Radioaaltojen teoria: koulutusohjelma. Radiotaajuusalue ja sen käyttö radioviestinnässä

Luulen, että kaikki käänsivät radion valitsinta vaihtaen "VHF", "LW" ja "SV" välillä ja kuulivat kaiuttimista sihisevän.
Mutta lyhenteiden tulkintaa lukuun ottamatta kaikki eivät ymmärrä, mitä näiden kirjainten takana on piilotettu.
Katsotaanpa lähemmin radioaaltojen teoriaa.

Radioaalto

Aallonpituus (λ) on vierekkäisten aallonharjojen välinen etäisyys.
Amplitudi(t) - suurin poikkeama keskiarvosta värähtelevän liikkeen aikana.
Period(T) - yhden täydellisen värähtelevän liikkeen aika
Taajuus (v) - täydellisten jaksojen lukumäärä sekunnissa

On kaava, jonka avulla voit määrittää aallonpituuden taajuudella:

Jossa: aallonpituus (m) on yhtä suuri kuin valonnopeuden (km/h) suhde taajuuteen (kHz)

"VHF", "DV", "SV"

Pitkät aallot(LW) v = 150-450 kHz (λ = 2000-670 m).


Tämän tyyppinen radioaalto pystyy taipumaan esteiden ympärille ja sitä käytetään viestintään pitkien etäisyyksien päässä. Sillä on myös huono tunkeutumisteho, joten ellei sinulla ole etäantennia, et todennäköisesti pysty vastaanottamaan radioasemia.

Keskipitkät aallot(SV) v = 500-1600 kHz (λ = 600-190 m).


Nämä radioaallot heijastuvat hyvin 100-450 km etäisyydellä maan pinnasta sijaitsevasta ionosfääristä, joiden erikoisuus on, että päiväsaikaan ne imeytyvät ionosfääriin eikä heijastusvaikutusta esiinny. Tätä vaikutusta käytetään käytännössä viestintään, yleensä useiden satojen kilometrien yli yöllä.

Lyhyet aallot(HF) v = 3-30 MHz (λ = 100-10 m).

Kuten keskiaallot, ne heijastuvat hyvin ionosfääristä, mutta toisin kuin ne, vuorokaudenajasta riippumatta. Ne voivat levitä pitkiä matkoja (useita tuhansia kilometriä) ionosfääristä ja maan pinnasta tulevien heijastusten vuoksi; tällaista etenemistä kutsutaan hyppäämiseksi. Tätä varten ei tarvita suuritehoisia lähettimiä.

Ultralyhyet aallot(VHF) v = 30 MHz - 300 MHz (λ = 10-1 m).


Nämä aallot voivat taipua usean metrin kokoisten esteiden ympärille ja niillä on myös hyvä tunkeutumiskyky. Tällaisten ominaisuuksien vuoksi tätä aluetta käytetään laajalti radiolähetyksissä. Haittana on niiden suhteellisen nopea vaimennus esteiden kohtaamisessa.
On kaava, jonka avulla voit laskea viestintäalueen VHF-alueella:

Joten esimerkiksi lähetettäessä 500 m korkeasta Ostankinon televisiotornista 10 m korkeaan vastaanottoantenniin, suoran näkyvyyden alaisuudessa viestintäalue on noin 100 km.

Korkeat taajuudet (HF-cm alue) v = 300 MHz - 3 GHz (λ = 1-0,1 m).
Ne eivät taipu esteiden ympärille ja niillä on hyvä tunkeutumiskyky. Käytetään matkapuhelinverkoissa ja wi-fi-verkoissa.
Toinen tämän alueen aaltojen mielenkiintoinen ominaisuus on, että vesimolekyylit pystyvät absorboimaan energiansa mahdollisimman paljon ja muuttamaan sen lämmöksi. Tätä tehostetta käytetään mikroaaltouunissa.
Kuten näette, wi-fi-laitteet ja mikroaaltouunit toimivat samalla alueella ja voivat vaikuttaa veteen, joten nukkuminen wi-fi-reitittimen kanssa pitkään ei ole sen arvoista.

Erittäin korkeat taajuudet (EHF-millimetriaalto) v = 3 GHz - 30 GHz (λ = 0,1-0,01 m).
Ne heijastuvat melkein kaikista esteistä ja tunkeutuvat vapaasti ionosfääriin. Ominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään avaruusviestinnässä.

AM - FM

OLEN.- amplitudimodulaatio

Tämä on muutos kantoaaltotaajuuden amplitudissa koodausvärähtelyn, esimerkiksi mikrofonin äänen, vaikutuksesta.
AM on ensimmäinen ihmisen keksimä modulaatiotyyppi. Haitoista, kuten minkä tahansa analogisen modulaation, sillä on alhainen kohinansieto.

FM- taajuusmodulaatio


Tämä on muutos kantoaaltotaajuudessa koodausvärähtelyn vaikutuksesta.
Vaikka tämä on myös analogisen tyyppinen modulaatio, sillä on korkeampi melunsieto kuin AM:llä, ja siksi sitä käytetään laajalti televisio- ja VHF-lähetysten äänessä.

Itse asiassa kuvatuilla modulaatiotyypeillä on alatyyppejä, mutta niiden kuvaus ei sisälly tämän artikkelin materiaaliin.

Lisää ehtoja

Diffraktio- ilmiö, joka syntyy, kun radioaalto kohtaa esteitä, minkä seurauksena aalto voi muuttaa amplitudia, vaihetta ja suuntaa.
Tämä ilmiö selittää HF- ja SW-yhteyden ionosfäärin kautta, kun aalto heijastuu erilaisista epähomogeenisuuksista ja varautuneista hiukkasista ja muuttaa siten etenemissuuntaa.
Tämä sama ilmiö selittää radioaaltojen kyvyn levitä ilman suoraa näkyvyyttä, taipuen maan pinnan ympäri. Tätä varten aallonpituuden on oltava verrannollinen esteeseen.

PS:

Jos Maxwell ei olisi ennustanut radioaaltojen olemassaoloa, eikä Hertz olisi havainnut niitä käytännössä, todellisuutemme olisi ollut täysin erilainen. Emme voineet vaihtaa nopeasti tietoja radion ja matkapuhelimet, tutkia kaukaisia ​​planeettoja ja tähtiä radioteleskooppien avulla, tarkkailla lentokoneita, laivoja ja muita kohteita tutkalla.

Kuinka radioaallot auttavat meitä tässä?

Radioaaltolähteet

Radioaaltojen lähteitä luonnossa ovat salama - jättiläismäiset sähkökipinäpurkaukset ilmakehässä, joiden virranvoimakkuus voi olla 300 tuhatta ampeeria ja jännite miljardi volttia. Näemme salaman ukkosmyrskyn aikana. Muuten, niitä ei synny vain maan päällä. Salaman välähdyksiä on havaittu Venuksella, Saturnuksella, Jupiterilla, Uranuksella ja muilla planeetoilla.

Lähes kaikki kosmiset kappaleet (tähdet, planeetat, asteroidit, komeetat jne.) ovat myös luonnollisia radioaaltojen lähteitä.

Radiolähetyksissä, tutkassa, tietoliikennesatelliiteissa, kiinteässä ja matkaviestinnässä sekä erilaisissa navigointijärjestelmissä käytetään keinotekoisesti saatuja radioaaltoja. Tällaisten aaltojen lähde ovat korkeataajuiset generaattorit sähkömagneettiset värähtelyt, jonka energia välitetään avaruuteen lähetysantennien avulla.

Radioaaltojen ominaisuudet

Radioaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja, joiden taajuus vaihtelee 3 kHz - 300 GHz ja pituus 100 km - 1 mm. Ympäristöön leviäessään ne noudattavat tiettyjä lakeja. Väliaineesta toiseen siirryttäessä havaitaan heijastus ja taittuminen. Niihin kuuluvat myös diffraktio- ja interferenssiilmiöt.

Diffraktio tai taipuminen tapahtuu, jos radioaaltojen tiellä on esteitä, jotka ovat pienempiä kuin radioaallon aallonpituus. Jos niiden koot osoittautuvat suuremmiksi, radioaallot heijastuvat niistä. Esteet voivat olla keinotekoisia (rakenteet) tai luonnollisia (puut, pilvet).

Radioaallot heijastuvat maanpinta. Lisäksi valtameren pinta heijastaa niitä noin 50 % vahvemmin kuin maa.

Jos este on sähkövirran johdin, niin radioaallot antavat osan energiastaan ​​sille ja johtimeen syntyy sähkövirta. Osa energiasta kuluu jännittäviin sähkövirtoihin maan pinnalla. Lisäksi radioaallot säteilevät antennista ympyröinä eri suuntiin, kuten aallot veteen heittetystä kivistä. Tästä syystä radioaallot menettävät energiaa ja vaimenevat ajan myötä. Ja mitä kauempana radioaaltovastaanotin on lähteestä, sitä heikompi signaali sen saavuttaa.

Häiriö tai superpositio saa radioaallot vahvistamaan tai heikentämään toisiaan.

Radioaallot kulkevat avaruudessa nopeudella, joka on yhtä suuri kuin valonnopeus (muuten, valo on myös sähkömagneettinen aalto).

Kuten kaikki sähkömagneettiset aallot, radioaallot ovat ominaisia ​​aallonpituudella ja taajuudella. Taajuus liittyy aallonpituuteen seuraavasti:

f = c/ λ ,

Missä f – aaltotaajuus;

λ - aallonpituus;

c - valonnopeus.

Kuten näet, mitä pidempi aallonpituus, sitä pienempi sen taajuus.

Radioaallot jaetaan seuraaviin alueisiin: ultrapitkät, pitkät, keskipitkät, lyhyet, ultralyhyet, millimetri- ja desimillimetriaallot.

Radion leviäminen

Eripituiset radioaallot eivät kulje avaruudessa tasaisesti.

Ultrapitkät aallot(aallonpituudet 10 km tai enemmän) taipuvat helposti suurten esteiden ympärille lähellä maan pintaa ja imeytyvät siihen hyvin heikosti, joten ne menettävät vähemmän energiaa kuin muut radioaallot. Tämän seurauksena ne myös haalistuvat paljon hitaammin. Siksi avaruudessa tällaiset aallot leviävät jopa useiden tuhansien kilometrien etäisyyksillä. Niiden tunkeutumissyvyys ympäristöön on erittäin suuri, ja niitä käytetään viestintään suurilla syvyyksillä sijaitsevien sukellusveneiden kanssa sekä erilaisiin geologian, arkeologian ja tekniikan tutkimuksiin. Ultrapitkien aaltojen kyky kiertää helposti maapalloa mahdollistaa Maan ilmakehän tutkimisen niiden avulla.

Pitkä, tai kilometri, aallot(1 km - 10 km, taajuus 300 kHz - 30 kHz) ovat myös alttiita diffraktiolle ja voivat siksi levitä jopa 2 000 km:n etäisyyksille.

Keskiverto, tai hektometri, aallot(100 m - 1 km, taajuus 3000 kHz - 300 kHz) ne taipuvat maan pinnalla olevien esteiden ympärille huonommin, absorboituvat voimakkaammin ja vaimenevat siksi paljon nopeammin. Ne ulottuvat jopa 1000 km:n etäisyyksille.

Lyhyet aallot käyttäytyä eri tavalla. Jos viritämme kaupungissa autoradion lyhyelle radioaaltolle ja lähdemme liikkeelle, niin kun siirrymme pois kaupungista, radiosignaalin vastaanotto huononee ja noin 250 km:n etäisyydellä se pysähtyy kokonaan. Jonkin ajan kuluttua radiolähetys kuitenkin jatkuu. Miksi tämä tapahtuu?

Asia on, että lyhyen kantaman radioaallot (10 m - 100 m, taajuus 30 MHz - 3 MHz) Maan pinnalla vaimenevat hyvin nopeasti. Suuressa kulmassa horisonttiin lähtevät aallot heijastuvat kuitenkin ilmakehän ylemmästä kerroksesta - ionosfääristä ja palaavat takaisin jättäen jälkeensä satoja kilometrejä "kuollutta aluetta". Nämä aallot heijastuvat sitten maan pinnalta ja suuntautuvat jälleen ionosfääriin. Toistuvasti heijastuvat, he pystyvät kiertämään maapallon useita kertoja. Mitä lyhyempi aalto, sitä suurempi on heijastuskulma ionosfääristä. Mutta yöllä ionosfääri menettää heijastuskykynsä, joten viestintä lyhyillä aalloilla on huonompi pimeässä.

A ultralyhyet aallot(metri, desimetri, senttimetrin aallonpituudet alle 10 m) eivät voi heijastua ionosfääristä. Suorassa linjassa leviävät ne läpäisevät sen ja menevät korkeammalle. Tätä ominaisuutta käytetään määrittämään ilmaobjektien koordinaatit: lentokoneet, lintuparvet, pilvien taso ja tiheys jne. Mutta ultralyhyet aallot eivät myöskään voi taipua maan pinnan ympäri. Koska ne leviävät näkökentän sisällä, niitä käytetään radioviestintään 150 - 300 km:n etäisyydellä.

Ultralyhyet aallot ovat ominaisuuksiltaan lähellä valoaaltoja. Mutta kevyet aallot voidaan kerätä nippuun ja lähettää osoitteeseen Oikea paikka. Näin valonheitin ja taskulamppu toimivat. Sama koskee ultralyhyitä aaltoja. Ne kerätään erityisillä antennipeileillä ja niihin lähetetään kapea säde oikeaan suuntaan, mikä on erityisen tärkeää esimerkiksi tutka- tai satelliittiviestinnässä.

Millimetrin aallot(1 cm - 1 mm), radioalueen lyhyimmät aallot, jotka ovat samanlaisia ​​​​kuin ultralyhyet aallot. Ne leviävät myös suoraviivaisesti. Mutta vakava este heille on sademäärä, sumu, pilvet. Radioastronomian ja nopeiden radioreleiden lisäksi niille on löydetty käyttöä lääketieteessä ja arjessa käytettävässä mikroaaltotekniikassa.

Submillimetri, tai desimillimetriaaltoja (1 mm - 0,1 mm) mukaan kansainvälinen luokittelu viitataan myös radioaalloille. SISÄÄN luonnolliset olosuhteet niitä ei melkein ole olemassakaan. Ne vievät merkityksettömän pienen osan auringon spektrin energiasta. Ne eivät pääse maan pinnalle, koska ne imeytyvät ilmakehän vesihöyry- ja happimolekyyleihin. Keinotekoisista lähteistä luotuja niitä käytetään avaruusviestinnässä sekä Maan ja muiden planeettojen ilmakehän tutkimiseen. Korkea tutkinto Näiden aaltojen turvallisuus ihmiskeholle mahdollistaa niiden käytön lääketieteessä elinten skannaukseen.

Submillimetriaaltoja kutsutaan "tulevaisuuden aalloksi". On täysin mahdollista, että ne antavat tutkijoille mahdollisuuden tutkia aineiden molekyylien rakennetta täysin uudella tavalla ja ehkä tulevaisuudessa jopa ohjata molekyyliprosesseja.

Kuten näet, kutakin radioaaltoaluetta käytetään siellä, missä sen etenemisen ominaisuuksia hyödynnetään parhaalla mahdollisella tavalla.

