаването на дозата на погълнатата радиация. Според стандартите, приети в САЩ, за лица, изложени на облъчване на работното място, максимално допустимата годишна доза е 50 mGy. Индивидуалната доза за останалата част от населението не трябва да надвишава 50 mGy за 30 години, с изключение на естествения радиационен фон.

При радиочестотите енергията на квантите (фотоните) е недостатъчна, за да йонизира атомите на материята. Падащото електромагнитно поле трансформира атомите или молекулите във възбудено състояние. След това атомите или молекулите се връщат в първоначалното си състояние, излъчвайки нови кванти със същата честота. В крайна сметка цялата енергия на радиовълните, погълната от тялото, се превръща в топлина. Това често се използва в медицината за загряване на вътрешните органи. Въпреки това, дълготрайното излагане на хора на микровълнови полета с плътност на потока на мощност от няколко mW води до болезнени явления, предимно до помътняване на очната леща. Не може да се изключи възможността за генетични промени в тялото. Следователно, когато работите със съответното оборудване, трябва стриктно да се спазват научно обосновани стандарти за облъчване на персонала с радиочестоти.

5.8. Въпроси за самопроверка

1. Посочете основните характеристики на разпространението на ултра-дълги и дълги вълни.

2. Какви са предимствата и недостатъците на радиокомуникациите на VLF и DV?

3. Какви са характеристиките на сферичния вълновод Земя-йоносфера?

4. Посочете основните характеристики на разпространението на средни вълни.

5. Как се променят условията за разпространение на SW през деня?

6. Какво е естеството на затихването на сигнала на CB?

7. Как се определя напрегнатостта на електрическото поле в диапазона CB?

8. Посочете основните характеристики на разпространението на къси вълни.

9. Въз основа на какво условие е избрана максималната приложима честота?

10. Какви фактори определят най-ниската приложима честота?

11. Какво е зона на тишина?

12. Какви са причините за затихването на HF?

13. Кое явление се нарича ефект на Кабанов?

14. В кои части на света HF комуникацията е трудна?

15. По кое време на деня можете да работите на по-високи честоти в обхвата на късите вълни?

16. Посочете основните характеристики на разпространението на ултракъси вълни в повърхностното пространство.

17. Посочете характеристиките на VHF разпространението в рамките на пряка видимост.

18. Как отраженията от неравна земна повърхност влияят върху разпространението на VHF?

19. Посочете характеристиките на разпространението на VHF над неравен терен и в градовете.

20. Какво е явлението, наречено усилване от препятствие?

21. Посочете характеристиките на разпространението на VHF в рамките на голям град.

22. Посочете особеностите на разпространението на VHF на дълги разстояния при условия на свръхрефракция.

23. Обяснете процеса на УКВ разсейване върху нееднородности в тропосферата.

24. До какво води разсейването и отразяването на метровите вълни в йоносферата?

25. Какви методи за приемане се използват за борба с VHF затихването?

26. Посочете основните характеристики на УКВ разпространението в открития космос.

27. Дайте основните характеристики на междупланетната среда.

28. Обяснете характеристиките на VHF радиовръзките Земя-космос: загуби на енергия; въртене на равнината на поляризация; затихване.

29. Посочете основните характеристики на разпространението на вълните в оптичния и инфрачервения диапазон.

30. Какви са причините за отслабването на оптичните и инфрачервените вълни в атмосферата?

31. Какви са характеристиките на пречупването на оптични и инфрачервени вълни?

32. Какво е влиянието на атмосферата върху разпространението на радиация от оптични квантови генератори?

33. Какъв е източникът на смущения в оптичния и инфрачервения диапазон на дължината на вълната?

34. Какъв е проблемът с електромагнитната безопасност?

ЛИТЕРАТУРА

1. Яманов Д.Н. Основи на електродинамиката и разпространението на радиовълните. Част 1. Основи на електродинамиката: Текстове на лекции. - М: MSTU GA, 2002. - 80 с.

2. Яманов Д.Н. Основи на електродинамиката и разпространението на радиовълните. Част 2. Основи на електродинамиката. Текстове на лекции - М: MSTU GA, 2005. - 100 с.

3. Баскаков С.И. Електродинамика и разпространение на радиовълни: Учебник. наръчник за университети. – М: По-високо. училище, 1992. – 416 с.

4. Николски В.В., Николская Т.Н. Електродинамика и разпространение на радиовълни: Учебник. наръчник за университети. – М: Наука., 1989. – 544 с.

5. Марков G.T., Петров B.M., Grudinskaya G.P. Електродинамика и разпространение на радиовълни: Учебник. наръчник за университети. – М: Сов. радио, 1979. – 376 с.

6. Grudinskaya G.P. Разпространение на радиовълни: Учебник. наръчник за университети. – М: По-високо. училище, 1975. – 280 с.

7. Ръководство по теоретични основи на радиоелектрониката: Том 1./Изд. Б.Х. Кривицки, В.Н. Дюлина. – М: 1977. – 504 с.

ВЪВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………….. 3

1. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ В СВОБОДНОТО ПРОСТРАНСТВО ...4

1.1. Формулата за идеално радиопредаване………………………………………. 7

1.2. Област от пространството, която е от съществено значение за разпространението на радиовълни. Метод на зоната на Френел…………………………………………………………. .10

1.3. Въпроси за самопроверка………………………………………………………………….. 12

2. ВЛИЯНИЕ НА ЗЕМНАТА ПОВЪРХНОСТ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ……………………………………………………………………..13

2.1. Поглъщане на радиовълни от различни видове земна повърхност……….13

2.2. Отражение на плоски радиовълни на границата между въздуха и гладката повърхност на Земята…………………………………………………………….17

2.3. Отражение на радиовълни от грапава повърхност…………………….19

2.4. Класификация на случаите на разпространение на земни радиовълни……………22

2.5. Поле на излъчвателя, издигнато над плоската земна повърхност…………22

2.6. Поле на излъчвател, разположен близо до плоска земя

повърхности…………………………………………………………………..25

2.7. Дифракция на радиовълни около сферичната земна повърхност……….. 28

2.8 Въпроси за самопроверка …………………………………………………… 29

3. ТРОПОСФЕРАТА И НЕЙНОТО ВЛИЯНИЕ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ..30

3.1. Състав и структура на тропосферата ……………………………………………….. 30

3.2. Диелектрична константа и индекс

пречупване на тропосферата ……………………………………………………... 31

3.3. Пречупване на радиовълни в тропосферата ………………………………………………………….. 33

3.4. Поглъщане на радиовълни в тропосферата …………………………………………………………... 37

3.5. Въпроси за самопроверка …………………………………………………… 39

4. ЙОНОСФЕРАТА И НЕЙНОТО ВЛИЯНИЕ ВЪРХУ РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ ...39

4.1. Йонизация и рекомбинация на газ в йоносферата ……………………………….. 39

4.2. Структура на йоносферата………………………………………………………….. 41

4.3. Диелектрична константа и проводимост на йонизирани

газ (плазма)………………………………………………………………….. 44

4.4. Скорост на разпространение на радиовълни в йонизиран газ (плазма) ...46

4.5. Поглъщане на радиовълни в йонизиран газ……………………………...47

4.6. Пречупване и отражение на радиовълни в йоносферата…………………………. 49

4.7. Влиянието на постоянното магнитно поле върху електричеството

параметри на йонизиран газ……………………………………………… 50

4.8 Въпроси за самопроверка …………………………………………………… 52

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ В РАЗЛИЧНИ ДИАПАЗОНИ ………………………………………………………………………………….. 53

5.1. Характеристики на разпространението на свръхдълги и дълги вълни…………. 53

5.2. Характеристики на разпространението на средни вълни…………………………….. 57

5.3. Характеристики на разпространението на къси вълни……………………………58

5.4. Характеристики на разпространението на ултракъси вълни в повърхностното пространство…………………………………………………………………………………… 62

5.5. Характеристики на разпространението на ултракъси вълни в космическото пространство…………………………………………………………………… 71

5.6. Характеристики на разпространение на вълни в оптичния и инфрачервения диапазон……………………………………………………………………………………... 77

5.7. Електромагнитна безопасност…………………………………………………………... 83

5.8. Въпроси за самопроверка…………………………………………………………………... 84

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

UDC 537.874

ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ НА ЗАТУХВАНЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ ОТ СТРОИТЕЛНИ И ЕКРАНИРАЩИ КОНСТРУКЦИИ
МАТЕРИАЛИ В ЧЕСТОТНИЯ ОБХВАТ 800 MHz – 17 GHz

А. Н. Катруша

Военно-учебен научен център на ВВС „Военновъздушна академия им. Професор Н.Е. Жуковски и Ю.А. Гагарин"

Анотация.Експериментално са получени коефициентите на предаване на радиовълните за различни материали в широк честотен диапазон; разглеждат се типични пътища за разпространение на радиовълни при организиране на екранирането на отвора на прозореца на сградата; Извършен е физически анализ на получените резултати.

Ключови думи:разпространение на радиовълни, експериментални изследвания, електромагнитно екраниране.

Резюме.Експериментално са получени коефициенти на преминаване на радиовълни за различни материали в широк диапазон от честоти; типичните линии на разпространение на радиовълните се вземат предвид при организирането на екраниране на отвора на прозореца на сградата; нафизически се извършва анализ на получените резултати.

Ключови думи:разпространение на радиовълни, експериментални изследвания, e електромагнитно екраниране.

Въведение.

Оценката на нивото на сигнала по време на разпространението на радиовълни в градските райони е необходима при решаването на такива важни проблеми като планиране и организиране на мобилни радиомрежи (включително свръхшироколентови), безжични компютърни мрежи, както и формирането на смущения с цел предотвратяване на информация изтичане по радиоканала. Освен това понастоящем представлява интерес да се изследва затихването на ултракъсите електромагнитни импулси от различни препятствия по време на тяхното разрушително въздействие върху радиоелектронното оборудване, разположено вътре в сградата.

Данни за затихването на радиовълните, когато те преминават вътре в сграда, могат да бъдат намерени например в справочната литература, но те са дадени или в обобщен вид за редица честоти на извадката, или като осреднени стойности за много широка честота диапазони (например в стойността на затихване при преминаване на радиовълни вътре в сградата, осреднена за честотния диапазон 500 MHz - 3 GHz). Очевидно е, че за адекватна оценка на нивата на затихване на ултрашироколентовите сигнали и ултракъсите импулси е необходима по-подробна информация за коефициентите на затихване на радиовълните от различни препятствия в честотната лента на сигнала (импулса), достигаща няколко гигахерца.

Избраният за изследване честотен обхват е 800 MHz – 17 GHz, покриващ работните обхвати на съвременни мобилни радиомрежи, безжично предаване на данни, ултрашироколентови комуникационни системи, както и най-актуалните честотни диапазони на ултракъси електромагнитни импулси.

Резултати от експериментални изследвания.

Нека разгледаме каноничния проблем за преминаването на радиовълни в сграда с нормално падане на вълната върху предната стена на сградата. Очевидно най-малкото затихване се очаква, когато радиовълните се разпространяват през отвор на прозорец. В тази връзка проблемът с екранирането на помещенията се решава чрез използване на завеси за прозорци, изработени от екраниращи материали.

Трябва да се отбележи, че за екраниращите материали са известни само коефициентите на предаване на вълната, получени в лабораторни условия. Следователно е от интерес да се проучат характеристиките на екраниращите материали по пътищата на разпространение като част от препятствието „прозорец + екраниращ материал“, както и влиянието на дифракционните компоненти върху екраниращите параметри.

Експерименталната установка за измерване на коефициентите на предаване на радиовълни през препятствия се състои от предавател, приемник и две противонасочени рупорни антени P6-23M. Като предавател е използван сигнален генератор Rhode & Swarz SMF 43, приемникът беше спектрален анализатор Rhode & Swarz FSU 26.

Преминаване на радиовълни през стъклопакет.

Експериментални изследвания на предаването на радиовълни през прозорец бяха проведени с помощта на стандартен прозорец с двоен стъклопакет (три листа стъкло) като част от пластмасов прозорец. Предавателната и приемната антени бяха разположени една срещу друга на разстояние 1,5 m от прозореца (фиг. 1).

Фиг. 1. Схема за измерване на коефициента на предаване през прозорец с двоен стъклопакет

Беше измерено нивото на мощност на сигнала на входа на спектралния анализатор в присъствието на прозорец с двоен стъклопакет, където- честота на сигнала. След това се отваря крилото на прозореца и се измерва нивото на сигнала при липса на препятствие между антените (в свободно пространство). Коефициентът на предаване на радиовълни през прозорец с двоен стъклопакет спрямо свободното пространство се изчислява по формулата

Честотна зависимост , получена на базата на измерванията, е представена на фиг. 2.

Фиг.2. Честотна зависимост на коефициента на предаване на радиовълни през прозорец с двоен стъклопакет

Анализът на фигурата показва, че коефициентът на предаване през прозорец с двоен стъклопакет зависи значително от честотата. При честоти 800 MHz - 3 GHz се наблюдава осцилиращ характер на коефициента на предаване, но средното ниво е 0 dB. Вероятно тези трептения са причинени от отразяването на радиовълни от металните компоненти на структурата на прозореца (при честоти от 1-2 GHz диаграмата на излъчване на антената P6-23M е доста широка, така че отразените вълни могат да имат значителен принос към получения сигнал). В диапазона 3 - 5,8 GHz затихването на радиовълните е незначително (до -4 dB). При честоти 5.8 - 13 GHz се наблюдава значително затихване на сигнала до -20 dB. В диапазона 13 – 16 GHz коефициентът на предаване не надвишава -2 dB. Над 16 GHz отново има увеличение на затихването. Този характер на честотната зависимост на коефициента на предаване се обяснява с зависимостта на диелектричната проницаемост на стъклото от честотата (и следователно честотната зависимост на коефициента на отражение на радиовълните от стъкло).

За да се идентифицира качествено тази зависимост, бяха извършени допълнителни измервания. Първо, нивото на сигнала беше измерено, когато радиовълните преминаха през прозорец с двоен стъклопакет . След това допълнително стъкло беше поставено успоредно на стъклопакета на определено разстояниед (фиг. 3) и се измерва нивото на сигнала . Коефициентът на предаване през допълнително стъкло като част от препятствието „стъклопакет + стъкло“ се изчислява по формулата

Ориз. 3 Схема за измерване на коефициента на предаване на радиовълни през прозорец с двоен стъклопакет и допълнително стъкло

Очевидно коефициентът на преминаване на препятствието „двоен стъклопакет + допълнително стъкло“ спрямо свободното пространство може да се изчисли като, но за да оцените затихването, въведено от допълнително стъкло, разгледайте зависимостта .

На фиг. 4 са показани честотните зависимости на коефициента на предаване на радиовълните на разстоянието между стъклопакета и допълнителното стъклод =30 см и 40 см, както и при обръщане на допълнително стъкло в хоризонтална равнина под ъгъл 45 0 .

Ориз. 4. Честотни зависимости на коефициента на пропускане на радиовълни през допълнително стъкло

От анализа на фиг. 4 можем да направим следните изводи. В диапазона 3–13 GHz се наблюдават значителни периодични колебания на коефициента на предаване, достигащи диапазон от 20 dB. Този резонансен характер на коефициента на предаване се обяснява с многобройни преотражения между прозореца с двоен стъклопакет и допълнителното стъкло. Освен това с увеличаване на разстояниетод от 30 cm до 40 cm, честотата на трептенията се увеличава, тъй като разликата в пътя между различните лъчи, пристигащи в приемащата точка, се увеличава. При завъртане на допълнителното стъкло на 45 0 периодичните трептения спират, но при някои честоти се наблюдават дълбоки спадове в коефициента на предаване.

Така в честотните диапазони 800 MHz - 3 GHz и 13 GHz - 17 GHz диелектричната константа на стъклото е близка до диелектричната константа на въздуха, в честотния диапазон 3 GHz - 13 GHz диелектричната константа на стъклото се различава от диелектрична константа на въздуха, като тази разлика е най-значима в диапазона 6,5 GHz – 12 GHz.

Преминаване на радиовълни през екраниращи материали.