JOHDANTO

Pääsääntöisesti termillä "radioaallot" tarkoitetaan sähkömagneettisia aaltoja, jotka kuuluvat jollekin radiotekniikassa käytettävälle taajuusalueelle. Kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) ja kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) erityispäätöksellä on tapana erottaa seuraavat radiotaajuusalueet ja vastaavat radioaallonpituudet:

erittäin alhaiset taajuudet (VLF) - 3 - 30 kHz tai myriametriaallot (aallonpituus 100 - 10 km);

matalat taajuudet (LF) - 30 - 300 kHz tai kilometriaallot (aallonpituus 10 - 1 km);

keskitaajuudet (MF) - 300 kHz - 3 MHz tai hektometriaallot (aallonpituus 1 km - 100 m);

korkeat taajuudet (HF) - 3 - 30 MHz tai dekametriaallot (aallonpituus 100 - 10 m);

erittäin korkeat taajuudet (VHF) - 30 - 300 MHz tai metriaallot (aallonpituus 10 - 1 m);

ultrakorkeat taajuudet (UHF) - 300 MHz - 3 GHz tai desimetriaallot (aallonpituus 1 m - 10 cm);

ultrakorkeat taajuudet (mikroaalto) - 3 - 30 GHz tai senttimetriaallot (aallonpituus 10 - 1 cm);

erittäin korkeat taajuudet (EHF) - 30 - 300 GHz tai millimetriaallot (aallonpituus 1 cm - 1 mm).

Radiotekniikalla on historiallisesti kehittynyt jatkuva taipumus hallita yhä suurempia taajuusalueita. Tämä johtui ensisijaisesti tarpeesta luoda erittäin tehokkaita antennijärjestelmiä, jotka keskittävät energian kapeisiin avaruuskulmiin. Tosiasia on, että antennilla, jolla on kapea säteilykuvio, on välttämättä oltava poikittaismitat, jotka ylittävät huomattavasti toiminta-aallonpituuden. Tämä ehto on helppo täyttää metrillä ja vielä enemmän senttimetrialueella, kun taas myriametriaaltojen erittäin suuntaava antenni olisi mitoiltaan täysin mahdotonta hyväksyä.

Toinen suurtaajuusalueiden arvokkaat ominaisuudet määräävä tekijä on se, että on mahdollista toteuttaa suuri määrä radiokanavia keskenään ei-päällekkäisillä taajuuskaistoilla. Tämä mahdollistaa toisaalta kanavien taajuusjaon periaatteen laajan käytön ja toisaalta laajakaistaisten modulaatiojärjestelmien, kuten taajuusmodulaation, käytön. Tietyissä olosuhteissa tällaiset modulaatiojärjestelmät voivat varmistaa radiokanavan korkean kohinansietokyvyn.

Radio- ja televisiotoiminnassa on myös kehittynyt jonkin verran yksinkertaistettu radioaaltoalueluokitus. Sen mukaan myriametriaaltoja kutsutaan ultrapitkiksi aalloksi (VLW), kilometriaaltoja kutsutaan pitkiksi aalloksi (LW); Hektometriset - keskiaallot (MV), dekametriset - lyhytaallot (SW) ja yhä enemmän korkeataajuiset värähtelyt, joiden aallonpituudet ovat alle 10 m, luokitellaan ultralyhyiksi aalloksi (VHF).

1. RADIOAALTOJEN LEVITYS ILMAISEKSI

TILA

Tiedonsiirtojärjestelmä koostuu kolmesta pääosasta: lähettävästä laitteesta, vastaanottavasta laitteesta ja välilinkistä - yhdyslinjasta. Välilinkki on väliaine - tila, jossa radioaallot etenevät. Kun radioaallot etenevät luonnollisia reittejä pitkin, eli olosuhteissa, joissa väliaine on maan pinta, ilmakehä tai ulkoavaruus, väliaine on se osa radiojärjestelmää, jota on käytännössä mahdotonta hallita.

Kun radioaallot etenevät väliaineessa, aaltokentän amplitudi muuttuu, etenemisnopeus ja -suunta muuttuvat, polarisaatiotaso pyörii ja lähetetyt signaalit vääristyvät. Tässä suhteessa radioviestintälinjoja suunniteltaessa on välttämätöntä:

määrittää optimaaliset toiminta-aallot tietyissä etenemisolosuhteissa;

määrittää signaalien todellinen saapumisnopeus ja -suunta;

ottaa huomioon lähetetyn signaalin mahdolliset vääristymät ja määrittää toimenpiteet niiden poistamiseksi.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi on tarpeen tuntea maan pinnan ja ilmakehän sähköiset ominaisuudet sekä radioaaltojen etenemisen aikana tapahtuvat fysikaaliset prosessit.

Maan pinnalla on merkittävä vaikutus radioaaltojen etenemiseen:

Maan puolijohtavalla pinnalla radioaallot absorboituvat;

kun ne putoavat maan pinnalle, ne heijastuvat;

Maan pinnan pallomainen muoto estää radioaaltojen suoraviivaisen etenemisen.

Maan pinnan välittömässä läheisyydessä eteneviä radioaaltoja kutsutaan maallisia radioaaltoja(1 kuvassa 1.1). Kun tarkastellaan maa-aaltojen etenemistä, ilmakehää pidetään häviöttömänä väliaineena, jonka suhteellinen permittiivisyys ε on yhtä suuri kuin yksikkö. Ilmakehän vaikutus huomioidaan erikseen tehden tarvittavat korjaukset.

SISÄÄN ympäröivät maata Ilmakehässä on kolme aluetta, jotka vaikuttavat radioaaltojen etenemiseen: troposfääri, stratosfääri ja ionosfääri. Näiden alueiden väliset rajat eivät ole tarkasti määriteltyjä, ja ne riippuvat ajasta ja maantieteellisestä sijainnista.

Troposfääri kutsutaan ilmakehän pintakerrokseksi, joka ulottuu 7-18 kilometrin korkeuteen. Troposfäärissä ilman lämpötila laskee korkeuden mukana. Troposfääri on heterogeeninen sekä pystysuunnassa että maan pinnalla. Sen sähköiset parametrit muuttuvat muuttuvien sääolosuhteiden mukaan. Troposfäärissä maan radioaaltojen liikerata 1 on taipunut, jota kutsutaan taittumaksi. Jakelu troposfäärin radioaallot 2 on mahdollista, koska ne hajoavat ja heijastuvat troposfäärin epähomogeenisuudesta. Radioaallot millimetri- ja senttimetrialueella absorboituvat troposfäärissä.

Stratosfääri ulottuu tropopausista 50-60 km korkeuteen. Stratosfääri eroaa troposfääristä huomattavasti pienemmällä ilmantiheydellä ja lämpötilan korkeusjakauman lailla: 30-35 km korkeuteen asti lämpötila on vakio, ja sitten 60 km korkeuteen asti se nousee jyrkästi. . Stratosfäärillä on sama vaikutus radioaaltojen etenemiseen kuin troposfäärillä, mutta se on vähemmän korostunut alhaisen ilmantiheyden vuoksi.

Ionosfääri kutsutaan ilmakehän alueeksi 60-10 000 km korkeudella maan pinnasta. Näillä korkeuksilla ilman tiheys on hyvin pieni ja ilma on ionisoitunut, eli siellä on suuri määrä vapaita elektroneja. Vapaiden elektronien läsnäolo vaikuttaa merkittävästi ionosfäärin sähköisiin ominaisuuksiin ja mahdollistaa yli 10 m pitkien radioaaltojen heijastumisen ionosfääristä.Ionosfääristä heijastumalla tai siinä siroavia radioaaltoja ns. ionosfäärin aallot 3. Maan pinnan ja troposfäärin ominaisuudet eivät juurikaan vaikuta ionosfäärin aaltojen etenemisolosuhteisiin.

Radioaaltojen 4.5 etenemisen ehdoilla avaruusradioviestinnän aikana on joitain erityispiirteitä, ja radioaalloilla

Riisi. 1.2. Antenni säteilykuviot by

teho:

1 – isotrooppinen emitteri; 2 – suuntaava

4 pääasiallinen vaikutus on maan ilmakehällä.

1.1. Ihanteellisen radiolähetyksen kaava

Vapaata tilaa voidaan pitää homogeenisena ei-absorboivana väliaineena, jonka ε =1. Todellisuudessa tällaisia ​​välineitä ei ole olemassa, mutta ilmaisut, jotka kuvaavat radioaaltojen etenemisen ehtoja tässä yksinkertaisimmassa tapauksessa, ovat perustavanlaatuisia. Radioaaltojen etenemiselle monimutkaisemmissa tapauksissa on tunnusomaista samat lausekkeet lisättynä tekijöihin, jotka ottavat huomioon tiettyjen etenemisolosuhteiden vaikutuksen.

Erilaisten radiojärjestelmien suunnittelussa on tarpeen määrittää jännite sähkökenttä radioaallot vastaanottopaikassa tai teho vastaanottavan laitteen tulossa.

Vapaan tilan energiatiheydelle P (W/m 2 ) etäisyydellä r (m) pistelähteestä, joka lähettää radioaaltoja tasaisesti kaikkiin suuntiin, on suhteessa tämän lähteen lähettämään tehoon Rizl (W) seuraavasti:

jossa P on Poynting-vektorin moduuli.

Käytännössä antenni säteilee energiaa epätasaisesti eri suuntiin. Säteilyn epätasaisuusasteen huomioon ottamiseksi otetaan käyttöön antennin suuntauskerroin.

Antenni vahvistus D osoittaa, kuinka monta kertaa tehotiheys muuttuu tietyllä etäisyydellä emitteristä suunnatulla emitterillä verrattuna ei-suuntaiseen (isotrooppiseen) emitteriin.

Suuntaemitteriä käytettäessä tapahtuu tehon spatiaalista uudelleenjakoa, jonka seurauksena tehotiheys kasvaa joihinkin suuntiin ja pienenee toisiin verrattuna isotrooppisen emitterin käyttöön. Suunta-antennien käyttö mahdollistaa D-kertaisen suuremman tehotiheyden vastaanottopisteessä tai D-kertaisen pienentämisen lähettimen tehoon.

D:n arvo on havaintokulmien funktio: vaakatasossa ξ ja pystytasossa q (kuva 1.2). Tyypillisesti antenni tuottaa maksimisäteilyä vain tiettyyn suuntaan (ξ0 θ0), jolle D saa maksimiarvon Dmax =D(ξ0 θ0). Kutsutaan suureiden D riippuvuutta kulmista ξ ja θ antennin säteilykuvio tehossa ja suhde F 2 (ξ,θ)= D(ξ θ)/D max

Normalisoitu säteilykuvio tehon mukaan (kuva 1.2).

Tehon tiheys etäisyydellä r suunnatusta lähettävästä antennista

Radioaallon sähkökentän voimakkuuden amplitudi vapaassa tilassa on suhteessa tämän aallon energiatiheyteen (vapaan tilan resistanssin Z0 kautta)

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

josta määritetään sähkökentän voimakkuuden amplitudiarvo vapaassa tilassa Em cv (V/m) tietyllä etäisyydellä r (m) emitteristä:

(1.1)

Teho vastaanottimen sisääntulossa, joka on sovitettu antenniin, joka sijaitsee etäisyydellä r emitteristä on

Vastaanottavan antennin tehollinen alue, joka kuvaa aaltorintaman aluetta, josta antenni ottaa energiaa.

Teho Rpr.sv on kätevä määrittää suoraan tehon Pizl ja säteilevän antennin arvon Dizl kautta:

Tätä ilmaisua kutsutaan kaava ihanteelliseen radiolähetykseen.

Tehon vaimennus radioaaltojen etenemisen aikana vapaassa tilassa, joka määritellään suhteessa Rpr.sv / Rizl, on ns. siirtohäviöt vapaassa tilassa. Omnisuuntaisilla lähetys- ja vastaanottoantenneilla tämä suhde on B 0 (dB) lasketaan kaavalla:

jossa P on teho, W; r - etäisyys, km; ƒ - taajuus, MHz.

Suunta-antennien käyttö vastaa säteilytehon lisäämistä kertoimella.

Muistakaamme, että radioaaltojen polarisaation määrää radioaallon sähkökentän voimakkuuden vektorin suunta avaruudessa ja vektorin suunta määrää polarisaation suunnan. vektori  polarisaatio voi olla lineaarinen, pyöreä Ja elliptinen. Radioaaltojen polarisaatiotyyppi vapaassa tilassa määräytyy emitterin (antennin) tyypin mukaan. Esimerkiksi vibraattoriantenni lähettää lineaarisesti polarisoitua aaltoa vapaassa tilassa.

Ympyräpolarisoitujen aaltojen saamiseksi riittää, että lähetysantennina on kaksi lineaarista vibraattoria, jotka on siirretty avaruudessa 90° toisiinsa nähden ja syöttävät niitä saman amplitudin virroilla 90° vaihesiirrolla. Pyöreäpolarisaatiolla varustettuja radioaaltoja lähettävät esimerkiksi spiraali- ja kääntöporttiantennit. Tämän tyyppistä polarisaatiota käytetään laajalti televisiossa ja tutkassa.

Elliptisesti polarisoitunut aalto voidaan luoda esimerkiksi käyttämällä antenneja kahden ristikkäisen vibraattorin muodossa, joiden varsiin syötetään eri amplitudisia virtoja.

Tehokas vastaanotto edellyttää, että vastaanotetun aallon kentän polarisaatio ja vastaanottavan antennin polarisaatioominaisuudet vastaavat toisiaan. Kaavat (1.2) ja (1.3) ovat voimassa, jos sähkökentän ja vastaanottoantennin polarisaation luonne ja suunta ovat samat. Jos vastinetta ei löydy, vastaanottoantennin tehoa vähennetään ja korjaukset tehdään ilmoitettuihin kaavoihin. Esimerkiksi lineaarisella polarisaatiolla varustetun aallon tehokkaimman vastaanoton saamiseksi vastaanottoantennin värähtelijä on suunnattava yhdensuuntaisesti vektorin kanssa  . Jos vektorin suunta  kohtisuorassa vastaanottavan täryttimen akseliin nähden, vastaanottoa ei ole.

1.2. Avaruuden alue, joka on merkittävä leviämisen kannalta radioaallot Fresnel-vyöhykemenetelmä

Kentän muodostumiseen vastaanottoantennin B lähellä (kuva 1.3, a) vaikuttavat erilaiset vapaan tilan alueet, joiden läpi lähettimen A radioaallot kulkevat vaihtelevassa määrin. Säteilijä luo pallomaisen aallon, jonka jokainen etuosan elementti on jälleen pallomaisen aallon lähde. Uusi aallonpinta löytyy toissijaisten palloaaltojen verhokäyränä. Kenttä tietyllä etäisyydellä emitteristä määräytyy toissijaisten lähteiden kokonaisvaikutuksen perusteella. Suurin osa tästä määrästä tulee lähteistä
sijaitsee lähellä suoraa A B. Toissijaisten vierekkäisten emitterien toiminta, jotka sijaitsevat huomattavan etäisyyden päässä tästä suorasta, kompensoidaan keskenään.

Radioaaltojen leviämisen kannalta merkittävä alue, jota kutsutaan avaruuden osaksi, johon suurin osa energiasta jakautuu. Väliaineen epähomogeenisuudet (esim. aaltoreitillä olevat esteet) vaikuttavat kentän ominaisuuksiin vastaanottopisteessä, jos ne peittyvät etenemisen aikana merkittävällä alueella. Tällä alueella on kiertoellipsoidin konfiguraatio ja polttopisteet pisteissä A ja B (kuva 1.3, b). Ellipsoidin poikkileikkauksen säde etäisyydellä pisteestä A ja etäisyys r0 pisteestä B määräytyy yhtälöllä:

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

ja se voidaan laskea yhtälöstä,

missä on kokonaisluku.

Kutsutaan renkaan muotoista aluetta, joka on rakennettu tasolle S, joka on kohtisuorassa suoraa AB vastaan ​​ja jonka säteet Rn Fresnel-vyöhyke numerot n (kuva 1.3, c).

Jos aallon etenemisreitille asetetaan pyöreäreikäinen näyttö (ruudun taso on kohtisuorassa linjaa AB vastaan), niin kun reiän säde muuttuu (tai näyttö liikkuu polkua pitkin), kentänvoimakkuus piste B muuttuu ajoittain (kuva 1.4).