Задачата за екраниране на електромагнитни вълни е от значение както при организирането на електромагнитната съвместимост, така и при защитата на радиоелектронното оборудване от мощни електромагнитни импулси. Като екраниращи материали често се използват различни метализирани тъкани, например полиестерна тъкан METACRON, покрита с никел.

На фиг. 5 са показани честотните зависимости на коефициента на предаване тъкани METACRON 1P4-N3 с дебелина 3 микрона и 1P16-N5 с дебелина 5 микрона. Измерванията бяха извършени в стая с размери 4 m × 8 m × 2,5 m, размерът на екраниращия материал беше 2,5 m × 4 m (екранът напълно покриваше напречното сечение на помещението). Разстоянието между антените беше 1 m (фиг. 5а) и 6 m (фиг. 5b).

Анализ на фиг. 5 показва, че когато радиовълните преминават през по-тънката тъкан 1P4-N3, преминаващата вълна преобладава, затихването е средно -30 dB в почти целия изследван честотен диапазон. Но при честоти под 3 GHz нивото на дифракционните вълни става сравнимо с нивото на проходната вълна и се появяват интерферентни колебания на коефициента на предаване, достигащи 20 dB. Когато се използва тъкан 1P16-N5 като екран, дифракцията и отразените в помещението вълни преобладават в целия честотен диапазон, като колебанията на коефициента на предаване достигат 30 dB.

Ориз. 5. Честотни зависимости на коефициента на пропускане на радиовълни през метализирани тъкани

Увеличаването на разстоянието между антените води до увеличаване на нивата на дифракционните компоненти (фиг. 5b), това е особено забележимо за тъканта 1P16-N5 (коефициентът на предаване се увеличава средно с 20 dB). В същото време при честоти под 3 GHz практически няма разлики между коефициентите на предаване на тъканите 1P4-N3 и 1P16-N5 (фиг. 5b) поради доминирането на дифракционните компоненти.

Трябва да се отбележи, че получените стойности на коефициентите на предаване се различават значително от резултатите от лабораторните тестове, тъй като в точката на приемане те вземат предвид не само преминаващия, но и дифракционния компонент на радиовълните, което в много практически важно случаите могат да имат значителен принос към генерираното поле.

За решаване на проблемите с електромагнитното екраниране на практика могат да се използват радиоотразителни бои. На фиг. Фигура 6 показва измерените честотни зависимости на коефициентите на предаване на радиовълните през лист шперплат с размери 1 m × 1 m, покрит с графитна боя.

Ориз. 6. Честотни зависимости на коефициента на предаване на радиовълни през лист шперплат, покрит с графитна боя и метален лист

Разстоянието между антените беше 1 м. За сравнение на фигурата е показана и честотната зависимост на коефициента на предаване през плътен метален лист със същия размер.

Затихването, въведено от екрана с графитено покритие, е средно -20 dB в почти целия честотен диапазон. В този случай доминира проходната вълна. Както е известно, когато радиовълните преминават през метален лист, дифракционните компоненти преобладават (проходният компонент практически липсва). От сравнението на двете зависимости става ясно, че дифракционният компонент при преминаване през лист шперплат, покрит с графитна боя, е сравним с проходния компонент при честоти под 4 GHz, а при честоти от порядъка на 1 GHz започва да доминира.

Трябва да се отбележи, че на практика отворите на прозорците се затварят с екраниращи материали, така че е интересно да се оцени коефициентът на предаване на радиовълните при поставяне на екрана пред прозореца. На фиг. Фигура 7 показва диаграма за измерване на коефициента на предаване, симулираща ситуацията на екраниране на стая с отвор на прозорец. Това симулира преминаването на радиовълни от улицата в сградата през прозорец.

Ориз. 7 Схема за измерване на коефициента на предаване през екраниращ материал като част от препятствие „стъкло + екран“

Направени са измервания на силата на сигналаИ при липса и съответно наличие на екраниращ материал. Изчисляването на коефициента на предаване на екраниращия материал като част от препятствието „стъклопакет + екраниращ материал“ се извършва по формулата

Честотна зависимост на коефициента на предаване лист шперплат, покрит с графитна боя по отношение на прозорец с двоен стъклопакет, е показан на фиг. 8, с разстояние между екрана и стъклопакета= 14 см и = 30 см. Разстоянието между антените беше 3 м.

Ориз. 8. Честотни зависимости на коефициента на пропускане през екран с графитено покритие, разположен пред прозореца

Анализ на фиг. 8 показва, че коефициентът на предаване е осцилиращ по природа, но в честотния диапазон 800 MHz - 3 GHz, колебанията са причинени от интерференцията на компонентите на дифракционното поле, а в диапазона 3 GHz - 14 GHz от интерференцията на преминаващи вълни многократно отразени между стъклото и екраниращия материал. Това заключение е обосновано чрез сравняване на зависимостите при различни разстояния на екрана от стъклопакета. И ако в диапазона 3-14 GHz с намаляване на разстоянието от 30 до 14 cm честотата на трептенията намалява 2 пъти (което се дължи на намаляване на разликата в пътя между отразените вълни в стъклопакета - резонатор на екрана), след това в честотния диапазон 800 MHz - 3 GHz зависимостите практически не се различават.

От сравнение на зависимостите, представени на фиг. 7 и 8, можем да направим следното заключение: затихването, въведено от екрана, зависи значително от условията на разпространение на радиовълните и поради множество отражения между прозореца с двоен стъклопакет и екрана може да се различава значително (с 10 dB или повече) от затихването, въведено от един екран, поставен в свободно пространство.

Като екраниращ материал, в допълнение към специално произведените метализирани тъкани и радиоотразителни покрития, може да се използва обикновено слънцезащитно фолио. Очевидно наличието на метализация прави слънцезащитния филм радиоотражателен, така че представлява интерес да се измери коефициентът на предаване на радиовълните през филма в изследвания честотен диапазон.

На фиг. 9 показва честотните зависимости на коефициента на предаване на радиовълните през слънчев контролен филм със средна плътност (един и два слоя) с размери 0, 5 m × 1 m. Разстоянието между антените беше 1 m.

Ориз. 9. Честотни зависимости на коефициента на пропускане през соларния контролен филм

От анализа на фиг. 9 показва, че коефициентът на предаване през един слой филм е средно -40 dB. Трябва да се отбележи, че екраниращите свойства на конвенционалното слънцезащитно фолио са средно с 10 dB по-високи от екраниращите свойства на тъканта METACRON 1P4-N3 (фиг. 5). По този начин филмът за слънчев контрол може да се използва като екраниращ материал. В този случай филмът може да бъде залепен върху прозоречно стъкло и да се използва като завеса на известно разстояние от прозореца.

На фиг. 10 са показани честотните зависимости на коефициента на предаване един слой слънцезащитен филм, разположен пред прозореца на разстояние 40 см. Разстоянието между антените беше 3 м.

Ориз. 10. Честотна зависимост на коефициента на предаване на радиовълни през соларен контролен филм, разположен пред прозореца

Анализ на зависимостите, представени на фиг. 10 показва, че честотната зависимост на коефициента на предаване е много назъбена. При честоти от 3 GHz - 14 GHz, интерферентните трептения се причиняват от резонансни отражения на радиовълни между стъклопакета и филма, като получената зависимост е качествено различна от подобна зависимост на коефициента на предаване, показана на фиг. 8 (вместо периодични колебания се наблюдават хаотични промени в коефициента на предаване). Това се обяснява с неравната (вълнообразна) повърхност на филма, използван в експериментите; в резултат на това коефициентът на отражение от филма зависи значително от честотата.

Преминаване на радиовълни през стена.

Трябва да се отбележи, че когато радиовълните преминават в сградата, затихването, въведено от стената, може да бъде значително по-малко от затихването на екранирания отвор на прозореца.

Статията представя резултатите от експериментални изследвания на затихването на радиовълни от твърди стени с различна дебелина. В днешно време обаче външните стени на сградите често имат слоеста структура, например „1-ви слой тухли - изолация - 2-ри слой тухли“.