Riisi. 1.4. Kenttävoimakkuuden muutos ohi

näyttö pyöreällä reiällä

reiän säteen vaihtaminen R

(– ensimmäisen Fresnel-alueen säde)

Kentänvoimakkuus on suurin, kun näytössä olevan reiän säde on yhtä suuri kuin ensimmäisen Fresnel-vyöhykkeen säde ja Fresnel-vyöhykkeiden säteet seuraavilla parittomilla luvuilla. Suurella reikäkoolla (suurempi kuin kuudennen Fresnel-vyöhykkeen säde) kentänvoimakkuuden amplitudi pyrkii Em St (kuva 1.4), joten etenemisen aikana merkittävän alueen poikkileikkaussäteen katsotaan olevan yhtä suuri kuin Fresnel-vyöhykkeen säde numeroilla 6-10. Kuitenkin suuntaa antava
Laskelmissa olennaisen alueen kooksi voidaan usein ottaa ensimmäisen Fresnel-vyöhykkeen säde.

1.3. Itsetestauskysymykset

1. Mitkä ovat radioaaltokaistojen luokitukset? Anna nämä luokitukset.

2. Miksi on olemassa taipumus kehittää yhä korkeampia radioaaltojen taajuusalueita?

3. Mikä on radioviestintälinjojen suunnittelujärjestys?

4. Mitkä tekijät vaikuttavat radioaaltojen etenemisreittien tyyppeihin?

5. Kirjoita ihanteellisen radiolähetyksen kaava muistiin. Selitä se.

6. Millaisia ​​radioaaltojen polarisaatiotyyppejä on olemassa?

7. Miksi tehokas vastaanotto onko tarpeen ottaa huomioon vastaanotetun aallon polarisaation luonne ja vastaanottoantennin polarisaatio-ominaisuudet?

8. Mitä avaruuden osaa kutsutaan radioaaltojen leviämisen kannalta välttämättömäksi alueeksi?

9. Mitä tarkoitusta varten Fresnel-vyöhykkeiden käsite on otettu käyttöön?

10. Piirrä ja selitä kuvaaja läpinäkymättömän ruudun takana olevan kentänvoimakkuuden riippuvuudesta tämän ruudun reiän säteestä.

2. MAAN PINNAN VAIKUTUS RADIOAALTOJEN LEVENTÄMISEEN

2.1. Radioaaltojen absorptio eri tyyppisillä maan pinnalla

Radiolinkkien päätepisteet sijaitsevat useimmiten maanpinnan välittömässä läheisyydessä. Maan puolijohdepinnan läsnäolo saa radioaallot absorboitumaan ja heijastumaan, mikä toisinaan muuttaa aallon polarisaatiota. Kvantitatiivisesti nämä ilmiöt riippuvat maan pinnan sähköisistä parametreista: dielektrisyysvakiosta ε ja johtavuudesta (taulukko 2.1). ε:n arvot määritetään kokeellisesti maan pinnan radioaaltojen absorptiolla ja siitä heijastumisesta ja riippuvat maan pinnan rakenteesta, sen kosteudesta, kerroksesta, lämpötilasta sekä toimintataajuudesta.

Taulukosta 2.1 käy selvästi ilmi, että taajuuden kasvaessa (aallonpituuden pienentyessä) meren ja makean veden ε pienenee. Tämä ε:n lasku johtuu siitä, että vesimolekyylit ovat polaarisia eivätkä taajuuden kasvaessa ehdi orientoitua sähkökentän suuntaan.

Maaperä on monimutkainen dielektrinen aine, joka koostuu kiinteästä komponentista - kuivasta maaperästä ja nestemäisestä komponentista - suolojen vesiliuoksesta. ε:n ja nestekomponentin arvot ovat merkittävästi suurempia kuin kiinteän komponentin arvot, ja maaperän sähköiset parametrit määräytyvät pääasiassa nestekomponentin ominaisuuksien mukaan.

Radioaaltojen leviämisolosuhteille väliaineessa on tunnusomaista häviötangentti väliaineessa, numeerisesti yhtä suuri kuin johtavuus- ja siirtymävirtojen tiheyden suhde

Jos, niin siirtymävirta vallitsee väliaineessa ja sen ominaisuudet lähestyvät dielektristä. Jos siis väliaineessa vallitsee johtavuusvirta ja sen ominaisuudet lähestyvät johtimen ominaisuuksia. Johtovirtojen ja siirtymävirtojen tiheyksien yhtäläisyys tapahtuu tietyllä raja-aallonpituudella lgr. Kyllä, merivedelle

Siksi senttimetrialueen radioaalloilla merivettä voidaan pitää dielektrisenä. Märkälle maaperälle

Taulukko 2.1

Dielektrisyysvakion ja johtavuuden arvot tyypillisimmille maanpinnan tyypeille

Maan pinnan tai peitteen tyyppi

Aallonpituus, m

Merivesi(t = 20 0 C)

Tuore vesi joet, järvet

Märkä maaperä(t = 20 °C)

Kuiva maa (t = 20 °C)

Jää (t = -10 °C)

Lumi (t = -10° C)

Jäätynyttä maaperää

Taulukon jatko. 2.1

Märkää maaperää voidaan pitää dielektrisenä metri- ja lyhyemmillä aalloilla. Näin ollen senttimetriaalloilla kaikilla maan pinnan tyypeillä on lähellä ihanteellisen dielektrisen ominaisuudet.

Kun radioaallot etenevät puolijohtavassa väliaineessa, kentän amplitudi pienenee etäisyyden mukaan eksponentiaalisen lain mukaan ja vaihe muuttuu lineaarisesti. Puolijohtavassa väliaineessa yhden koordinaattiakselin suunnassa etenevän aallon kentänvoimakkuuden hetkellinen arvo kirjataan

jossa Em St määritetään kohdasta (1.1).

Suuruus α kuvaa väliaineen energiahäviötä ja sitä kutsutaan vaimennuskerroin. Fyysisesti häviöt aiheutuvat sähkömagneettisten aaltojen energian siirtymisestä molekyyliliikkeen lämpöenergiaksi. Arvo b (vaihekerroin) kuvaa aaltovaiheen muutosta. Nämä määrät voidaan kirjoittaa seuraavassa muodossa:

Tietyn vaiheen liikenopeus aallon etenemisen suunnassa nф, ns vaihenopeus, liittyy arvoon β:

Asenne

nimeltään taitekerroin ympäristöön.

Aallonpituus väliaineessa

Radioaaltojen absorptio väliaineessa arvioidaan integraalikertoimella G ja ilmaistaan ​​desibeleinä:

Lineaarinen absorptio ilmaistaan ​​desibeleinä metriä kohti:

Etäisyydet, joilla Em heikkenee kertoimella 10 6 (120 dB), kun radioaallot etenevät kosteassa maaperässä ja merivedessä, on esitetty taulukossa 2.2.

Taulukko 2.2

Etäisyydet, joilla vaimennus tapahtuu

Etäisyys, jolla Em-arvot vaimentuvat 120 dB, m

Märkä maaperä

Merivesi

Näin ollen radioviestintään maanpinnan tai meren paksuuden läpi (esimerkiksi viestintään vedenalaisten sukellusveneiden kanssa) voidaan soveltaa vain pitkiä ja ultrapitkiä aaltoja.

2.2. Tasoradioaaltojen heijastus ilman ja maan tasaisen pinnan rajalla

Sähkömagneettinen aalto, joka osuu tasaiselle kahden median väliselle rajapinnalle (kuva 2.1), heijastuu osittain tältä rajalta (ja tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma) ja kulkee osittain syvälle toiseen väliaineeseen. Siksi ensimmäisessä väliaineessa on saapuvia ja heijastuneita aaltoja, ja toisessa väliaineessa on taittunut aalto.

Riippuen vektorin suunnasta suhteessa maan pintaan, erotetaan kaksi polarisaatiotyyppiä - pysty- ja vaakasuuntainen. Pystypolarisaatiolla sähkökentän voimakkuusvektori on aallon tulotasossa, eli tasossa, joka on kohtisuorassa rajapintatasoon nähden ja kulkee tulevan aallon etenemissuunnan kautta (kuva 2.1, a). Kun vaakasuora

Riisi. 2.1. Heijastuskertoimen määrittäminen

polarisaatiossa sähkökentän voimakkuusvektori on yhdensuuntainen rajapintatason kanssa (kuva 2.1, b).

Fresnel-heijastuskyky on tulevan ja heijastuneen aallon kenttävoimakkuuksien kompleksisten amplitudien suhde määritettynä ihanteellisen tasaisella tasaisella rajapinnalla. Pysty- ja vaakasuoraan polarisoiduille aalloille, jotka saapuvat vapaasta tilasta puolijohteeseen, kertoimien Gv ja Gg arvot lasketaan kaavoilla:

missä θinsidenssi on aallon tulokulma rajapinnassa; F on sen vaihe.

Joissakin tapauksissa on tarpeen tietää toiseen väliaineeseen siirtyvän aallon kentänvoimakkuus tai teho. Tätä tarkoitusta varten konseptia käytetään lähetyskerroin F: . Läpäisykerroin voidaan ilmaista heijastuskertoimella G. Pystypolarisaatiolla

vaakapolarisaatiolla

2.3. Radioaaltojen heijastus karkealta pinnalta

Luonnolliset maanpeitteet edustavat harvoin täysin tasaista pintaa. Eniten vaikuttavat epäsäännöllisyydet ultralyhyiden ja erityisesti senttimetri- ja millimetriradioaaltojen heijastumisessa. Siksi käytännössä on tärkeää pystyä määrittämään epätasaisilta pinnoilta heijastuvan kentän ominaisuudet. Toisin kuin sileä pinta, karkea pinta luo heijastuneen signaalin paitsi tulokulmaa vastaavan heijastuskulman suunnassa, myös muihin suuntiin, myös vastakkaiseen suuntaan. Siksi epäsäännöllisyyksien esiintyminen johtaa tehokkaan heijastuskertoimen laskuun peilisäteen suunnassa.

Päätekijä heijastuneen kentän muodostumisessa on vaihesuhde, joka määräytyy aaltoreittien eron perusteella säteilylähteestä pintaelementteihin. Sironneella signaalilla voi olla tulevan aallon kanssa saman polarisaation omaavan komponentin lisäksi ortogonaalisen polarisaation komponentti. Sironneiden aaltojen kentänvoimakkuus lasketaan suurten epäsäännöllisyyksien tapauksessa Kirchhoff-menetelmällä ja pienten epäsäännöllisyyksien tapauksessa - häiriömenetelmällä.

Heijastetun aallon muodostumiseen vaikuttaa pääasiassa 1. Fresnel-vyöhykkeen rajoittama pinta-ala. Kun aalto normaalisti osuu pinnalle, 1. Fresnel-vyöhyke on ympyrä, jonka säde (katso (1.5)), kun se on vinossa, se on ellipsi, jonka pääakseli on pitkänomainen aallon etenemissuunnassa. . 1. Fresnel-vyöhykkeen ellipsin pienemmän ja suuren puoliakselin mitat ovat vastaavasti yhtä suuret:

missä ja ovat etäisyydet reitin päistä geometriseen heijastuspisteeseen; - aallon tulokulma (kuva 2.2, b).

Kuva 2.3. Näkölinjan etäisyys

ilman refraktiota ja ottaen huomioon

2.4. Maanpäällisten radioaaltojen etenemistapausten luokittelu

Maanpäällisten radioaaltojen kenttävoimakkuutta laskettaessa ilmakehä otetaan häviöttömänä väliaineena, jonka ε=1, ja lisäksi tehdään tarvittavat ilmakehän vaikutuksen huomioon ottavat korjaukset.

Maan pinnan vaikutus radioaaltojen etenemisolosuhteisiin voidaan vähentää kahteen tapaukseen: ensimmäinen - lähetin- tai vastaanottoantenni nostetaan korkealle (aallonpituusasteikolla) maan pinnan yläpuolelle, toinen - lähetys- ja vastaanottoantenni. ovat lähellä maapalloa.

Ensimmäisessä tapauksessa, joka on tyypillinen ultralyhyille ja osittain lyhyille radioaalloille, kenttävoimakkuuden laskentamenetelmä riippuu radiolinkin pituudesta verrattuna "näköetäisyyteen" (kuva 2.3), joka lasketaan kaavalla

jossa = 6,37 10 6 m on maan säde; ja - antennin nostokorkeudet, m.

Radiolinkin pituudella< <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при >0,8, kentänvoimakkuus lasketaan ottaen huomioon radioaaltojen diffraktio.

Toisessa tapauksessa, joka koskee pääasiassa keskipitkiä ja pitkiä aaltoja, joiden radiolinkin pituus on enintään: 300-400 km (λ:lle 200-20000 m); 50-100 km (λ:lle 50-200 m); 10 km (λ:lla 10-50 m) maan pintaa pidetään tasaisena. Pidemmillä radiolinkeillä kentänvoimakkuus lasketaan diffraktiolla.

2.5. Lähettimen kenttä nostettu tasaisen maanpinnan yläpuolelle

Tässä tapauksessa aalto saavuttaa maan pinnan merkittävällä (aallonpituusasteikolla) etäisyydellä emitteristä, ja aaltorintaman osuutta lähellä maan pintaa voidaan pitää tasaisena. Lyhyen matkan radiolinkillä< 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 häiriökaava

missä määritetään kohdasta (1.1),

Kulmat θ1 ja θ2 on esitetty kuvassa. 2.4. Trinomin juuria tässä kaavassa kutsutaan häiriötekijä.

Heijastuskerroin maan pinnasta Gv.g määritetään vastaavalle polarisaatiolle kaavoilla (2.7), (2.8). Heikosti suuntautuvilla antenneilla häiriökaava on yksinkertaistettu, koska laajalla kulman alueella D(θ2)/D(θ1) 1:

Maan pinnan läsnäolo muuttaa emitterikentän jakautumista pystytasossa. Emitteri-Maa-järjestelmän säteilykuvio on leikattu useilla terälehdillä, ja itse emitterin säteilykuvio F(θ) edustaa näiden terälehtien verhoa. Kuvassa 2.5 on esitetty tuloksena syntyneet säteilykuviot järjestelmien pystyvärähtelijästä - Maa (a) ja vaakavärähtelijä - Maa (b), kun emitteri nostetaan maaperän yläpuolelle, ihanteellisena eristeenä.

Käytännössä tärkeässä radioaaltojen leviämisen tapauksessa (θ pyrkii 90 0:aan) kaavaa (2.12) voidaan yksinkertaistaa edelleen. Ottaen huomioon, että tässä tapauksessa |Gv.g| 1, Fv.g (kuva 2.1), kentänvoimakkuus Em (V/m) riippuen

Riisi. 2.5. Yläpuolella olevien antennien säteilykuviot maan pintaan

etäisyys r (m), aallonpituus (m), antennin korkeus (m) ja teho P (W) määritetään ehdotetulla kaavalla B.A. Vvedensky:

Jos

silloin annetulla kaavalla tehty laskenta sopii hyvin mittaustuloksiin.

2.6. Lähellä tasaista maata sijaitsevan emitterin kenttä

pinnat

Täydellisesti johtavan pinnan vaikutus pystysuuntaiseen täryttimeen voidaan korvata samanpituisella kuvitteellisella täryttimellä, joka sijaitsee symmetrisesti päätäryttimeen nähden pintaan nähden (kuva 2.6). Sitten sähkökenttä kaukaisessa vyöhykkeessä suoraan pinnalla määritetään kaavalla

missä on oikean vibraattorin tehollinen pituus.

Tällaisen antennin säteilykuviolla on suurin säteily pitkin pintaa. Reunaehtojen mukaan vektori on suunnattu normaalisti pintaan nähden, ja siksi energian etenemisvektori on suunnattu yhdensuuntaisesti pinnan kanssa. Käytännössä havaitaan lähellä arvioituja olosuhteita, kun pitkät aallot etenevät merenpinnan yli.