На фиг. 11 показва резултатите от измерването на коефициента на предаване през стена, състояща се от два слоя тухлена зидария с дебелина 12 cm и 9 cm и въздушно пространство между тях от 15 cm (плътна линия на фигурата). Трябва да се отбележи, че по време на експериментите е използван модел на суха стена, направен под формата на вътрешна преграда на сградата. За сравнение, на фиг. 11 също показва средните стойности на коефициента на предаване през солидна вътрешна тухлена стена, получени в работата и преизчислени за дебелина на тухлена зидария от 21 cm (пунктирана линия).

Ориз. 11. Коефициент на пропускане на радиовълни през стената

Анализ на фиг. 11 показва, че честотната зависимост на коефициента на предаване има осцилиращ характер, което се дължи на множество трансформации между два слоя тухлена зидария. В същото време при честоти над 10 GHz средното ниво на коефициента на предаване остава почти непроменено и дори леко се увеличава. При същата обща дебелина на тухлената зидария, двуслойната стена въвежда по-голямо затихване в сравнение с еднослойната, което се обяснява с допълнителни загуби на отражение от интерфейсите въздух-тухла и тухла-въздух, когато вълна преминава през втория слой на стената.

Изводи.

Бяха проведени експериментални изследвания на затихването на радиовълните, когато те преминават през стена с отвор на прозорец. Експериментално е доказано, че при честоти от 3-12 GHz затихването на радиовълните от прозорец с двоен стъклопакет е много значително поради значителното отражение на радиовълните от стъкления слой. При използване на екраниращи материали няма достатъчно данни за коефициентите на предаване на вълната, получени в лабораторни условия. При реални пътища на разпространение на радиовълни, заедно с компонента от край до край, е необходимо да се вземе предвид компонентът на дифракция, който може да има значителен принос към резултантното поле. При поставяне на екраниращи материали пред прозорец е необходимо да се вземат предвид многобройни отражения на радиовълни в резонатора „стъклопакет – екраниращ материал“, което води до значителни промени в екраниращите свойства на материалите.

Литература

1. Данни за разпространение и методи за прогнозиране за планиране на външни радиокомуникационни системи с малък обсег и локални радио мрежи в честотния диапазон от 300 MHz до 100 GHz . Препоръка ITU-R P.1411-6, Женева (02/2012).

2. Данни за разпространение, необходими за проектиране на системи за радиоразпръскване спътник. Препоръка ITU- Р П.679-3, (02/2001).

3. Метализирана електропроводима тъкан Metacron за радиационна защита [Електронен ресурс]: ООО НПП Техностил. URL адрес: http://www.metakron.ru

4. Радиозащитни материали [Електронен ресурс]: LLC NPP "Radiostream". URL: http://www.radiostrim.ru/ 100-екран.html.

5. А. И. Рижов, В. А. Лазарев, Т. И. Мохсени, Д. В. Никеров, Ю. В. Андреев, А. С. Дмитриев, Н. П. Чубински. Затихване на ултрашироколентови хаотични сигнали в диапазона 3-5 GHz при преминаване през стени на сгради. // Journal of Radioelectronics: електронно списание. 2012. N5. URL: http://site/jre/may12/1/text.pdf.

РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ- процесът на предаване в космоса ел-магн. радиообхват (вж Радио вълни).При естествени. условия на R. r. среща се в различни среди, например в атмосферата, космически плазма, в повърхностния слой на Земята.

Общи модели разпространение на радиовълни. R. скорост в свободно пространство във вакуум е равно на c. Общата енергия, пренесена от радиовълна, остава постоянна, а плътността на енергийния поток намалява с увеличаване на разстоянието rот източника е обратно пропорционална r 2. Р.р. в други среди протича с фазова скорост, различна от с, а в равновесна среда се придружава от усвояването на ел-магн. енергия. И двата ефекта се обясняват с възбуждането на вибрациите на електроните и йоните на средата под въздействието на електричество. вълнови полета. Ако силата на полето д хармоничен вълна е малка в сравнение с напрегнатостта на полето, действаща върху зарядите в самата среда (например върху електрон в атом), тогава трептенията също се появяват хармонично. закон с честота w на пристигащата вълна. Осцилиращите електрони излъчват вторични радиовълни със същата честота, но с различни амплитуди и фази. В резултат на добавянето на вторични вълни с входящата, се образува резултантна вълна с нова амплитуда и фаза. Фазовото изместване между първичната и повторно излъчената вълна води до промяна във фазовата скорост. Причината са загубите на енергия при взаимодействието на вълна с атоми абсорбция на радиовълни.

Амплитудата на вълната намалява с разстоянието по закона, а фазата на вълната се променя по закона y = w T- (w/s) бр, Където х- скорост на усвояване, н - индекс на пречупване; нИ хзависи от диелектрична константа e на средата, нейната проводимост s и честота на вълната w:

където. тангенс на загубите. Фазова скорост u =с/ н, коеф абсорбция Околната среда се държи като диелектрик, ако и като проводник, ако В първия случай във втория - и вълната отслабва на разстояния - дебелината на кожния слой (вж. Ефект на кожата). В средата ec s са честотни функции (вж. дисперсия на вълната). Видът на честотната зависимост на e и s се определя от структурата на средата. Дисперсията на радиовълните е особено значима в случаите, когато честотата на вълната е близка до нейните характерни свойства. честоти на средата (например по време на R. r. в йоносферната и космическата плазма, виж по-долу).

Когато R. r. в среди, които не съдържат свободни електрони (тропосферата, дебелината на Земята), има изместване на свързаните електрони в атомите и молекулите на средата в посока, обратна на вълновото поле д , при което н > 1, uЕ< с. В плазмата вълновото поле предизвиква изместване на свободните електрони в посоката д , при което н < 1 и uФ > с, т.е. монохроматична фазова скорост. вълните могат да бъдат по-малки или по-големи с. Въпреки това, за да се предава с помощта на радиовълни до-l. информация (енергия), е необходимо да има ограничен във времето радиосигнал, който е определен набор от хармонични. вълни Спектралния състав на сигнала зависи от неговата продължителност и форма. Радиосигналът се разпространява с групова скорост uгр. Във всяка среда uгр< с.

В хомогенни среди радиовълните се разпространяват по права линия, подобно на светлинните лъчи. Р. процес в този случай спазва законите геометрична оптика. Реалните среди обаче са разнородни. В тях П, и следователно u F са различни в различните части на околната среда, което води до пречупване на радиовълни. В случай на гладки (в мащаб l) нехомогенности е валидно приближението на geom. оптика. Ако индексът на пречупване зависи само от височината ч, измерено от сферичната повърхност на Земята, тогава условието е изпълнено по траекторията на лъча

Връзка (2) е Закон на Снелрефракция за сферично слоеста среда. Тук Р 0 е радиусът на Земята, f е ъгълът на наклона на лъча спрямо вертикалата в произволна точка от траекторията. Ако вместо валидно. индекс на пречупване ha въведете намаления индекс на пречупване

тогава законът за пречупване (2) ще приеме формата

Отношението (4) се нарича Закон на пречупване на Снел за плоскослоеста среда.

Ако ннамалява с увеличаване ч, тогава в резултат на пречупване лъчът, докато се разпространява, се отклонява от вертикалата и на определена височина ч мстава успореден на хоризонталната равнина и след това се разпространява надолу (фиг. 1, а). Макс. височина ч м, чрез който лъчът може да проникне в нехомогенна плоскослоеста среда, зависи от ъгъла на падане f 0 и се определя от условието

Ориз. 1. А- пречупване на радиовълни в плоскослоеста среда с градиент n< 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты ч.

Към региона ч > ч млъчите не проникват и, според геометричното приближение. оптика вълновото поле в тази област трябва да е равно на 0. Всъщност близо до равнината ч = ч мвълновото поле се увеличава, а когато ч > ч мнамалява експоненциално (фиг. 1, б). Нарушаване на гео законите. оптика при R. r. също свързани с вълнова дифракция, в резултат на среза радиовълните могат да проникнат в геометричната област. сенки. На границата на геом. В сянката се образува сложно разпределение на вълнови полета. радиовълните възникват, когато има препятствия по пътя им (непрозрачни или полупрозрачни тела) и е особено важно в случаите, когато размерът на препятствията е сравним с l.

Ако R. r. възниква близо до рязка граница (по скала l) между две среди с различни. електрически свойства (например атмосферата - повърхността на Земята или тропосферата - долната граница на йоносферата за достатъчно дълги вълни), тогава при падане на радиовълни върху рязка граница се образуват отразени и пречупени (предадени) радиовълни. Ако възникне отражение от границата на проводяща среда (например от повърхностния слой на Земята), тогава дълбочината на проникване в нея се определя от дебелината на слоя на кожата.

В разнородни среди е възможно направлявано разпространение на вълни, с което енергийният поток се локализира между дефинираните. повърхности, поради което вълновите полета между тях намаляват с разстоянието по-бавно, отколкото в хомогенна среда (атм. вълновод). В среди с гладки нееднородности локализацията е свързана с пречупване, а при остри граници - с отражение.

В среда, съдържаща произволни локални нехомогенности, вторичните вълни се излъчват произволно в различни посоки. посоки. Разсеяните вълни частично отнемат енергията на първоначалната вълна, което води до нейното отслабване. При разпръскване върху нееднородности на размера л l (така нареченото разсейване на Rayleigh; вижте Разсейване на светлината) разсеяните вълни се разпространяват почти изотропно. В случай на разсейване от едромащабни прозрачни нехомогенности, разсеяните вълни се разпространяват в посоки, близки до оригиналната вълна. когато аз! лвъзниква силно резонансно разсейване.

Влиянието на земната повърхност върху разпространението на радиовълните се определя като електрическо. параметри e и s на почвите и водните пространства, които образуват земната кора, и структурата на земната повърхност, т.е. нейната кривина и разнородност. R. r. е процес, който обхваща голяма площ от пространството, но най-много. същества роля в Р. р. играе област, ограничена от повърхност във формата на елипсоид на въртене, в чиито фокуси АИ бна разстояние rпредавателят и приемникът са разположени (радиопът, фиг. 2). Голямата ос на елипсоида е равна на малката ос, определена от размерите на първата Зона на Френели Ширината на пътя намалява с намаляване на l. Ако височините z 1 и z 2, на който антените на предавателя и приемника са разположени над повърхността на Земята, са големи в сравнение с l, тогава елипсоидът не докосва повърхността на Земята и не влияе на R.R. (фиг. 2, а). Когато двете или една от крайните точки на радиотрасета намалят (или дължината на вълната се увеличи), земната повърхност пресича елипсоида. В случая на р.р. имат електрическо влияние. параметри на площта на земната повърхност, ограничена от елипса на напречното сечение, удължена по маршрута. Ако условията се поддържат в точката на приемане, това се случва между директните и отразените вълни (вж. Вълнова интерференция).Амплитудата и фазата на отразената вълна се определят като се вземат предвид Формули на Френелза коеф отражения. Интерферентните максимуми и минимуми определят лобовата структура на полето, която е характерна за декаметровите и по-късите радиовълни. Ако z 1/л< 1 и z 2/л< 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+ l(p/4) и

Ориз. 2. Елипсовидна област от пространството, необходима за разпространението на радиовълни (радиопът); А- излъчвател; IN- приемник.

Намаляване на силата на полето и следователно на потока от енергия, пренасян от радиовълна по повърхността на Земята ( земна вълна), се дължи на повърхностната проводимост в тази област. На П.п. По проводящата повърхност се появява поток от енергия, насочен към проводящата среда и бързо затихващ, докато се разпространява през нея. Дълбочината на проникване на радиовълните в земната кора се определя от дебелината на кожния слой и следователно се увеличава с увеличаване на дължината на вълната. Поради това дългите и свръхдългите радиовълни се използват за подземни и подводни радиокомуникации.

Ориз. 3. Обсег на видимост rограничен от изпъкналостта на земната повърхност; Р 0 - радиус на Земята, z 1, и z 2, - височини на предаване и приемане INантени съответно.

Изпъкналостта на земната повърхност ограничава разстоянието от приемащата точка INпредавателят се вижда А(зона на линията на видимост, фиг. 3). Въпреки това, радиовълните, огъващи се около Земята в резултат на дифракция, могат да проникнат в сянката на по-голямо разстояние ( Р 0 - радиус на Земята). На практика само километрични и по-дълги вълни могат да проникнат в тази област поради дифракция (фиг. 4).

Ориз. 4. Графика, илюстрираща връзката на обхвата rразпространение от стойността W = 20lg|E/E * | , Където д- силата на полето на радиовълната при реални условия на разпространение, като се вземе предвид кривата около изпъкналостта на земната повърхност (излъчвателят е разположен на повърхността на земята); E * - силата на полето за различни честоти, без да се отчита дифракцията.

Фазовата скорост на земните вълни в близост до излъчвателя зависи от електрическата мощност. Имоти. Въпреки това, на разстояние от няколко. l от излъчвателя u f! с. Ако радиовълните се разпространяват върху електрически нееднородна повърхност, напр. първо над сушата и след това над морето, след това, когато бреговата линия не е пресечена, амплитудата и посоката на реката се променят рязко. (брегова рефракция, фиг. 5).

Ориз. 5. Промяна в силата на електрическото поле на вълна при пресичане на бреговата линия.

Влиянието на релефа на земната повърхност върху реката река. зависи от височината на неравностите ч, тяхната хоризонтална дължина л, l и ъгъл q на падане на вълната върху повърхността. Ако неравностите са достатъчно малки и нежни, че х cosq< < 1 (к- вълново число), и т.нар Критерий на Релей к 2 л 2 cosq< 1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с ч> l „смущават“ вълновото поле, образувайки сенчести области. Дифракцията на радиовълни от планински хребети понякога води до усилване на директни и отразени вълни. Върхът на планината служи като естествен повторител. Това е важно, когато метровите радиовълни се разпространяват в планински райони (фиг. 6).

Разпространение на радиовълните в тропосферата. Тропосферата е област от атмосферата, разположена между земната повърхност и тропопаузата, в която температурата на въздуха обикновено намалява с височина (в тропопаузата температурата се повишава с височина). Височина на тропаузата при глобуснеравен, над екватора е по-голям, отколкото над полюсите, а в средните ширини, където има система от силни западни ветрове, променя се рязко. Тропосферата се състои от смес от неутрални молекули и атоми на газове, които изграждат сух въздух и водна пара. Диелектричната константа и следователно индексът на пречупване на газ, който не съдържа свободни електрони и йони, се причинява от допълнителни полета, създадени от изместването на електрони в молекулите (сух въздух) и ориентацията на полярните молекули (водна пара) под влияние на електричеството. вълнови полета.

Индекс на пречупване на тропосферата

Където стр- сухо въздушно налягане, д- налягане на водните пари в милибари, T- темп. Коефициентът на пречупване не зависи от честотата и се различава много малко от единица. Така на повърхността на Земята с увеличаване на надморската височина параметрите се променят r, t, e, които определят стойността на показателите на пречупване. При нормални метеорологични условия. условия индексът на пречупване намалява с височина:

Това води до изкривяване на пътя на лъча. За да се оцени правилно положението на лъча спрямо повърхността на Земята, е необходимо да се вземе предвид сферичността на повърхността му, което може да стане чрез въвеждане на дадения индекс на пречупване (3):

различно от град нне само корема. по величина, но и по знак. При условия на нормална тропосферна рефракция град н pr > 0. В този случай лъчът, излизащ от излъчвателя, повдигнат над земята под ъгъл спрямо вертикалата, се приближава към него, докато се разпространява. Когато лъчите се разпространяват в посока на намаляване на стойностите ни т.н. В този случай, в зависимост от стойностите на f 0, лъчът може да достигне повърхността на Земята и да се отрази от нея, да достигне повратната точка, определена от условие (5), и при определена стойност на ъгъла f 0 повратната точка може да лежи на повърхността на Земята. В този случай траекторията на лъча е границата между зоната, в която лъчите могат да влязат, и зоната на сянка. Нормалната тропосферна рефракция увеличава зоната на видимост.