Kun radioaaltojen lähde on vaakasuora värähtelijä, joka sijaitsee täydellisesti johtavan pinnan yläpuolella aallonpituutta paljon pienemmällä korkeudella, virran suunta vibraattorin peilikuvassa on päinvastainen kuin itse vibraattorissa oleva virta. Näiden värähtelylaitteiden luomat kentät lähellä pintaa kumoavat toisensa, ja tuloksena oleva kenttä on nolla. Jos maanpinnan johtavuus ei ole ihanteellinen, täydellistä kompensaatiota ei tapahdu, mutta vaakavärähtelijän kenttä on paljon heikompi kuin pystyvärähtelijän kenttä, joten pystyvärähtelijän käyttö kiinnostaa eniten.

Jos pinta, jonka lähellä pystysäteilijä sijaitsee (kuva 2.6b), ei ole ihanteellinen johdin, osa antennista etenevien radioaaltojen energiasta tunkeutuu syvälle maan pintaan. Näin ollen pintaa pitkin suunnatun komponentin P1g lisäksi on olemassa kohtisuoraan maan pintaan suunnattu komponentti P1v, jonka seurauksena kokonaisvektori P1 ei ole suunnattu maanpinnan suuntaisesti, ja näin ollen sähköinen kentänvoimakkuusvektori 1 on suunnattu maan pinnalle kulmassa, joka ei ole yhtä suuri kuin 90°, ja sähkökentän voimakkuuden pystykomponentin lisäksi siinä on vaakakomponentti E1r. Approksimaatioiden perusteella

Leontovitšin - Shchukinin rajaehdot (muodostaa yhteyden vektorien ja sähkön välille magneettikenttä ensimmäinen väliaine hyvin johtavan toisen väliaineen pinnalla, jossa on toisen väliaineen kompleksinen aaltoimpedanssi) saadaan suhde sähkökentän voimakkuuden kompleksisten amplitudien pysty- ja vaakakomponenttien välillä lähellä maan pintaa:

Komponentit ja kentät siirtyvät vaiheittain, mikä johtaa elliptiseen polarisaatioon. Tiukat rajaehdot muodostavat yhteyden ilmassa ja maassa olevien kenttäkomponenttien kompleksisten amplitudien välillä:

Homogeeninen reitti. Laskeaksesi Em1в suoraan pinnalla, kun emitteri on puolijohdepinnan lähellä sijaitseva vibraattori, käytä samanaikaisesti johdettua kaavaa M.V. Shuleikin ja B. van der Pol:

Riisi. 2.7. Radioaaltojen diffraktion laskeminen - kaavio

aallon eteneminen maapallon pallomaisella pinnalla

jossa määritetään (1.1); |W| - vaimennuskerroin, joka on parametrin funktio,

Arvoille > 25

|W| 1/. (2.17)

Heterogeeninen reitti. Kentänvoimakkuus epätasaisella tiellä, joka koostuu kahdesta osasta, joiden sähköiset parametrit eroavat jyrkästi esimerkiksi mereltä maalle siirrettäessä, määräytyy kaavalla (2.15), jossa vaimennuskerroin |W| lasketaan kahden kuvitteellisen homogeenisen reitin vaimennuskertoimien geometrisena keskiarvona: missä ja ovat (2.16) ja (2.17):llä lasketut vaimennuskertoimet pituudelta (+) parametrein ja ja ja. Laskettaessa otetaan parametrit ja, laskettaessa parametrit ja.

Rannikko taittuminen. Maan pinnan lähellä etenevän radioaallon vaihenopeus riippuu siitä
sähköiset parametrit. Kun radioaalto kulkee mereltä maalle (lähellä rantaviivaa), tapahtuu aallon etenemissuunnan muutos ns. rannikon taittuminen. Tämä aiheuttaa virheen radioaaltojen saapumissuunnan määrittämisessä, mikä on olennaista radionavigointijärjestelmien toiminnan kannalta.

2.7. Radioaaltojen diffraktio pallomaisen maan pinnan ympärillä

Radioaaltojen taipumista niiden etenemisreitillä kohtaavien esteiden ympärille kutsutaan diffraktio. Kun radiolinkin pituus ja antennien korkeus ovat sellaiset, että radioaaltojen leviämisen kannalta merkittävä alue (1. Fresnel-vyöhyke) on osittain tai kokonaan peitetty maanpinnan kuperalla, niin 1. Fresnel-vyöhyke tai seuraavien lukujen vyöhykkeet, jotka edustavat pallomaisten aaltojen lähteiden joukkoa, luovat säteilyä ei vain aallon alkuliikkeen suuntaan, vaan myös maan pinnan kuperuuden taakse.

Etäisyydet lähellä näkörajaa, kun 1. Fresnel-vyöhyke on vain osittain katettu, kutsutaan ns. penumbran alue(Kuva 2.7). Etäisyyksiä, joilla 1. Fresnel-vyöhyke on täysin peitetty, kutsutaan varjoalueeksi.

Varjoalueella kentänvoimakkuus Em (mV/m) lasketaan B:n ehdottaman kaavan mukaan .A. Focom:

jossa Em St määritetään kaavalla (1.1); G on vaimennuskerroin, joka on kolmen funktion tulo, G = U(x)V()V(), missä U(x) on lähettimen etäisyyden funktio, r (m); V() V() - lähetys- ja vastaanottoantennin korkeuden funktiot, tai jos funktiot ilmaistaan ​​desibeleinä, niin G (dB) on yhtä suuri

Funktioiden U(x) ja V(y) määrittämiseen käytetään kirjallisuudesta saatavilla olevia kuvaajia.

Näitä kaavioita käyttävät laskelmat tehdään pääasiassa VHF-kaistalle, jossa käytetään korkealle maanpinnan yläpuolelle kohotettuja antenneja. Kenttävoimakkuuden laskeminen pitkillä, keskisuurilla ja jopa lyhyillä aaltoalueilla, kun antennit sijaitsevat lähellä maan pintaa, on yksinkertaistettu, koska V() = V() = 1.

2.8. Itsetestauskysymykset

1. Kirjoita muistiin lauseke häviötangentin määrittämiseksi ja anna tarvittavat selitykset.

2. Millä radioaaltojen alueella maanpinnan siirtymävuon tiheys ylittää johtavuusvirtojen tiheyden?

3. Millä johtavuusvirroilla ja siirtymillä raja-aallonpituus määritetään?

4. Osoita puolijohtavan väliaineen radioaaltojen parametrien ominaisuudet.

5. Selitä, miksi vain pitkiä ja ultrapitkiä aaltoja voidaan käyttää radioviestintään vedenalaisten sukellusveneiden kanssa?

6. Mitkä kertoimet määräävät heijastuneiden ja taittuneiden aaltojen intensiteetin? Minkä tyyppisille polarisaatioille nämä kertoimet määritetään?

7. Selitä radioaaltojen heijastuksen piirteet karkealta pinnalta.

8. Missä olosuhteissa karkeaa pintaa voidaan pitää sileänä?

9. Luokittele maanpäällisten radioaaltojen etenemistapaukset ja selitä se.

10. Kirjoita muistiin häiriökaava ja nimeä sen soveltuvuuden ehdot.

11. Kirjoita Vvedenskyn kaava muistiin. Missä olosuhteissa kentänvoimakkuus voidaan laskea tällä kaavalla?

12. Selitä tasaisen maanpinnan lähellä sijaitsevan emitterin kentän piirteet.

13. Mitä komponentteja lähellä maan puolijohtavaa pintaa sijaitsevan pystyvärähtelijän kentässä on?

14. Kirjoita muistiin ja selitä Shuleikin-Van der Pol -kaava.

15. Ilmoita kentänvoimakkuuden laskemisen ominaisuudet epähomogeenisella reitillä, kun emitteri sijaitsee lähellä tasaista maanpintaa.

16. Millä aaltoalueella rannikon taittumisen aiheuttamilla virheillä emitterin koordinaattien määrittelyssä on merkittävä vaikutus?

17. Miten radioaaltojen diffraktio pallomaisen maan pinnan ympärillä otetaan huomioon laskettaessa kenttävoimakkuutta?

3. Troposfääri ja sen vaikutus radioaaltojen leviämiseen

3.1.Troposfäärin koostumus ja rakenne

Troposfääri- tämä on maan pintaa lähinnä oleva ilmakehän kerros, joka ulottuu 8-10 km:n korkeuteen polaarisilla leveysasteilla ja 16-18 km:n korkeuteen tropiikissa. Troposfääri sisältää jopa 4/5 ilmakehän muodostavien kaasujen massasta ja melkein koko vesihöyryn määrän.

Sähköisesti troposfääri on hyvin epähomogeeninen väliaine, jonka seurauksena radioaaltojen liikeradat taipuvat siinä, ja näin ollen aallon saapumissuunta ja kentänvoimakkuus muuttuvat tietyllä etäisyydellä.

Jotta voidaan ottaa huomioon troposfäärin vaikutus radioaaltojen etenemiseen, on tarpeen tietää troposfääriin tulevien kaasujen fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien määrittämät muutosmallit ja. Troposfäärin suhteellinen kaasukoostumus pysyy vakiona koko korkeuden ajan, vain vesihöyryn pitoisuus muuttuu, mikä riippuu sääolosuhteista ja pienenee korkeuden mukana.

Normaali troposfääri kutsutaan sellaista hypoteettista troposfääriä, jonka ominaisuudet heijastavat todellisen troposfäärin keskimääräistä tilaa. Normaalille troposfäärille on tunnusomaista seuraavat ominaisuudet: paine maan pinnalla (p = 0,1013 MPa), lämpötila (T = 288 K) ja suhteellinen kosteus(S = 60 %). Korkeuden kasvaessa jokaista 100 metriä kohden paine laskee 1,2 kPa ja lämpötila 0,55 K. Normaalin troposfäärin rajana pidetään 11 ​​km:n korkeutta.

3.2 Troposfäärin dielektrisyysvakio ja taitekerroin

Troposfäärin (ilman) suhteellista dielektrisyysvakiota voidaan pitää vain suunnilleen yhtä suurena kuin yksikkö. Todellisuudessa arvo on hieman suurempi kuin yksikkö ja riippuu paineesta p (Pa), lämpötilasta T (K) ja ilman absoluuttisesta kosteudesta e (Pa)

Toinen termi kohdassa (3.1) ilmaisee muutoksen, joka johtuu sähkövarausten siirtymisestä ei-polaarisissa kaasumolekyyleissä, jotka muodostavat ilman, ulkoisen kentän ja vesihöyryn polaaristen molekyylien suunnan vaikutuksesta.

Troposfäärin taitekerroin

ja se liittyy troposfäärin suuruuteen lausekkeella

Maan pinnalla n:n arvo on ilmasto-olosuhteista riippuen 1,00026-1,00046. Laskennassa on kätevämpää käyttää määrää nimeltä troposfäärin alentunut taitekerroin, N = (n-l) 10 6, maapallolla N = 260 460.

Normaalissa troposfäärissä korkeuden muutos maanpinnan yläpuolella h (m) noudattaa eksponentiaalista lakia

missä з = 5,78 on poikkeama yksiköstä maan pinnalla; - pystysuora gradientti, kun h = 0.

Eksponentiaalinen riippuvuus korkeudesta havaitaan, kun keskiarvoistaa huomattava määrä havaintoja, kun taas yksittäiset ominaiskäyrät poikkeavat tästä laista jossain määrin. Poikkeamat ovat erityisen suuria kesäkausi 2-3 km korkeudessa, missä havaitaan voimakkaita pilvikerroksia ja toistuvia lämpötilan ja kosteuden käänteisiä muutoksia. Melkein aina on suhteellisen pieniä vaihteluita suhteessa turbulentin ilmanliikkeen aiheuttamaan eksponentiaaliseen riippuvuuteen.

Näitä vaihteluja pidetään troposfäärin epähomogeenisuuksina. Pienten epähomogeenisuuksien koot määräytyvät useiden metrien tai useiden kymmenien metrien verran ja poikkeama keskiarvosta N on DN = l 2. Pienet epähomogeenisuudet muuttuvat jatkuvasti, ilmaantuvat ja katoavat. Keskimääräiset N-arvot vaihtelevat vuodenaikojen ja vuorokauden aikana, ja nämä muutokset ovat maksimissaan lähellä maan pintaa ja putoavat lähes nollaan 7-8 kilometrin korkeudessa. Maan pinnan N-arvojen maksimiarvot havaitaan heinäkuussa, minimit tammikuussa.

Pinta-N-arvojen kausivaihteluun liittyy vastaavat muutokset g:ssä. G-gradienttien arvot ja niiden muutokset ovat erityisen suuria pintakerroksessa ja pienenevät korkeuden mukana. Arvot ja g riippuvat reitin maantieteellisestä sijainnista ja muuttuvat itse reitin varrella.

Ilman pintakerroksessa laskelmien yksinkertaistamiseksi on mahdollista lähentää eksponentiaalinen muutoslaki korkeudella - lineaarinen

Tehokas pystysuora dielektrinen gradientti otetaan käyttöön troposfäärin läpäisevyys, joka edustaa gradienttivakiota korkeudessa, jossa kentänvoimakkuus vastaanottopisteessä on sama kuin reitin varrella tapahtuvan todellisen muutoksen tapauksessa.

Keskimääräinen gradienttiarvo saadaan useiden mittausten tilastollisen käsittelyn tuloksena. Arvot noudattavat normaalijakaumaa keskihajonnan kanssa. Keskiarvot (1/m) ja standardipoikkeamat (1/m) eri ilmasto-alueilla kesäaika, kun nämä arvot ovat maksimiarvoja, vaihtelevat seuraavilla alueilla välillä - 11. On karttoja, joissa on isolineja alentuneen taitekertoimen kuukausittaisista keskiarvoista merenpinnan tasolla.

Troposfäärin dielektrisyysvakio voidaan määrittää mittaamalla ilman lämpötilaa, painetta ja kosteutta lentokoneisiin tai luotainilmapalloihin asennettujen laitteiden avulla.

3.3. Radioaaltojen taittuminen troposfäärissä

Taittuminen Sitä kutsutaan radioaallon liikeradan kaarevuudeksi, kun se etenee epähomogeenisessa väliaineessa. Taittumisilmiö troposfäärissä selittyy dielektrisyysvakion ja vastaavasti taitekertoimen n muutoksilla korkeuden mukaan.

Radioaallon liikeradan kaarevuussäde troposfäärissä (jättämättä maan pinnan kaarevuuden huomioimatta) voidaan määrittää kaavalla:

missä on aallon tulokulma taittorajapinnalla;

dn/dh - taitekerroingradientti.

Taitekertoimen gradientin miinusmerkki tarkoittaa, että kaarevuussäde on positiivinen ja aallon liikerata on kupera ylöspäin taitekertoimen pienentyessä korkeuden mukana.

Ottaen huomioon, että n l, ja eniten mielenkiintoinen tapaus litteät säteet sin 1, meillä on:

Kohdasta (3.3) seuraa, että radioaallon liikeradan kaarevuussäde troposfäärissä ei määräydy taitekertoimen itseisarvon perusteella, vaan sen muutosnopeuden mukaan korkeuden mukaan.

Normaalissa troposfäärissä, jolle on tunnusomaista jatkuva taitekertoimen gradientti, maan pintaan nähden pienissä kulmissa kulkevien radioaaltojen liikeradat ovat ympyränkaarien muotoisia, joiden säde on R = 25 000 km.

Normaalissa troposfäärissä tapahtuvaa taittumaa kutsutaan normaali troposfäärin taittuminen.