Метеорологични състояния на съществата. влияят върху промяната в индекса на пречупване, т.е. пречупването на радиовълните. Обикновено в тропосферата налягането и температурата на въздуха намаляват с надморската височина, а налягането на водните пари се увеличава. При определени метеорологични условия. условия, напр. когато въздухът, загрят над сушата, се движи над по-студената повърхност на морето, температурата на въздуха се повишава с височината, а налягането на водните пари намалява (инверсия на температурата и влажността). В този случай индексът на пречупване не се променя монотонно с височина, т.е. дни т.н /dhна определена височина знакът може да се промени. Ако в интервала на височина, определен от дебелината на инверсионния слой, град нн.п.<0. В плоскослоистой среде с grad ни т.н< О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой дни т.н /dhпроменя знака, възникват условия за вълноводно разпространение (фиг. 7). В тропосферните вълноводи, като правило, вълни с l< 1 м.

Ориз. 7. VHF траектории в тропосферен вълновод.

Поглъщането на радиовълни в тропосферата е незначително за всички радиовълни до сантиметровия диапазон. Поглъщането на сантиметрови и по-къси вълни се увеличава рязко, когато честотата на вълната w съвпада с една от собствените честоти. вибрационни честоти на въздушните молекули (резонансна абсорбция). Молекулите получават енергия от входящата вълна, която се превръща в топлина и само частично се прехвърля на вторични вълни. Известни са редица резонансни абсорбционни линии в тропосферата: l = 1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (абсорбция във водна пара) и l = 0,5 cm, 0,25 cm (абсорбция в кислород). Между резонансните линии лежат области с по-слабо поглъщане (прозорци на прозрачност).

Затихването на радиовълните може да бъде причинено и от разсейване от нехомогенности, които възникват по време на турбулентното движение на въздушните маси (виж. Турбуленция).Разсейването се увеличава рязко, когато във въздуха има капковидни нееднородности под формата на дъжд, сняг и мъгла. Почти изотропното Релеево разсейване върху дребномащабни нехомогенности прави радиокомуникацията възможна на разстояния, значително по-големи от линията на видимост (фиг. 8). По този начин тропосферата значително влияе върху разпространението на VHF. За декаметровите и по-дълги вълни тропосферата е почти прозрачна и тяхното разпространение се влияе от земната повърхност и по-високите слоеве на атмосферата.

Ориз. 8. Разсейване на радиовълни от дребномащабни нееднородности.

Разпространение на радиовълни в йоносферата. На върха се образува йоносферата. слоеве на земната атмосфера, в които газовете са частично (до 1%) йонизирани под въздействието на UV и рентгенови лъчи. и корпускулярна слънчева радиация. Йоносферата е електрически неутрална, съдържа равен брой положителни. и отричам. частици, т.е. това е плазма. Достатъчно голяма йонизация, която засяга реката, започва на височина 60 km (слой д), нараства до височина 300-400 km, образувайки слоеве Е.Ф 1 , Е 2 и след това бавно намалява. В гл. максимална концентрация на електрони ндостига 10 6 cm -3. Пристрастяване нот промени във височината с времето на деня, годината, слънчевата активност, както и с географската ширина и дължина. Йонизиран слоят между 200 и 400 km се състои главно от равен брой O + йони и електрони. Тези частици са потопени в неутрален газ с концентрация 10 8 cm -3, състоящ се главно. от частици O 2, O, N 2 и He.

В многокомпонентна плазма, съдържаща електрони, йони и неутрални молекули и пропита с магнетизъм. Земното поле (виж земен магнетизъм), могат да възникнат различни разлики. видове имоти вибрации с различни честоти. Например плазмени (Langmuir) честоти на електрони и жиромагнитни йони. честоти на електрони и йони, където m, М- маси на електрони и йони, д- тяхната такса, н- концентрация, H 0- магнитно напрежение полета на Земята. Защото тогава. Например за електрони = 1,4 MHz, а за атомни кислородни йони = 54 Hz.

В зависимост от честотата w на радиовълната, осн. роля в Р. р. играят определени видове имоти. вибрации, следователно електрически. Свойствата на йоносферата са различни за различните части на радиообхвата. При високо w йоните нямат време да следват промените на полето в R.R. Участват само електрони. Принудените трептения на свободните електрони на йоносферата протичат в противофаза с действащата сила и предизвикват поляризация на плазмата в посока, обратна на електрическата. вълново поле Е. Следователно диелектрикът. йоносферна пропускливост e< 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Отчитането на сблъсъците на електрони с атоми и йони дава по-точни формули за йоносферата e и s:

Тук v е eff. честота на сблъсък. За декаметрови и по-къси вълни в по-голямата част от йоносферата и индекси на пречупване чи абсорбциите са приблизително равни:

Тъй като ч< 1, фазова скорост R.r. UV = = s/n > s, групова скорост u gr = с/н< с .

Абсорбцията в йоносферата е пропорционална. v, защото отколкото по-голям бройсблъсъци, тези повечето отЕнергията, получена от електрона от вълните, се превръща в топлина. Следователно абсорбцията е по-голяма в долната част. области на йоносферата (слой Д), където v е по-голямо, защото плътността на газа е по-висока. С увеличаване на честотата абсорбцията намалява. Късите вълни изпитват слаба абсорбция и се разпространяват на големи разстояния.

Пречупване на радиовълни в йоносферата. В йоносферата се разпространяват само радиовълни с честота w > w 0 . В w< w 0 показатель преломления становится чисто мнимым и эл--магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w 0 и н= 0. В по-ниски части от йоносферата, концентрацията на електрони и w 0 се увеличават с височината, следователно с увеличаване на w вълната, изпратена от Земята, прониква все по-дълбоко в йоносферата. Макс. честота на радиовълна, която се отразява от йоносферния слой по време на вертикално падане, т.нар критичен честота на слоя:

Критичен честота на слоя Е 2 (пиков максимум) варира през деня и годината в широк диапазон (от 3-5 до 10 MHz). За вълни с индексът на пречупване не изчезва и вертикално падаща вълна преминава през йоносферата, без да се отразява.

Когато една вълна пада под наклон върху йоносферата, възниква пречупване, както в тропосферата. В долната част от йоносферата gradM -1, т.е. следователно grad и траекторията на лъча се отклонява към Земята (фиг. 9). Радиовълна, падаща върху йоносферата под ъгъл f 0, се обръща към Земята на височина ч, за което е изпълнено условие (5). Макс. честотата на вълната, отразена от йоносферата, когато пада под ъгъл (т.е. за дадено разстояние на пътя), е равна на това, което се нарича максимална приложима честота (MUF). Вълни с отразени от йоносферата, те се връщат на Земята, която се използва за радиокомуникации на дълги разстояния.

Ориз. 9. Схематично представяне на радиолъчи с определена честота при различни ъгли на падане върху йоносферата.

Ориз. 10. Разпространение на къси вълни между Земята и йоносферата: А- мулти-хоп траектория; b- траектория на плъзгане.

Поради сферичността на Земята ъгълът f 0 е ограничен и обхватът на комуникация с едно отражение от йоносферата е 3500-4000 km. Комуникацията на дълги разстояния се осъществява за сметка на няколко. последователен отражения от йоносферата и Земята („скокове“, фиг. 10, А). Възможни са и по-сложни вълноводни траектории, възникващи поради хоризонталния градиент нили разсейване върху нехомогенности на йоносферата по време на R. r. с честота w> w MUF. В резултат на разсейването ъгълът на падане на лъча върху слоя Е 2 се оказва по-голямо, отколкото при нормално разпространение. Лъчът преживява серия от последователни. отражения от слоя Е 2, докато попадне в зона с такъв наклон н, което ще доведе до отражение на част от енергията обратно към Земята (фиг. 10, б).