Troposfäärin taittumisen vaikutuksen huomioon ottaminen indikaattorin N lineaarisella riippuvuudella korkeudesta suoritetaan yksinkertaistetulla tavalla käyttämällä Maan Re:n ekvivalenttia sädettä. Oletetaan, että taittuvat radioaallot eivät etene kaarevia liikeratoja pitkin epähomogeenisessa väliaineessa, kuten todellisissa olosuhteissa, vaan suoraviivaisia ​​lentoratoja pitkin homogeenisessa väliaineessa jonkin kuvitteellisen pinnan yli, jonka kaarevuussäde Re ei ole yhtä suuri kuin säde Maan pituus: Ro = 6370 km (kuva 3.1).

Lisäksi oletetaan, että todellisissa ja vastaavissa tapauksissa radioaaltojen liikeradat kulkevat samalla korkeudella pinnan yläpuolella saman etäisyyden päässä emitteristä. Sitten maapallon vastaava säde on annettu

Normaalille taiteelle dN/dh -40 1/km ja Re = 8500 km.

Maan ekvivalenttisäteen käsitteen tärkeimmät käyttötapaukset ovat seuraavat.

Näkölinjan etäisyys, jossa otetaan huomioon taittuminen, määritetään kaavalla

Normaalin taittumisen olosuhteissa

missä on etäisyys metreinä; - antennin korkeus metreinä.

Normaalilla taitolla näköetäisyys kasvaa 15 %.

Troposfäärin erilaisten meteorologisten olosuhteiden vaikutuksesta taitekertoimessa voi tapahtua muutos korkeuden myötä, mikä on merkittävästi erilainen kuin normaalin taittumisen esiintymisen määräävät olosuhteet. Tämän mukaisesti taittuminen voi olla negatiivinen, puuttuva tai positiivinen (kuva 3.2).

Negatiivisella taitolla N ei pienene, kuten tavallisesti, korkeuden myötä, vaan päinvastoin kasvaa, eli dN/dh>0. Tässä tapauksessa R<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от поверхности Земли.

Jos N pysyy vakiona korkeuden muuttuessa, taittumaa ei ole.

Käytännössä yleisimmät tapaukset ovat, kun N pienenee korkeuden mukana, eli dN/dh<0. Траектория радио­волны в этом случае обращена выпукло­стью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция под­разделяется на vähennetty(radioaallon liikeradan kaarevuussäde on suurempi kuin normaalilla taitolla), normaali, lisääntynyt(radioaallon liikeradan kaarevuussäde on pienempi kuin normaalilla taitolla), kriittinen(radioaaltoreitin kaarevuussäde on yhtä suuri kuin maapallon säde) ja superrefraktio(radioaallon liikeradan kaarevuussäde on pienempi kuin maapallon säde).

Riisi. 3.2. Radioaaltojen taittumisen tyypit troposfäärissä:

1 - negatiivinen taittuminen; 2 – positiivinen taittuminen; 3 – kriittinen taittuminen; 4 - superrefraktio

Superrefraktiolla pienissä korkeuskulmissa lähetetyt radioaallot kokevat täydellisen sisäisen heijastuksen troposfäärin alemmissa kerroksissa ja palaavat maan pinnalle. Peräkkäisten heijastusten avulla maan pinnalta radioaallot voivat kulkea huomattavia matkoja "näkölinjan" ulkopuolelle.

3.4. Radioaaltojen absorptio troposfäärissä

Pitkät, keskipitkät ja lyhyet radioaallot eivät koe absorptiota troposfäärissä.

Alle 10 cm:n aalloilla radiotaajuisen energian vaimennus troposfäärissä alkaa lisääntyä huomattavasti. Tämä johtuu pisaroiden tai hydrometeorien imeytymisestä ja sironnasta (pääasiassa sade, sumu; vähemmän rakeita, lunta) sekä kiinteitä hiukkasia (pöly, savu jne.). Absorption aiheuttavat lämpöhäviöt vedessä tai pölyhiukkasissa ja hajaantuminen aiheutuu energian uudelleenjakautumisesta avaruudessa.

Jos aalto kulkee polkua r troposfäärissä ja sadevyöhykkeen välillä on etäisyys, niin sadevyöhykkeen Em oc takana oleva kentänvoimakkuus määritetään kaavalla:

missä Em on kentänvoimakkuus vapaassa tilassa etäisyydellä r emitteristä (1.1);

Гoc - vaimennuskerroin, dB/m.

Vaimennuskertoimen Гoc riippuvuus aallonpituudesta sentti- ja millimetriaaltojen etenemisen aikana sateessa ja sumussa on esitetty (Kuva 3.3).

Senttimetriset radioaallot sirottavat sade- ja sumupisarat, mikä johtaa heijastuneiden tutkasignaalien esiintymiseen. Sateen ja pilvien heijastuneet signaalit vievät suuren alueen tutka-asemien näytöillä, mikä häiritsee näiden asemien normaalia toimintaa. Sateen heijastusten vähentämiseksi tutka-asemat käyttävät ympyräpolarisoituja radioaaltoja.

Riisi. 3.4. Hapen ja vesihöyryn absorptiokertoimen riippuvuus aallonpituudesta

Alle 3 cm:n radioaallot kokevat myös hapen ja vesihöyryn molekyyliabsorptiota, mikä havaitaan jopa "puhtaassa" ilmakehässä ja johtuu energian kulutuksesta atomien virittämiseen. Vaimennuskerroin voidaan määrittää käyttämällä kaavioita (kuva 3.4) ja kentänvoimakkuus Em etäisyydellä voidaan laskea kaavalla:

Voimakkain absorptio havaitaan aalloilla 0,25; 0,5; 1,35 cm - nämä aallot eivät sovellu työhön. Ilmakehän "läpinäkyviä ikkunoita" on saatavana lähellä aaltoja, joiden pituus on 0,4 ja 0,8 cm - näitä aaltoja suositellaan työhön senttimetrialueella.

3.5. Itsetestauskysymykset

1. Selitä troposfäärin koostumuksen ja rakenteen piirteet.

2. Mikä on normaali troposfääri?

3. Miten troposfäärin dielektrisyysvakio liittyy sääolosuhteisiin?

4. Mikä on pienten epähomogeenisuuksien luonne troposfäärissä?

5. Miten selittää taittumisilmiön esiintyminen troposfäärissä.

6. Miten aallon radan kaarevuussäde riippuu dielektrisyysvakiosta?

7. Miksi maan ekvivalenttisäteen käsite otetaan käyttöön?

8. Mitä ehtoja tarvitaan radioaaltojen supertaittumisen esiintymiselle?

9. Millaisia ​​taittumia on olemassa? Selitä kunkin tyypin ominaisuudet.

10. Mistä tekijöistä johtuu radioaaltojen absorptio troposfäärissä?

11. Mikä on ilmakehän "avoimuuden ikkuna"?

4. IONOSFERI JA SEN VAIKUTUS RADIOAALLOJEN LEVENTÄMISEEN

4.1. Kaasun ionisaatio ja rekombinaatio ionosfäärissä

Ionosfääri on 60-10 000 km:n korkeudella sijaitseva ilmakehän alue, jossa kaasu on osittain tai kokonaan ionisoitunut eli sisältää suuren määrän vapaita elektroneja. Vapaiden elektronien läsnäolo ilmakehän ylemmissä kerroksissa määrittää ionisoidun kaasun sähköiset parametrit - sen dielektrisyysvakion ja johtavuuden.

Ilmatilavuusyksikköön sisältyvien elektronien lukumäärää kutsutaan elektronitiheys ().

Ionosfäärin elektronien ja ionien tiheydet eivät ole korkeudeltaan vakioita, mikä johtaa radioaaltojen taittumiseen ja heijastumiseen ionosfäärissä.

Ionisoidun kaasun volumetriset epähomogeenisuudet aiheuttavat radioaaltojen sirontaa. Nämä ilmiöt määräävät olosuhteet radioaaltojen etenemiselle ionosfäärissä ja joissain tapauksissa niitä voidaan käyttää, toisissa ne on otettava huomioon radiolinkkejä käytettäessä. Tältä osin syntyi tarve tutkia ionosfäärin rakennetta ja sen säännöllisiä ja satunnaisia ​​muutoksia.

Ionosfääri kokonaisuudessaan on lähes neutraali, eli siinä olevien positiivisten ja negatiivisten varausten määrät ovat yhtä suuret. Kaasun koostumus tällä ilmakehän alueella poikkeaa kaasun koostumuksesta lähellä maan pintaa: molekyylihapen ja typen lisäksi on näiden aineiden atomeja, eivätkä kaasut sekoitu ja ovat kerroksittain. niiden molekyylipainon mukaisesti.

Kaasun lämpötila, alkaen korkeudelta h = 80 km, nousee vähitellen ja saavuttaa 2000-3000 K kohdassa h = 500-600 km. Lämpötilan nousu ionosfäärialueen korkeudella selittyy sillä, että täällä oleva ilma lämmitetään suoraan Auringon säteilyllä.

Maan ilmakehän pääasiallinen ionisaatiolähde on alle 0,1 mikronin pituiset auringonsäteilyn sähkömagneettiset aallot - ultraviolettialueen alaosa ja pehmeät röntgensäteet sekä Auringon lähettämät varautuneiden hiukkasten virrat. Ultravioletti ja röntgensäteet tuottavat ionisaatiota vain maapallon valaistulla osalla ja voimakkaammin päiväntasaajan alueilla. Varautuneet hiukkaset liikkuvat spiraaliviivoja pitkin magneettisuuden suuntaan sähkölinjat maapallon magneettinapoihin ja tuottaa ionisaatiota pääasiassa napa-alueilla. Uskotaan, että hiukkasvirran ionisoiva vaikutus on enintään 50 % Auringon ultraviolettisäteilyn ionisoivasta vaikutuksesta.

Auringon lisäksi tähdet ovat ionisoivan säteilyn lähteitä, erityisesti ne, joilla on korkea lämpötila (noin 20 000 ° C) ja jotka luovat voimakasta ultraviolettisäteilyä. Mutta tähtien suuresta etäisyydestä johtuen niiden säteilyn ionisoiva vaikutus on noin 0,001 osa Auringon ionisoivasta vaikutuksesta. Ionisaatiota aiheuttavat myös meteorit, jotka tunkeutuvat maan ilmakehään nopeudella 11-73 km/s. Sen lisäksi, että meteorit lisäävät keskimääräistä ionisaatiotasoa, ne luovat paikallista ionisaatiota: meteorin taakse muodostuu ionisoituneen kaasun pylväs, joka laajenee ja haihtuu nopeasti ilmakehässä yhdestä useaan sekuntiin. Tällaisia ​​ionisoituneita meteoripolkuja muodostuu 80-120 km:n korkeudessa maanpinnan yläpuolella.

Samalla kun uusia elektroneja ilmaantuu ionosfääriin, osa olemassa olevista elektroneista katoaa ja yhdistyy positiivisiin ja neutraaleihin molekyyleihin. Tässä tapauksessa muodostuu neutraaleja molekyylejä ja negatiivisia ioneja.

Varautuneiden hiukkasten yhdistämisprosessia ja neutraalien molekyylien muodostamista kutsutaan rekombinaatio.

Kun ionisaatiolähde lakkaa toimimasta, elektronitiheys pienenee hyperbolisen lain mukaan. Siksi auringonlaskun aikaan ionisaatio ionosfäärin alemmissa kerroksissa ei katoa välittömästi, mutta ylemmissä kerroksissa se jatkuu koko yön.

4.2. Ionosfäärin rakenne

Yleiskuva elektronitiheyden jakaumasta korkeudella h maanpinnan yläpuolella on esitetty (Kuva 4.1). 250-400 km:n korkeudessa on pääionisaatiomaksimi. Pääionisaatiomaksimin alapuolella olevaa ionosfäärin aluetta kutsutaan yleensä nimellä sisäinen ionosfääri, ja ionosfäärin alue päämaksimin yläpuolella - ulkoinen ionosfääri. Sisäinen ionosfääri on tutkituin.
Sisä-ionosfäärissä on useita heikkoja elektronikonsentraation maksimiarvoja, joita kutsutaan tavanomaisesti kerroksiksi (alueiksi), joita yleensä merkitään symboleilla D, E, F1 ja F2. Ionosfäärin alueilla D, E ja F1 on melko korkea vakioisuus, mikä ilmenee siinä, että elektronipitoisuuden päivittäinen vaihtelu ja niiden sijainnin korkeus pysyvät lähes muuttumattomina. Pimeyden tullessa alueet D ja F1 katoavat nopean rekombinaation vuoksi. Samanaikaisesti alueen E elektronipitoisuus pysyy vakiona koko yön.

F2-alueella elektronipitoisuus ja maksimin korkeus vaihtelevat merkittävästi päivästä toiseen. Lisäksi ionisaatio on erilainen kesällä ja talvella. Talvella (pohjoisella pallonpuoliskolla) elektronipitoisuus tällä alueella kasvaa. F2-alueen elektronipitoisuuden päivittäinen vaihtelu riippuu myös geomagneettisesta leveysasteesta (etäisyys kaariasteina Maan magneettisesta ekvaattorista havaintopisteeseen).

Ionosfääri on heterogeeninen myös vaakasuunnassa. Elektronitiheyden suurimmat vaakagradientit havaitaan auringonlaskun ja auringonnousun aikana, mutta ne ovat huomattavasti pienempiä kuin pystysuorat gradientit.

Ionosfäärin tarkasteltavien säännöllisten alueiden rinnalle muodostuu joskus 95-125 km korkeudessa ns. satunnainen kerros E (kerros), jossa elektronipitoisuus on useita kertoja suurempi kuin alueen E pitoisuus. keskileveysasteilla muodostuu useammin päiväsaikaan kesäkuukausina. Napa-alueilla kerros näkyy pääasiassa yöllä.

Koska auringon säteily on Maan ilmakehän pääasiallinen ionisaatiolähde, Auringon aktiivisuus riippuu
ja ionisaatioprosessi. On havaittu, että Auringon aktiivisuus muuttuu 11 vuoden jaksolla. Auringon aktiivisuuden kriteeri on auringonpilkkujen suhteellinen lukumäärä, joka kuvaa korkeimman lämpötilan omaavaa Auringon pinta-alaa. Tällä hetkellä on kehitetty menetelmiä ennustaa auringonpilkkujen lukumäärää moniksi vuosiksi etukäteen ja tarkemmin tuleviksi vuosiksi. Auringonpilkkujen määrän ennustaminen on tärkeää, koska ionosfäärin elektronitiheys korreloi auringonpilkkujen keskimääräisen kuukausimäärän kanssa. Maksimielektronipitoisuus kasvaa 1,4-3 kertaa siirryttäessä auringon aktiivisuudesta minimiin.

Ionosfäärin säännöllinen kerrosrakenne häiriintyy toisinaan, ja nämä häiriöt johtuvat Auringon aktiivisuuden muutoksista, joita havaitaan erityisen usein aurinkoaktiivisuuden enimmäisvuosina. Auringossa aika ajoin tapahtuvat soihdut aiheuttavat varautuneiden hiukkasten virtojen purkauksen, jotka tulevat maan ilmakehään ja häiritsevät ionosfäärin normaalia ionisaatiojärjestelmää. Ionosfäärin rakennetta häiritsevät myös maankuoressa ja ilmakehän alemmissa kerroksissa tapahtuvat prosessit esimerkiksi tulivuorenpurkauksissa.

Riisi. 4.1. Sähköinen jakelu

tiheys ilmakehän korkeuden mukaan

Ionisaation muutokseen liittyy muutos Maan magneettikentässä ja tätä ilmiötä kutsutaan ionosfäärinen - magneettinen myrskyt Ionosfäärisen magneettisen myrskyn aikana elektronitiheys pienenee kerroksen F alueella. Tämän tyyppiset häiriöt voivat kestää useista tunnista kahteen päivään ja niitä esiintyy pääasiassa napa-alueilla.