Влияние на магнитното поле на Земята н 0 . В маг. поле н 0 за електрон, движещ се със скорост u , валиден Сила на Лоренцпод въздействието на разреза се върти в кръг в равнина, перпендикулярна на н 0 , с жиромагнит честота w з. Траекторията на всеки заряд. частици - спирала с ос по протежение н 0 . Действието на силата на Лоренц води до промяна в характера на принудените колебания на електроните под въздействието на електричество. вълново поле и следователно до промяна в електрическата мощност. свойства на околната среда. В резултат на това йоносферата се превръща в анизотропна жиротропна среда, електрическа. свойствата на разреза зависят от посоката на реката. и се описват не от скаларната величина e, а от тензора на диелектричната проницаемост. пропускливост Вълнов инцидент на такава среда преживява двойно пречупване,T. д. се разделя на две вълни, различаващи се по скорост и посока на разпространение, поглъщане и поляризация. Ако посоката на R. е r., тогава падащата вълна може да се представи като сбор от две линейно поляризирани вълни. За първата, „извънредна“ вълна ( д) естеството на принудителното движение на електрони под въздействието на вълновото поле д промени (появява се компонент на ускорение, перпендикулярен на д) и следователно се променя П. За втората, „обикновена“ вълна ( О) принудителното движение остава същото като без поле н 0 (силата на Лоренц е 0). За тези две вълни (без да се вземат предвид сблъсъци) квадратите на индексите на пречупване са равни

Когато R. r. заедно

В последния случай и двете вълни имат кръгова поляризация, а „необикновената“ вълна има вектор д се върти по посока на въртене на електрона, докато „обикновеният” се върти в обратна посока. С произволна посока на R. r. (спрямо Н„) поляризацията на нормалните вълни е елиптична.

Според Р. р. в йоносферата фазовото изместване между вълните се увеличава и поляризацията на общата вълна се променя. Например с П.п. заедно н 0 това води до въртене на равнината на поляризация ( ефект на Фарадей), и с R. r. перпендикулярен н 0 - към периодичен редуване на линейни и кръгови поляризации (вж. Памук - Мутон ефект), Тъй като показателите на пречупване на вълните са различни, те се отразяват на различна височина (фиг. 11). Посока k при R.r. в йоносферата може да се различава от u гр.

Ориз. единадесет. Разделянето на радиовълните води до йоносферата.

Нискочестотни вълни в йоносферата. Основен Част от енергията на нискочестотните радиовълни практически не прониква в йоносферата. Вълните се отразяват от дъното му. граници (през деня - поради силното пречупване в д-слой, през нощта - от Е-слой, като от границата на две среди с различни ел Имоти). Разпространението на тези вълни се описва добре от модела, според който хомогенната и изотропна Земя и йоносфера образуват повърхностен вълновод с остри сферични форми. стени, в които се среща Р. р. Този модел обяснява наблюдаваното намаляване на полето с разстояние и увеличаването на амплитудата на полето с височина. Последното е свързано с плъзгането на вълните по вдлъбнатата повърхност на вълновода, което води до своеобразно „фокусиране“ на полето. Това явление е подобно на ефекта на „шепнещата галерия“, открит от Rayleigh в акустиката. Амплитудата на радиовълните се увеличава значително в антиподната точка на Земята спрямо източника. Това се обяснява с добавянето на радиовълни, които обикалят Земята във всички посоки и се събират на противоположната страна.

Магнитно влияние Полето на Земята определя редица характеристики на разпространението на нискочестотни вълни в йоносферата: ултра-дългите вълни могат да излязат от повърхностния вълновод извън йоносферата, разпространявайки се по линиите на геомагнитното поле. полета между спрегнати точки АИ INЗемя (фиг. 12). От формула (8) става ясно, че когато в случай на надлъжно разпространение не се превръща никъде в 0, т.е. вълната преминава през йоносферата без отражение. В нощната атмосфера подходът на геом. оптиката е нарушена и се получава частично предаване при всеки ъгъл на падане. Светкавици · в атмосферата - естествен. източник на LF вълни. В диапазона 1-10 kHz водят до образуване на т.нар. подсвиркване атмосфери, които се разпространяват по посочения начини създават сигнал с характерно свирене на изхода на приемника.

Ориз. 12.

Когато R. r. Инфразвуковите честоти с w " W H йонни вибрации играят важна роля, йоносферата се държи като проводяща неутрална течност, чието движение се описва с уравнения магнитна хидродинамика. В йоносферата са възможни няколко размножения. видове магнитохидродинамика. вълни, по-специално Алвенови вълни, разпространявайки се по геомагнитното полета с характерна скорост (където r е плътността на газа) и магнитозвукови вълни, които се разпространяват изотропно (като звук).

Нелинейните ефекти по време на разпространението на радиовълни в йоносферата се проявяват вече при радиовълни с относително ниска интензивност и са свързани с нарушаване на линейната зависимост на поляризацията на средата от електрическата енергия. вълнови полета (вж Нелинейна оптика) Нелинейността "при нагряване" играе основна роля. роля, когато характерните размери на нарушената електрическа полето на плазмената област е многократно по-голямо от средния свободен път на електрона. Тъй като свободният път на електроните в плазмата е значителен, електронът успява да получи забележима енергия от полето по време на едно движение. Предаването на енергия по време на сблъсъци от електрони към йони, атоми и молекули е затруднено поради голямата разлика в техните маси. В резултат на това плазмените електрони се „нагряват“ силно още при относително слаб електрически ток. поле, което променя еф. честота на сблъсък. Следователно b и s на плазмата стават зависими от полето двълни и R. r. става нелинейна. "Смущаващ" диелектрик. пропускливост

Къде е характерното "плазмено" поле, T - плазмена темп-pa, d - ср. частта от енергията, загубена от електрон по време на един сблъсък с тежка частица, е честотата на сблъсък.

По този начин нелинейните ефекти стават забележими, когато вълновото поле дсравним с E стр, която в зависимост от честотата на вълната и района на йоносферата е ~10 -4 -10 -1 V/cm.

Нелинейните ефекти могат да се проявят като самовзаимодействие на вълна и като взаимодействие на вълните една с друга. Самовзаимодействието на мощна вълна води до промяна в нейната дълбочина на поглъщане и модулация. Поглъщането на мощна радиовълна зависи нелинейно от нейната амплитуда. Честотата на сблъсък v с повишаване на температурата на електроните може или да се увеличи (в долните слоеве, където сблъсъците с неутрални частици играят основна роля), или да намалее (при сблъсъци с йони). В първия случай абсорбцията се увеличава рязко с увеличаване на мощността на вълната („насищане“ на полето в плазмата). Във втория случай абсорбцията намалява (т.е. изсветляване на плазмата за мощна радиовълна). Поради нелинейното изменение на абсорбцията, амплитудата на вълната зависи нелинейно от амплитудата на падащото поле, така че нейната модулация е изкривена (самомодулация и демодулация на вълната). промяна чв полето на мощна вълна води до изкривяване на траекторията на лъча. При разпространение на тясно насочени лъчи радиовълни това може да доведе до самофокусиране на лъча по подобен начин самофокусиране на светлинатаи до образуването на вълноводен канал в плазмата.

Взаимодействието на вълните при нелинейни условия води до нарушение принцип на суперпозицияПо-специално, ако мощна вълна с честота w 1 е модулирана по амплитуда, тогава поради промяна в абсорбцията тази модулация може да бъде прехвърлена към друга вълна с честота w 2, преминаваща в същата област на йоносферата (фиг. 13). явлението се нарича кръстосана модулация или Люксембург-Горки ефект, има практичен стойност за радиоразпръскване в диапазона на ср. вълни

Ориз. 13. Йоносферната кръстосана модулация възниква в областта, където лъчите се пресичат.

Нагряването на йоносферата в полето на мощна вълна в HF диапазона може да причини термична парализа. нестабилността в йоносферата води до аномално голямо поглъщане на радиоизлъчване и стратификация на плазмата (вж. параметричен резонанс). В района силно удължен по протежение н 0 хетерогенност на йоносферата (с надлъжен мащаб от 1 км, напречен - 0,5100 м), които са обещаващи за комуникация на дълги разстояния в УКВ диапазона. В полето на много мощни радиовълни електроните стават толкова горещи, че възниква токов удар. разпадане на газ.

Ако размерите на плазмената област, смутена от вълновото поле, са много по-малки от средния свободен път на електрона, нелинейността на нагряване става слаба. Това се случва с къси импулси и тесни лъчи радиовълни. В този случай основната ролята играе т.нар стриктна нелинейност поради факта, че нехомогенните редуващи се електрически Вълновото поле упражнява натиск върху електроните, причинявайки компресия на плазмата. Електронна концентрация ни следователно e и s стават зависими от амплитудата на полето. Стриктната нелинейност води до промяна в диелектрика. пропускливост по-малко нагряване промени с няколко. порядъци (при същата мощност на вълната). Стрикционната нелинейност играе важна роля в параметричните нестабилност на йоносферата.

Разпространение на радиовълни в космически условия. С изключение на планетите и техните непосредствени околности, b. Част от материята във Вселената е йонизирана. Параметри на пространството плазмите варират значително. Например концентрацията на електрони и йони в близост до орбитата на Земята е ~1-10 cm -3, в йоносферата на Юпитер ~10 5 cm -3, в слънчевата корона ~10 8 cm -3, във вътрешността на звездите ~10 27 cm -3. От космоса космосът идва на Земята широк обхвател-магн. вълни, които по пътя си от космоса трябва да преминат през йоносферата и тропосферата. Вълните от два основни типа се разпространяват през земната атмосфера без забележимо затихване. честотни диапазони: „радиопрозорец“ съответства на диапазона от йоносферния критичен. честоти w kr до честоти на силно поглъщане от аерозоли и атмосферни газове (10 MHz - 20 GHz), "оптичният прозорец" покрива обхвата на видимото и инфрачервеното лъчение (1-10 3 THz). Атмосферата също е частично прозрачна в нискочестотния диапазон (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

В космоса условия, източникът на радиовълни и техният приемник често се движат бързо един спрямо друг. Като резултат Доплер ефекттова води до промяна на w от , където u- отнася се. скорост. Намалена честота при изтриване на кореспонденти ( червено отместване) е характерно за излъчването на далечни галактики, отдалечаващи се от нас. Радиовълни в космоса. плазма са обект на пречупване, свързано с хетерогенността на средата (фиг. 14). Например, поради пречупване в земната атмосфера, източникът на радиовълни се вижда по-високо над хоризонта, отколкото в действителност. За определяне на разстоянието до пулсарите и при интерпретиране на резултатите от Слънцето и планетите е необходимо да се вземе предвид, че в космическото плазма

Ориз. 14. Траектории на радиолъчи с l = 5 m в слънчевата корона.

Възможности за радиокомуникация с обекти, разположени в космоса. космоса или на други планети, са разнообразни и свързани с присъствието и структурата на техните атмосфери. Ако пространството плазмата е в магнитно поле. поле (магнитосферата на Юпитер, регионите на слънчевите петна, пулсарните магнитосфери), тогава тя е жиротропна среда, като йоносферата на Земята. За всички планети с атмосфера общата трудност на радиокомуникацията е тази при влизане в космоса. Когато устройството се вкара в плътните слоеве на атмосферата, около него се създава плътна плазмена обвивка, което затруднява преминаването на радиовълните. На планети като Меркурий и Луната, които на практика нямат атмосфера или йоносфера, на R.R. Засегната е само повърхността на планетата. Поради липсата на отражение от йоносферата обхватът на комуникация по протежение на повърхността на такава планета е малък (фиг. 15) и може да бъде увеличен само чрез препредаване чрез сателит.

Ориз. 15. Зависимост от обхват rрадиокомуникации на повърхността на Луната от честотата w/2p.

Разпространение на радиовълни от различни диапазони. Радиовълните с много ниски (3-30 kHz) и ниски (30-300 kHz) честоти се огъват около земната повърхност поради вълноводно разпространение и дифракция, проникват сравнително слабо в йоносферата и малко се абсорбират от нея. Те се характеризират с висока фазова стабилност и способност за равномерно покриване на големи площи, включително полярни региони. Това дава възможност да се използват за стабилни радиокомуникации на дълги и свръхдалечни разстояния и радионавигация, въпреки високото ниво на атм. намеса За радиоразпръскване се използва честотната лента от 150 до 300 kHz. Голям брой геофиз. изследванията се извършват чрез наблюдение на естествени сигнали. произход, които се генерират например от мълнии и радиационни частици. пояси на Земята. Трудностите при използването на този честотен диапазон се дължат на масивността на антенните системи с високи ATM нива. намеса, с родн ограничена скорост на пренос на информация.

Средните вълни (300-3000 kHz) се разпространяват по земната повърхност през деня (наземна или директна вълна). На практика няма отразена вълна от йоносферата, тъй като вълните се абсорбират силно д- слой на йоносферата. През нощта поради липса на слънчева радиация д-слоят изчезва, появява се йоносферна вълна, отразена от д-слой и обхватът на приемане се увеличава. Добавянето на директни и отразени вълни води до силна променливост на полето, така че йоносферната вълна е източник на смущения за много хора. услуги, използващи разпространение на земни вълни. ср. вълните се използват за радиоразпръскване, радиотелеграфна и радиотелефонна комуникация и радионавигация.

Късите вълни (3-30 MHz) се абсорбират слабо д- И д-слоеве и се отразяват от F-слой, когато техните честоти ampl. В резултат на тяхното отражение от йоносферата, комуникацията както на къси, така и на дълги разстояния е възможна с много по-ниски нива на мощност на предавателя и много по-прости антени, отколкото в по-ниски честотни ленти. Този обхват се използва за радиотелефонни и радиотелеграфни комуникации, радиоразпръскване, както и за любителски радиокомуникации. Характеристика на радиокомуникациите в този диапазон е наличието на затихване на сигнала поради промени в условията на отражение от йоносферата и смущения. ефекти. ВЧ комуникационните линии са подложени на влиянието на атм. намеса Йоносферните бури причиняват прекъсвания на комуникацията.

За много високи честоти и УКВ (30 - 1000 MHz) преобладава R. r. в тропосферата и проникване през йоносферата. Ролята на земната вълна намалява. Интерферентните полета в нискочестотната част на този диапазон все още могат да бъдат определени чрез отражения от йоносферата, а до честота от 60 MHz йоносферното разсейване продължава да играе роля. роля. Всички видове радари, с изключение на тропосферното разсейване, позволяват предаването на сигнали с честотна лента от няколко. MHz. В тази част от спектъра е възможно много висококачествено аудиоразпръскване на разстояние 50-100 км. Радиопредаванията с честотна модулация работят на честоти около 100 MHz.

Телевизията се излъчва в същия честотен диапазон. излъчване. Няколко са предназначени за радиоастрономия. тесни спектрални ленти, които се използват и за космически приложения. комуникации, радар, метеорология, освен това за любителски комуникации.

Разпространяват се предимно UHF и микровълновите вълни (1000-10 000 MHz). в пряка видимост и се характеризира с ниски нива на шум. В този диапазон при R. r. известните макс. площи играят роля. абсорбция и честота на химическото излъчване. елементи (напр. водородни линии близо до 1420 MHz). В този диапазон са разположени многоканални широколентови комуникационни системи за телефонно и телевизионно предаване. сигнали. Високата насоченост на антените позволява използването на ниски нива на мощност в радиорелейни системи, а тропосферното разсейване осигурява радиообхват от ~ 800 km. Този диапазон се използва в радионавигацията. и радар услуги За радиоастрономия Наблюденията идентифицираха честотни ленти за атомен водород, ОН радикал и непрекъснато излъчване. В космоса радиокомуникационна честотна лента ~ 1000-10 000 MHz - макс. важна част от радиочестотния спектър.

Микровълновите вълни (>10 GHz) се разпространяват само в рамките на пряката видимост. Има няколко загуби в този диапазон. по-високи, отколкото при по-ниски честоти, и тяхната стойност е силно повлияна от количеството на валежите. Увеличаването на загубите при тези честоти се компенсира частично от повишената ефективност на антенните системи. Микровълните се използват в радара, радионавигацията и метеорологията. Честотите могат да се използват по комуникационни линии между земната повърхност и космоса< 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Лит.:Долуханов М.П., ​​Разпространение на радиовълни, 4 изд., М., 1972 г.; Brekhovskikh L.M., Вълни в слоести среди, 2 изд., М., 1973; Ginzburg V.L., Разпространение на електромагнитни вълни в плазмата, 2-ро издание, М., 1967; Татарски В.И., Разпространение на вълни в турбулентна атмосфера, М., 1967; Фок В. А., Проблеми на дифракцията и разпространението на електромагнитни вълни, М., 1970; Гуревич А.В., Шварцбург А.Б., Нелинейна теория на разпространението на радиовълните в йоносферата, М., 1973 г.; Железняков В.В., Електромагнитни вълни в космическата плазма, М., 1977.

П. А. Беспалов, М. Б., Виноградова.