Auringossa esiintyy ajoittain voimakkaan ultraviolettisäteilyn välähdyksiä, jotka aiheuttavat alemman ionosfäärin lisääntynyttä ionisaatiota kerroksessa D. Tämä ilmiö voi kestää useista minuuteista useisiin tunteihin ja esiintyy vain maapallon valaistulla puolella.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että ionosfäärin elektronitiheyden keskiarvojen säännöllisten ja epäsäännöllisten muutosten lisäksi esiintyy jatkuvia elektronitiheyden vaihteluita. Ionosfäärissä kondensaatioita ja ionisaatiotiheyden hajoamista tapahtuu jatkuvasti, epäsäännöllisesti sekä ajallisesti että pisteestä toiseen. Lisäksi tuulen vaikutuksesta ionosfäärin koko heterogeeninen rakenne liikkuu. Syitä epäsäännöllisyyksien muodostumiseen ionosfäärissä ovat turbulenttinen ilman liike ja ionisaation epähomogeenisuus.

Epäsäännöllisyydet ovat alueita, joiden elektronitiheys eroaa keskimääräisestä elektronitiheydestä tietyllä ionosfäärin korkeudella. Epähomogeenisuuksien koko 60-80 km korkeudella kerroksessa D on useita kymmeniä metrejä, kerroksen E korkeudella - 200-300 m ja kerroksessa F epähomogeenisuuksien koko on useita kilometrejä, ja niillä on pitkänomainen muoto ja venytetään jatkuvan magneettikentän voimalinjoja pitkin.

Epähomogeenisuuksien elektronitiheyden poikkeama elektronitiheyden keskiarvosta tietyllä korkeudella on (0,1 - 1) %; kaoottisen liikkeen nopeus 1-2 m/s.

4.3. Ionisoidun kaasun (plasman) dielektrisyysvakio ja johtavuus

Ionisoidun kaasun suhteellinen dielektrisyysvakio eroaa yksiköstä johtuen siitä, että kulkevan aallon sähkökentän vaikutuksesta elektronit siirtyvät suhteessa tasapainoasemaansa ja kaasu polarisoituu. Elektronien lisäksi ionosfääri sisältää ioneja ja neutraaleja molekyylejä, joissa tapahtuu satunnaista lämpöliikettä. Törmääessään raskaiden hiukkasten kanssa elektronit siirtävät niihin sähkömagneettisesta aallosta saadun energian. Törmäysten aikana tämä energia muuttuu raskaiden hiukkasten lämpöliikkeen energiaksi, mikä johtaa radioaaltojen absorptioon ionisoituun kaasuun.

Dielektrisyysvakio ja ionisoidun kaasun ominaisjohtavuus määritetään lausekkeilla

missä on elektronin massa (9,109 10 -31 kg); e - elektronin varaus (1,60 10 -19 C); - elektronin ja raskaiden hiukkasten törmäysten lukumäärä 1 sekunnissa, joka määräytyy hiukkasten lämpöliikkeen perusteella; Ne - elektronitiheys, cm -3.

Korkeilla taajuuksilla, kun 2 >> 2, 2:n arvo voidaan jättää huomiotta verrattuna 2:een. Sitten lausekkeet niiden korvaamisen huomioon ottamiseksi numeerisia arvoja e, voimme kirjoittaa:

Sähkömagneettisen aallon taajuutta (kHz) käyttämällä on kätevää kirjoittaa kaava e:lle tässä muodossa:

Tämä on peruslaskentakaava määrittämiseen ionisoidun kaasun suhteellinen dielektrisyysvakio. Ilmeisesti merkittävällä elektronitiheydellä kaasun dielektrisyysvakio voi osoittautua nollaksi.

Taajuus, jolla ehto e = 0 täyttyy,

nimeltään ionisoidun kaasun luonnollinen taajuus tai Langmuir-taajuus ja se on ionisoidun kaasun parametri, joka on kätevä radioaaltojen etenemisolosuhteiden arvioinnissa.

Lauseke (4.3) voidaan kirjoittaa uudelleen eri tavalla käyttämällä ionisoidun kaasun ominaistaajuuden käsitettä:

klo< относительная диэлектриче­ская проницаемость e оказывается alle nolla. Tämä tarkoittaa, että taitekerroin on kuvitteellinen suure. Tällaisessa ympäristössä sähkömagneettiset värähtelyt eivät leviä ja heikkenevät nopeasti.

4.4 Radioaaltojen etenemisnopeus ionisoidussa

kaasu (plasma)

Ionisoidun kaasun dielektrisyysvakio on pienempi kuin yksikkö ja riippuu värähtelytaajuudesta, joten radioaaltojen etenemisnopeus ionisoidussa kaasussa riippuu toimintataajuudesta. Kutsutaan ympäristöjä, joissa radioaaltojen etenemisnopeus riippuu taajuudesta hajaantumista. Dispersiivisissä väliaineissa erotetaan radioaaltojen etenemisen vaihe- ja ryhmänopeudet. Nopeutta, jolla aaltorintama liikkuu, kutsutaan vaihenopeudeksi. Eristeen ominaisuuksia lähestyvien väliaineiden vaihenopeus määräytyy (2.6). Siksi ionisoidulle kaasulle ottamatta huomioon lausekkeen (4.5) mukaisia ​​häviöitä

(4.6)

Aallon vaihenopeus ionisoidussa kaasussa on suurempi kuin valon nopeus vapaassa tilassa. Signaalin etenemisnopeus ei kuitenkaan voi olla suurempi kuin valon nopeus vapaassa tilassa. Signaalit, joiden kesto on rajallinen ja jotka sisältävät useita kokonaisia ​​värähtelyjaksoja (aaltoryhmä), etenevät ryhmänopeudella. Signaalin harmoniset komponentit dispersiivisessä väliaineessa etenevät eri vaihenopeuksilla, mikä johtaa signaalin vääristymiseen.

Alla ryhmän nopeus ymmärtää signaalin maksimiverhokäyrän etenemisnopeuden. Ryhmän nopeus on suhteessa faasinopeuteen ionisoidun kaasun suhteen

Kun toimintataajuus lähestyy ionisoidun kaasun ominaistaajuutta (a), ryhmänopeus pienenee (a0) ja vaihenopeus kasvaa jyrkästi ().

4.5. Radioaaltojen absorptio ionisoituun kaasuun (plasmaan)

Radioaaltojen vaimennuskerroin ionisoidussa kaasussa määritetään kaavalla (2.2), johon on korvattu arvot e arvosta (4.1) ja g arvosta (4.2).

Radioaaltojen absorptio liittyy elektronien törmäyksiin molekyylien ja ionien kanssa sekä siirtymiseen sähkömagneettista energiaa raskaiden hiukkasten liikkeen lämpöenergiaksi. Tässä prosessissa sähkömagneettisten värähtelyjen jakson (T=1/) ja elektronin kahden molekyylien tai ionin törmäyksen välisen keskimääräisen ajan välinen suhde on tärkeä. Matalilla taajuuksilla T>:ssa sähkömagneettisen aallon energia siirtyy elektronista raskaaseen hiukkaseen pienissä erissä, pisteessä 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 elektromagneettinen kenttä ja hiukkasten lämpöliike, ja absorptio lisääntyy merkittävästi. Siksi absorptiokertoimen taajuusriippuvuutta kuvataan käyrällä (kuva 4.2), jonka maksimi taajuusalueella on lähellä arvoa, eli havaitaan resonanssiilmiö. Ionosfäärin alemmissa kerroksissa 10 7 1/s ja ehto = / täyttyy aalloilla, joiden pituus on noin 200 m. Siksi lyhyellä aaltoalueella absorptio vähenee taajuuden kasvaessa ja aaltoalueella pidempi. yli 200 m, absorptio kasvaa taajuuden kasvaessa.

Riisi. 4.3. Kaavio radioaaltojen heijastuksesta ionosfääristä

4.6. Radioaaltojen taittuminen ja heijastus ionosfäärissä

Huomattava elektronitiheys ilmaantuu ilmakehään noin 60 km:n korkeudesta alkaen. Lisäksi ionosfäärin elektronitiheys muuttuu korkeuden mukaan maanpinnan yläpuolella, ja tämän seurauksena ionosfäärin sähköiset ominaisuudet ovat heterogeeniset korkeuden kanssa.

Kun radioaalto etenee epähomogeenisessa väliaineessa, sen liikerata on taipunut. Riittävän suurella elektronitiheydellä aallon liikeradan kaarevuus voi olla niin voimakas, että aalto palaa maan pinnalle jonkin matkan päässä säteilypaikasta, eli radioaalto heijastuu ionosfääriin.

Maan pinnalta ionosfääriin lähetettyjen radioaaltojen heijastus ei tapahdu ilmaionisoidun kaasun rajalla, vaan ionisoidun kaasun paksuudessa. Heijastumista voi tapahtua vain sillä ionosfäärin alueella, jossa dielektrisyysvakio pienenee korkeuden mukana, ja siksi elektronitiheys kasvaa korkeuden mukana, eli ionosfäärikerroksen maksimielektronitiheyden alapuolella.

Heijastusehto suhteuttaa aallon tulokulman ionosfäärin alarajalla dielektrisyysvakioon itse ionosfäärin paksuudessa e n korkeudella, jossa aallot heijastuvat (kuva 4.3):

Mitä suurempi N e:n arvo on, sitä pienempien kulmien heijastus on mahdollista. Kulmaa, jossa heijastus on edelleen mahdollista tietyissä olosuhteissa, kutsutaan kriittinen kulma.

Lausekkeesta (4.8) voimme määrittää toimintataajuuden, jolla aallot heijastuvat ionosfääristä tietyn elektronitiheyden ja tulokulman tapauksessa:

Jos aalto tavallisesti osuu ionosfääriin, niin

Normaalilla aallontulolla heijastus tapahtuu korkeudella, jossa toimintataajuus on yhtä suuri kuin ionisoidun kaasun luonnollinen taajuus ja siten e=0. Vinotulossa korkeataajuiset radioaallot voivat heijastua tällä korkeudella. Niin kutsuttu sekanttilaki, joka koostuu siitä, että vinotuloksella aalto heijastuu taajuudella, joka on sekuntia kertaa suurempi kuin aallon pystysuoralla tulolla heijastuneen aallon taajuus tietyn elektronitiheyden kerrokselle:

Mitä suurempi elektronitiheys on, sitä korkeampi heijastusehto täyttyy korkeammilla taajuuksilla.

Maksimitaajuutta, jolla aalto heijastuu pystysuorassa ionosfäärikerroksen osuessa, on ns. kriittinen

taajuus; heijastus tapahtuu lähellä kerroksen maksimiionisaatiota:

Maan pallomaisuus rajoittaa maksimikulmaa q (kuva 4.3)

ja näin ollen radioaaltojen maksimitaajuudet, jotka voivat heijastua ionosfääristä tietyllä elektronitiheydellä.

4.7. Vakiomagneettikentän vaikutus ionisoidun kaasun (plasman) sähköisiin parametreihin

Ionosfäärin ionisoitu kaasu on jatkuvassa magneettikentässä, jonka voimakkuus on = 40 A/m.

Vakiomagneettikentän läsnäollessa elektronien liikkeen olosuhteet muuttuvat, minkä seurauksena myös ionisoidun kaasun sähköiset parametrit muuttuvat.

Ionisoidun kaasun dielektrisyysvakio pitkittäisen leviämisen tapauksessa, kun aalto etenee jatkuvien magneettikenttälinjojen suuntaan ottamatta huomioon häviöitä (= 0), määritetään kaavalla

Lineaarisesti polarisoitunut aalto hajoaa kahteen komponenttiin, jotka ovat ympyräpolarisoituneita ja etenevät eri nopeuksilla, jolle on ominaista erilaiset etumerkit kohdassa (4.13).

Kun radioaallot etenevät pituussuunnassa, polarisaatiotaso pyörii - vektori pyörii tasossa, joka on kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan ​​kulman verran

(4.14)

missä r on aallon kulkema reitti ionosfäärissä.

Tätä ilmiötä kutsutaan Faradayn efekti.

Toisessa poikittaisen leviämisen tapauksessa, kun aallon etenemissuunta on kohtisuorassa jatkuvien magneettikenttälinjojen suuntaan, aalto hajoaa tavallisiksi ja poikkeuksellisiksi komponenteiksi.

varten tavallinen komponentti

ja eteneminen tapahtuu samalla tavalla kuin jatkuvan magneettikentän puuttuessa.

varten epätavallinen komponentti

Kuljettuaan tietyn matkan ionosfäärissä jatkuvan magneettikentän läsnäollessa aaltopolarisaatioellipsin pääakseli pyörii (4.14) määrittämän kulman läpi. Tavalliset ja erikoiset komponentit heijastuvat eri korkeuksille ionosfäärissä. Epätavallisen komponentin heijastamiseksi tarvitaan pienempi elektronitiheys. Ylimääräisen komponentin kriittinen taajuus on korkeampi kuin tavallisen:

mitä radioviestinnässä käytetään.

Ionosfäärin kokeellista tutkimusta tehdään pääosin radiomenetelmillä eli tutkimalla radioaaltojen kulku- ja heijastusolosuhteita ionosfäärissä.

4.8 Itsetestauskysymykset

1. Ilmoita kaasun ionisaatiolähteet ionosfäärissä. Mikä lähde on tärkein?

2. Mitä prosessia kutsutaan rekombinaatioksi?

3. Selitä ionosfäärin rakenteelliset piirteet.

4. Kirjoita muistiin lauseke ionisoidun kaasun dielektrisyysvakion määrittämiseksi ja selitä se.

5. Miksi elektroneilla on paljon suurempi vaikutus radioaaltojen etenemiseen kuin ioneilla?

6. Miten ionisoidun kaasun johtavuus muuttuu, jos elektronitiheys kaksinkertaistuu?

7. Mitä taajuutta kutsutaan ionisoidun kaasun ominaistaajuudeksi?

8. Onko aaltoprosessi mahdollinen väliaineessa, jonka suhteellinen dielektrisyysvakio on pienempi kuin nolla?

9. Mitä väliaineita kutsutaan dispersiivisiksi?

10. Osoita, että ionisoitu kaasu on dispergoiva väliaine.

11. Miltä näyttää kaavio radioaaltojen absorptiokertoimen taajuusriippuvuudesta ionosfäärissä?

12. Ilmoita radioaaltojen taittumisen ja heijastuksen ominaisuudet ionosfäärissä.

13. Aalto kulki ionisoidussa kaasussa jonkin matkan jatkuvien magneettikenttälinjojen suuntaan. Mitä muutoksia aaltokentän rakenteessa on tapahtunut?

14. Mitä sähkökentän komponentteja voi esiintyä ionisoituneessa kaasussa, jos aallon etenemissuunta on normaali vakiomagneettikenttälinjojen suunnan kanssa?

5. RADIOAALTOJEN ETTEEN OMINAISUUDET ERI KAISTOILLA

5.1 Ultrapitkien ja pitkien aaltojen etenemisen ominaisuudet

Ultra-long wave range (ULW) sisältää aallot, joiden pituus on alkaen

10 000 - 100 000 m (= 30 3 kHz) ja pitkiin aaltoihin (LW) - 1000 - 10 000 metriin (= 300 30 kHz).

SDV- ja DV-alueiden johtavuusvirrat ylittävät merkittävästi siirtovirtoja kaikentyyppisillä maan pinnalla. Siksi pinta-aallon eteneessä tapahtuu vain vähäinen sen energian tunkeutuminen syvälle Maahan. Maan palloisuus, joka toimii esteenä radioaaltojen suoraviivaiselle etenemiselle, pysyy aallonpituuden kanssa oikeassa suhteessa 1000-2000 km:n etäisyyksiin asti, mikä edistää pitkien aaltojen hyvää virtausta ympäri maapalloa diffraktion vuoksi. Pienet häviöt ja taipuminen maan pinnan ympäri mahdollistivat LW:n ja SDV:n leviämisen maa-aaltoina jopa 3000 km:n matkan. Tässä tapauksessa 500-600 km:n etäisyydellä sähkökentän voimakkuus voidaan määrittää (2.15), ja suurilla etäisyyksillä laskenta suoritetaan diffraktiolakien mukaan.

Alkaen 300-400 km:n etäisyydeltä maa-aallon lisäksi ionosfääristä heijastuu aalto. Etäisyyden kasvaessa ionosfääristä heijastuneen aallon sähkökentän voimakkuus kasvaa ja 700-1000 km:n etäisyyksillä maanpinnan ja ionosfäärin aaltojen kentät tasoittuvat suunnilleen. Näiden kahden aallon superpositio antaa interferenssikenttäkuvion.

Yli 3000 km:n etäisyydellä LW ja VHF leviävät vain ionosfäärin aalloilla. Pitkien aaltojen heijastamiseen riittää pieni elektronitiheys, jotta päivällä näiden aaltojen heijastus voi tapahtua D-kerroksen alarajalla ja yöllä - E-kerroksen alarajalla. ionosfäärin alue LW:lle on varsin merkittävä (mutta tuhansia kertoja pienempi kuin maan kuivan pinnan johtavuus) ja johtavuusvirrat osoittautuvat samaa suuruusluokkaa kuin siirtymävirrat. Näin ollen LW:n ionosfäärin alemmalla alueella on puolijohteen ominaisuudet.

LW:ssä ja erityisesti LW:ssä kerrosten D ja E elektronitiheys muuttuu jyrkästi aallonpituudella. Siksi heijastus tapahtuu tässä kuten ilma-puolijohteen rajapinnassa ilman radioaallon tunkeutumista ionisoidun kaasun paksuuteen. Tämä johtuu LW:n ja SW:n heikosta absorptiosta ionosfäärissä.

Etäisyys maan pinnasta ionosfäärin alarajaan on 60-100 km, eli samaa luokkaa kuin aallonpituus (LW ja LW), joten aallot etenevät kahden lähekkäin olevan puolijohtavan samankeskisen pallon välillä, joista toinen. on maa, ja toinen on ionosfääri. Etenemisolosuhteet ovat tässä tapauksessa suunnilleen samat kuin dielektrisessä aaltoputkessa (kuva 5.1).

Kuten minkä tahansa aaltoputken kohdalla, se voidaan huomata optimaaliset aallot- aallot, jotka etenevät vähiten vaimennettuna, ja kriittinen aalto. Maan ja ionosfäärin muodostamalle aaltoputkelle aallot, joiden pituus on 25-35 km, ovat optimaalisia, ja 100 km:n pituinen aalto on kriittinen. Kuten tavanomaisissa aaltoputkissa radioaaltojen etenemisen lakeja, myös pallomaisessa ionosfääriaaltoputkessa radioaaltojen vaihenopeus ylittää valon nopeuden vapaassa tilassa. Yli 10 kHz:n taajuuksilla ero vaihenopeuden ja valonnopeuden välillä on pieni, noin () - 1 = (1 5) 10 -3 . Vaihenopeus kuitenkin muuttuu etäisyyden mukaan lähettimestä. Lisäksi se riippuu elektronitiheydestä ja elektronien törmäysten lukumäärästä molekyyleihin ionosfäärin alueella, jossa radioaallot heijastuvat. Tämä johtaa aaltovaiheen epävakauteen pääasiassa aamu- ja iltatunneilla, jolloin pitkien aaltojen heijastuksen korkeus muuttuu, mikä on otettava huomioon käytettäessä pitkän aallon radionavigointijärjestelmiä. Sähkökentän voimakkuus Em (mV/m) DV:lle ja SDV:lle lasketaan käyttämällä Austinin empiirinen kaava:

missä r on kaaren etäisyys mahtava ympyrä Maa, km; q on tätä etäisyyttä vastaava keskikulma; P - lähettimen teho, kW; l - aallonpituus, km.

Riisi. 5.1. DV:n ja ADD:n jakelu

Maa-ionosfääri aaltoputki

Riisi. 5.2. Lähi- ja pitkän kantaman häipyminen keskiaalloilla:

1 – maa-aalto; 2 – ionosfääristä kerran heijastuva aalto; 3 – aalto heijastuu ionosfääristä kahdesti

Austinin kaavaa voidaan soveltaa 16 000-18 000 km:n etäisyyksille merellä ja maalla, ja jälkimmäisessä tapauksessa alkaen etäisyyksistä 2000-3000 km.

Pitkät ja erityisesti ultrapitkät aallot imeytyvät vähän, kun ne kulkevat maan tai meren läpi. Siten aallot, joiden pituus on 20-30 km, voivat tunkeutua useiden kymmenien metrien syvyyteen meren syvyyksiin (katso taulukko 2.1) ja siksi niitä voidaan käyttää viestintään vedenalaisten sukellusveneiden kanssa sekä maanalaiseen radioviestintään.

DV:n tärkein etu on sähkökentän voimakkuuden suurempi vakaus: signaalin voimakkuus muuttuu vähän päivän aikana ja ympäri vuoden, eikä se ole alttiina satunnaisille muutoksille. Vastaanoton edellyttämä sähkökentän voimakkuus voidaan saavuttaa yli 20 000 km:n etäisyydeltä, mutta se vaatii tehokkaita lähettimiä ja tilaa vieviä antenneja.

DV- ja SDV-sarjojen haittana on mahdottomuus käyttää niitä korkealaatuiseen lähetykseen puhekielellä tai musiikkia ja erityisesti kuvia, koska tämä vaatii laajan taajuuskaistan. Tällä hetkellä DV:tä ja SDV:tä käytetään pääasiassa pitkän matkan lennätinviestintään sekä navigointiin ja ukkosmyrskyjen havainnointiin.

Ilmakehän häiriöt, joiden lähde on ukkosmyrskyt, ovat voimakkaimpia LW- ja SW-alueilla. Salamapurkauksen aikana tapahtuu voimakas virtapulssi, joka on luonteeltaan jaksollinen tai luonteeltaan vaimennettu värähtely ja sen kesto

0,1 3 ms. Tällainen pulssi luo jatkuvan taajuusspektrin, jonka maksimi on 3-8 kHz:n alueella, pienentyen suurtaajuusalueella lain 1/ mukaisesti. Siinä tapauksessa, että häiriön aiheuttaa lähellä vastaanottopistettä esiintyvä ukkosmyrsky (paikallinen ukkosmyrsky), häiriökentän voimakkuus pienenee käänteisesti suhteessa taajuuteen. Pääasiallinen häiriölähde on kuitenkin aikana esiintyvät ukkosmyrskyt ympäri vuoden maapallon päiväntasaajan alueilla - ukkosmyrskyjen toiminnan keskuksia. Ukkosmyrskytoiminnan keskusten aiheuttamien häiriöiden voimakkuuden taajuusriippuvuus on erilainen kuin paikallisten ukkosmyrskyjen, koska sen määräävät myös radioaaltojen etenemisolosuhteet häiriön alkuperäpaikasta vastaanottopisteeseen.

Salamapurkauksen aikana esiintyvät eripituiset radioaallot etenevät kuin vastaavan alueen aallot. Ilmakehän häiriötason ajallisten ja maantieteellisten muutosten kvantitatiivinen kuvaus tehdään tilastollisilla menetelmillä, jotka perustuvat pitkän aikavälin mittaustietojen käsittelyn tuloksiin. Kullekin vuodenajalle ja kuuden tunnin välein vuorokaudenajasta laaditaan karttoja, joissa on ilmakehän häiriön kentänvoimakkuuden mediaaniarvojen isoliinit taajuudella 1 MHz. Tietoja kerätään myös tilastollinen jakautuminen ilmakehän häiriön kentänvoimakkuuden hetkelliset arvot, jotka määrittävät korkean tason häiriöpäästöjen esiintymisen todennäköisyyden.

5.2. Keskiaallon etenemisen ominaisuudet

Keskiaaltoalue (MV) sisältää radioaallot l=100 1000 m (= 0,34 3 MHz). CB-kaistaa käytetään radiolähetyksiin, radionavigointiin, radiolennätin- ja radiopuhelinviestintään; SW voi levitä sekä maa- että ionosfääriaaltojen avulla.

Maaaaltojen sähkökentän voimakkuus määritetään pienille etäisyyksille kohdan (2.15) mukaisesti ja suurille etäisyyksille - diffraktiolakien mukaan. SW kokee merkittävää absorptiota Maan puolijohtavalla pinnalla, joten maa-aallon etenemisalue on rajoitettu 1000 km:n etäisyydelle. On myös otettava huomioon, että epätasaiset maapinnat vähentävät maan tehokasta johtavuutta. Suunnilleen tasaiselle maastolle = (0,5 0,7), mäkiselle maastolle = (0,15 0,2), ikiroutaalueelle.

SW leviää pitkiä matkoja vain yöllä heijastumalla ionosfäärin E-kerroksesta, jonka elektronitiheys on riittävä tähän. Päivän aikana SW-etenemisreitillä on kerros D, joka imee erittäin voimakkaasti näiden aaltojen energiaa. Siksi yleisesti käytetyillä lähetintehoilla sähkökentän voimakkuus suurilla etäisyyksillä osoittautuu riittämättömäksi vastaanottoon, ja päiväsaikaan SW:n eteneminen tapahtuu lähes yksinomaan maa-aallon avulla.

Absorptio SW-alueella kasvaa aallonpituuden lyhentyessä ja ionosfääriaallon sähkökentän voimakkuus on suurempi pitkillä aalloilla. Imeytyminen lisääntyy kesäkuukausina ja vähenee talvikuukausina. Ionosfäärin häiriöt eivät vaikuta SW:n etenemiseen, koska E-kerros häiriintyy hieman ionosfäärin magneettisten myrskyjen aikana.

Häipymistä keskiaalloilla havaitaan vain yöllä, jolloin tietyllä etäisyydellä lähettimestä on mahdollista sekä tila- että pinta-aaltojen saapua samanaikaisesti pisteeseen B (kuva 5.2), ja avaruusaallon polun pituus muuttuu ionosfäärin elektronitiheys. Muutos näiden aaltojen vaihe-erossa johtaa sähkökentän voimakkuuden vaihteluun ajan myötä, ns. lähellä haalistumista. Aallot voivat saavuttaa huomattavan etäisyyden lähettimestä (piste C) yhden tai kahden ionosfäärin heijastuksen kautta. Vaihe-eron muuttaminen näiden kahden aallon välillä johtaa myös kentänvoimakkuuden vaihteluun, ns pitkän kantaman häipyminen. Häipymisnopeus on alhainen (häipymisjakso on 1 - 2 minuuttia).

Häipymisen estämiseksi radiolinkin lähetyspäässä käytetään antenneja, joiden säteilykuviot on painettu maan pintaan. Tällaisella säteilykuviolla lähes häipyvä vyöhyke siirtyy pois lähettimestä ja suurilla etäisyyksillä kahden heijastuksen kautta saapuvan aallon kenttä osoittautuu heikentyneeksi.

Ionosfääriaallon kentänvoimakkuus >300 km:n etäisyyksillä määritetään useiden havaintojen käsittelyn tuloksena saaduista kaavioista.

5.3. Lyhytaallon etenemisen ominaisuudet

Lyhyt poly (KB) -alue sisältää aallot, joiden pituus on 10 - 100 m (= 30 3 MHz). Maa-aallot levittävät KB-aallot enintään 100 km:n etäisyydellä maanpinnan voimakkaan absorption ja huonojen diffraktio-olosuhteiden vuoksi. Maa-aallon kentänvoimakkuus tulee laskea käyttämällä (2.15).

Ionosfääriaalto KB leviää useiden tuhansien kilometrien päähän. Tässä tapauksessa voidaan käyttää suunta-antenneja ja lähettimiä, joiden teho ei ole kovin suuri. Siksi KB:itä käytetään pääasiassa pitkän matkan viestintään ja lähetyksiin.

HF:n eteneminen ionosfäärin aallolla tapahtuu peräkkäisen heijastuksen kautta ionosfäärin F-kerroksesta (joskus E-kerroksesta) ja maan pinnasta. Tässä tapauksessa aallot kulkevat ionosfäärin alemman alueen läpi - kerrokset E ja D, joissa ne absorboituvat (kuva 5.3, a). Radioviestinnän suorittamiseksi HF:llä on täytyttävä kaksi ehtoa: aaltojen on heijastuttava ionosfääristä ja sähkömagneettisen kentän voimakkuuden tietyssä paikassa on oltava riittävä vastaanottoon, eli aaltojen absorptio ionosfäärin kerroksissa ei saa olla olla liian suuri. Nämä kaksi ehtoa rajoittavat sovellettavien toimintataajuuksien aluetta.

Aallon heijastamiseksi on välttämätöntä, että toimintataajuus ei ole liian korkea ja ionosfäärikerroksen elektronitiheys on riittävä heijastamaan tämän aallon kohdan (4.9) mukaisesti. Tästä ehdosta valitaan suurin sovellettava taajuus (MUF), joka on toiminta-alueen yläraja.

Toinen ehto rajoittaa toiminta-aluetta alhaalta: mitä pienempi toimintataajuus (lyhyaaltoalueella), sitä voimakkaampi on aallon absorptio ionosfäärissä (katso kuva 4.2). Pienin sovellettava taajuus (LOF) määritetään sillä ehdolla, että tietyllä lähetinteholla sähkömagneettisen kentän voimakkuuden on oltava riittävä vastaanottoon.

Ionosfäärin elektronitiheys vaihtelee päivän ja vuoden aikana. Tämä tarkoittaa, että myös toiminta-alueen rajat muuttuvat, mikä johtaa tarpeeseen muuttaa toiminta-aallonpituutta päivällä: päivällä ne toimivat 10-25 m aalloilla ja yöllä 35-100 m aalloilla. Tarve valita oikein aallonpituus viestintäistuntoja varten eri aikoina vaikeuttaa aseman suunnittelua ja operaattorin suorituskykyä.

KB-hiljaisuusalue on tietyllä etäisyydellä lähettävästä asemasta oleva renkaan muotoinen alue, jonka sisällä radioaaltojen vastaanottaminen on mahdotonta. Hiljaisuusvyöhykkeen syntyminen selittyy sillä, että maa-aalto vaimentaa eikä saavuta tätä aluetta (piste B kuvassa 5.3, a), ja ionosfäärin pienissä kulmissa ionosfääriin osuvien ionosfääriaaltojen heijastusolosuhteet (4.9) ) eivät täyty. Hiljaisen alueen (SB) rajat laajenevat, kun aallonpituus lyhenee ja elektronitiheys pienenee.

Riisi. 5.4. Pitkän kantaman maapohjainen lyhytaaltosironta

Häipyminen KB-kaistalla on syvempää kuin CB-kaistalla. Pääasiallinen häipymisen syy on yhden tai kahden ionosfääristä tulevan heijastuksen kautta etenevien säteiden häiriö (kuva 5.3, a). Tämän lisäksi häipymistä aiheuttavat radioaaltojen sironta ionosfäärin epäsäännöllisyyksiin ja sironneiden aaltojen häiriöt (kuva 5.3, b) sekä magneettisesti jaetun aallon tavallisten ja satunnaisten komponenttien häiriöt ( Kuva 5.3, c). Mittausten käsittely lyhyillä aikaväleillä (enintään 5 min) osoitti, että amplitudijakauman funktiot ovat lähellä Rayleigh-jakaumaa. Piteillä havaintojaksoilla jakauma on lähempänä lognormaalia. Häipymisen estämiseksi käytetään.

Erillisillä antenneilla vastaanotetut signaalit lisätään havaitsemisen jälkeen. Polarisaatiodiversiteetti on tehokas - vastaanotto kahdella antennilla, joilla on keskenään kohtisuora polarisaatio. Käytetään myös vastaanottoantenneja, joissa on kapea säteilykuvio ja jotka keskittyvät vastaanottamaan vain yksi säteistä.

Suotuisissa leviämisolosuhteissa KB voi kiertää maapallon yhden tai useamman kerran. Tällöin pääsignaalin lisäksi voidaan vastaanottaa toinen signaali, jota viivästetään noin 0,1 s ja kutsutaan radio kaiku. Radiokaiulla on häiritsevä vaikutus meridiaalilinjoihin. Lyhyet aallot kokevat maansironta etenemisen aikana (kuva 5.4). Epätasaiselle maanpinnalle (säde 1) tulevan aallon kaikki energia ei heijastu peilikuvana, vaan osa siitä on hajallaan eri suuntiin (säteet 2, 3, 4, 5). Tässä tapauksessa osa ionosfääristä heijastuneesta energiasta palaa radioaallon lähettämispaikkaan (säde 5). Emissiopisteessä voidaan vastaanottaa takaisinsironneita aaltoja, mikä osoittaa tietyn taajuuden radioaaltojen mahdollisuutta kulkea polkua pitkin. Tätä ilmiötä kutsutaan Kabanovin efekti, käytetään toimintataajuuksien korjaamiseen: ennen lähetyksen alkua lähetetään pulssimoduloituja signaaleja valitulla toimintataajuudella. Takaisinsironneiden pulssien viiveajan ja vääristymän perusteella arvioidaan toimintataajuuden oikea valinta.

KB-tietoliikennelinjojen laskenta on jaettu kahteen vaiheeseen: määrittely vuorokausikierto suurimmat sovellettavat taajuudet (MUF) ja optimaaliset toimintataajuudet (OPF); sähkökentän voimakkuuden määrittäminen vastaanottopaikalla tai alimpien sovellettavien taajuuksien (LAP) päivittäisen vaihtelun määrittäminen.

5.4. Ultralyhyiden aaltojen leviämisen piirteet pinta-avaruudessa

Yleiset ominaisuudet. Ultrashort wave (VHF) -alue sisältää radioaallot, joiden pituus on 10 m - 1 mm (= 30 MHz 3 10 5 MHz). Alemmalla taajuusrajalla VHF-alue on HF:n vieressä. Tämä raja määräytyy sillä, että VHF:llä radioaaltojen ionosfääristä heijastumisen ehtoa (4.8) ei yleensä voida täyttää. Ylemmällä taajuudella VHF rajoittuu pitkien infrapunaaaltojen kanssa. VHF-alue on jaettu metri-, desimetri-, sentti- ja millimetriaaltojen osakaistoihin, joilla jokaisella on omat jakeluominaisuudet, mutta pääsäännökset ovat ominaisia ​​koko VHF-alueelle. Levitysolosuhteet riippuvat tietoliikennelinjan pituudesta ja reitin erityispiirteistä.

Lyhyestä pituudestaan ​​johtuen VHF:t diffraktoivat huonosti maan pallomaisen pinnan ja maan pinnan suurien epätasaisuuksien tai muiden esteiden ympärillä. Antennit sijaitsevat yleensä merkittävällä korkeudella maan pinnan yläpuolella, koska tämä ensinnäkin lisää näköetäisyyttä (katso (2.11), (3.5)) ja toiseksi vähentää lähellä sijaitsevien paikallisten kohteiden suojausvaikutusta. antenni. Tällöin pääsääntöisesti täyttyy ehto, jossa antennin korkeus on paljon suurempi kuin aallonpituus ja kentänvoimakkuus voidaan laskea häiriökaavojen (2.12), (2.13) avulla. Jos tämä ehto ei täyty (kannettavat tai mittariaalloilla toimivat autoasemat), laskenta suoritetaan kohdan (2.15) mukaisesti.

VHF-alueella maan pintaa voidaan pitää ihanteellisena eristeenä, ja maan pinnan johtavat ominaisuudet tulee ottaa huomioon vain metriaaltojen leviäessä merenpinnan yli. Siksi maaperän johtavien ominaisuuksien muutoksilla (muutoksilla sen kosteuspitoisuudessa) ei ole käytännössä mitään vaikutusta VHF:n etenemiseen. Mutta (2.9) mukaan jopa pienet maanpinnan epätasaisuudet muuttavat merkittävästi olosuhteita VHF:n heijastumiselle maan pinnalta.

VHF-eteneminen näköetäisyydellä. Heijastus maan pinnalta. Näkyvyysrajaa (3.5) paljon pienemmillä etäisyyksillä Maan pallomaisuuden vaikutus ja radioaaltojen taittumisen vaikutus troposfäärissä voidaan jättää huomiotta. VHF-etenemisen tunnusomaisia ​​piirteitä tässä tapauksessa on suurempi stabiilius ja signaalitason muuttumattomuus ajan kuluessa kiinteän lähettimen ja vastaanottimen kanssa. Kenttävoimakkuus voidaan laskea Vvedensky-kaavalla (2.14), jos tämän kaavan soveltuvuuden ehdot täyttyvät.

Maa-ilma-radioviestintälinjalla tai lentokoneen tutkahavainnoinnin aikana signaali vaihtelee havaintokulman muutoksesta lentokoneen liikkuessa ja emitteri-Maa-järjestelmän säteilykuvion karuudesta johtuen (ks. kuva 2.8). .

0,2:n etäisyyksillä< <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.

Tutkaheijastukset. Epätasaisten maapintojen VHF-heijastukset ovat erityisen tärkeitä tutkatekniikassa. Pohjimmiltaan ne ovat hajallaan luonnossa ja osa heijastuneesta energiasta suunnataan lähteeseen. Tällaiset heijastukset viittaavat useimmiten häiritseviin signaaleihin, jotka vaikeuttavat hyödyllisten tutkakohteiden tunnistamista. Heijastuksia maan pinnalta lähteeseen käytetään kuitenkin, kun tehdään maanpinnan havaintoja ilmasta, esimerkiksi korkeusmittauksessa.

Liikkuvan tutkan (esimerkiksi lentokoneesta) lähettämän ja maan pinnan heijastaman signaalin amplitudin satunnaiset arvot noudattavat Rayleighin lakia. Vain tyynestä vedestä ja tasaisista aavikon alueista heijastuessa on vakiokomponentti ja amplitudijakautumalaki vastaa yleistettyä Rayleighin lakia. Signaalin korrelaatiofunktio kuvataan eksponentiaalisella lailla, ja korrelaation asteikko riippuu sekä epäsäännöllisyyksien korkeudesta että lähteen nopeudesta.

VHF-eteneminen epätasaisessa maastossa ja kaupungeissa. VHF-viestintälinjalla on yleensä suuria tai pieniä epäsäännöllisyyksiä, jotka vaikuttavat radioaaltojen etenemiseen. Yleisesti ottaen tätä vaikutusta ei voida ottaa huomioon. Sähkökentän voimakkuuden laskemiseksi kussakin tapauksessa on tarpeen rakentaa polkuprofiili ja tämän profiilin luonteesta riippuen suorittaa laskenta jollakin menetelmällä. Katsotaanpa muutamia esimerkkejä reittiprofiileista.

Reitti kulkee pienten loivien kukkuloiden yli. (Kuva 5.5, a) näyttää reittiprofiilin, jossa lähetysantenni sijaitsee loivalla mäen rinteellä. Tällöin vastaanottoantennille voi saapua suora säde AB ja kolme heijastettua sädettä jne. Sähkökentän voimakkuutta laskettaessa tulee ottaa huomioon näiden säteiden vaihe-ero, joka aiheutuu reittierosta ja erilaisista heijastusolosuhteista pisteissä. Tällaisen kuvan tarkastelun tuloksena voidaan saada kenttävoimakkuuden laskemiseen tarkoitettu lauseke, joka on samanlainen kuin häiriökaavat, mutta monimutkaisempi. Kuvassa 5.5b on profiili, jossa reitin keskellä on mäki. Yksinkertaisimmassa tapauksessa vain yksi säde saapuu pisteeseen B ja heijastuu pisteeseen C. Tällaisen polun laskemiseksi on kätevää ottaa käyttöön käsite antennin korkeudet h 1pr ja H 2pr ja vähentää ongelman tunnettuun tapaukseen radioaaltojen etenemisestä fiktiivisen tason yli, joka tangentti maan pintaa heijastuspisteessä.

Riisi. 5.6. VHF-eteneminen reitillä, jolla on este, avoimet ja suljetut reitit ( A); kerroinriippuvuus

heikkeneminen V parametrista z(b)

Riisi. 5.7. Reitin kaavio "vahvistava este"

Reitti, joka kulkee korkean kukkulan tai harjanteen yli. Kenttävoimakkuuden määrittämiseksi suunnilleen polulla, jolla on korkea mäki tai vuoren harju, voit käyttää sähkömagneettisten aaltojen diffraktioteoriaa läpinäkymättömällä kiilamaisella näytöllä. Jos este ei estä antennien välistä näköyhteyttä, polkua kutsutaan avata; kun este nousee näkölinjan yläpuolelle, kurssi kutsutaan suljettu(Kuva 5.6, a).

Jos este on ainakin osittain ensimmäisen Fresnel-vyöhykkeen (1.5) päällä, sähkömagneettisen kentän intensiteetti polulla muuttuu. Käytettäessä erittäin suuntaavia antenneja, lähetetyt aallot eivät putoa maanpinnan tasaisille alueille ja esteen takana oleva kentänvoimakkuus määritetään kaavalla E m = E m c in V, jossa E m c in löytyy (1.1) ).

Vaimennuskerroin V riippuu aallonpituudesta ja "välystyksestä" d, jota pidetään positiivisena polun ollessa suljettuna ja negatiivisena, kun reitti on auki. Kuvassa 5.6b on esitetty vaimennuskertoimen V riippuvuus parametrista z:

Noin 100-150 km pituisilla VHF-reiteillä, jotka kulkevat 1000-2000 m korkeiden vuoristoalueiden läpi, esiintyy ilmiö ns. esteen vahvistaminen. Tämä ilmiö johtuu siitä, että radioaallon sähkömagneettisen kentän intensiteetti jollain etäisyydellä esteen takana on suurempi kuin samalla etäisyydellä lähettimestä esteettömällä tiellä. Esteen aiheuttama vahvistus selittyy sillä, että vuoren huippu toimii luonnollisena passiivisena toistimena (kuva 5.7). Vuoren huipulta jännittävä kenttä koostuu kahdesta aallosta - suorasta AC:sta ja heijastuvasta ADC:stä. Aallot taittuu vuoren terävällä huipulla kiilanmuotoisen esteen tapaan ja leviävät vuoren taakse. Tässä tapauksessa kaksi sädettä SEB ja CB saapuvat vastaanottoantennin B sijaintiin. Näin ollen polun lähetin-vuori- ja vuori-vastaanotinosissa eteneminen tapahtuu näkökentän sisällä. Jos estettä ei ole 100-150 km:n etäisyydellä, joka on paljon näkörajaa suurempi, vain erittäin heikko kenttä, joka johtuu maan pallomaisen pinnan diffraktiosta ja taitosta, saavuttaa vastaanottokohdan. Laskelmat ja kokeet osoittavat, että tällainen este - toistin - voi lisätä sähkökentän voimakkuutta 60-80 dB.

Esteiden vahvistusilmiön käyttäminen osoittautuu kustannustehokkaaksi, mikä eliminoi tarpeen asentaa korkean vuoren välitysasemia.

Joillakin tasaisilla alueilla kulkeviin radioreleen linjoihin rakennetaan keinotekoinen vahvistava este verkon tai johtojärjestelmän muodossa, mikä lisää tehoa ja mahdollistaa antennimastojen korkeuden pienentämisen.

VHF:n jakelu suuressa kaupungissa. Isoa kaupunkia voidaan pitää erittäin karua maastoa. Lukuisat kokeet ovat osoittaneet, että metri- ja desimetriaaltojen kentänvoimakkuus kaupungissa on keskimäärin noin 3-5 kertaa pienempi kuin avoalueilla. Siksi näiden aaltojen keskimääräisestä kentänvoimakkuuden tasosta voidaan tehdä karkea arvio käyttämällä (2.14) lisäämällä siihen kertoimen 0.2-0.4. Senttimetrin aallonpituusalueella vaimennus on vieläkin voimakkaampaa.

Jos lähetys- ja vastaanottoantennien välillä on suora näkyvyys, voidaan laskenta suorittaa kohdan (2.14) mukaisesti ja antennin korkeus mitataan kattojen keskitasosta.

Sisätiloissa kentän rakenne on vielä monimutkaisempi ja käytännössä mahdoton laskea. Kenttävoimakkuuden mittaukset sisätiloissa osoittivat, että yläkerrosten huoneissa kentänvoimakkuus on 10-40 % katon yläpuolella olevasta kentänvoimakkuudesta ja alakerrassa 3-7 % tästä arvosta.

VHF-eteneminen pitkiä matkoja supertaitteisissa olosuhteissa. Näköetäisyyden ylittävillä etäisyyksillä radioaaltojen kentänvoimakkuus heikkenee jyrkästi. Näillä etäisyyksillä eteneminen johtuu radioaaltojen diffraktiosta maan pallomaisen pinnan ympärillä, radioaaltojen taittumisesta troposfäärissä ja niiden hajoamisesta epähomogeenisuuksilla troposfäärissä.

VHF:n etenemisalueen jyrkkä kasvu tapahtuu, kun supertaittumisalue sijaitsee merkittäviä etäisyyksiä maan pinnan yläpuolella. Tässä tapauksessa radioaalto etenee kahden ilmiön peräkkäisen vuorottelun kautta: ilmakehän taittuminen ja heijastus maan pinnalta. Tällaista aallon etenemistä kutsutaan ilmakehän aaltoputkeksi. Mutta samaan aikaan vain osa vastaanottoon käytetystä aaltoenergiasta heijastuu ilmakehästä ja loput taittuneet lähtevät aaltoputken yläseinän läpi (kuva 5.8). Tietyn korkeuden omaavalla ilmakehän aaltoputkella, analogisesti metalliaaltoputken kanssa, on tietty kriittinen aallonpituus. Kriittistä pidemmät aallot vaimenevat nopeasti eivätkä leviä. Kriittinen aallonpituus l cr (m) liittyy aaltoputken korkeuteen h (m), suhde

Ilmakehän aaltoputkien h in korkeus on useita kymmeniä metrejä, joten aaltoputkien eteneminen on mahdollista vain senttimetri- ja desimetriaalloilla.

Aaltoputkikanavassa vain matalimmat säteet heijastuvat kanavan seinistä, kun taas jyrkemmät säteet vuotavat seinien läpi. Jos lähetin ja vastaanotin sijaitsevat aaltoputken sisällä, VHF-vastaanotto on mahdollista pitkiä matkoja. Muuten vastaanottoalue voi jopa pienentyä normaaliin taittumiseen verrattuna.

Ilmakehän aaltoputket esiintyvät epäsäännöllisesti ja siksi on mahdotonta varmistaa vakaata radioliikennettä pitkien etäisyyksien aikana käyttämällä VHF-aaltoputken etenemistä. Mutta tämä ilmiö voi aiheuttaa keskinäisiä häiriöitä senttimetrin aallonpituusalueella toimivien ja jopa pitkiä matkoja erillään olevien asemien välillä. Lisäksi ilmakehän aaltoputken esiintyminen voi häiritä lentokoneiden tunnistustutkien toimintaa. Esimerkiksi ilmakehän aaltoputken yläpuolella olevaa lentokonetta ei ehkä havaita radioaaltojen vuoksi, jotka heijastuvat aaltoputken seinästä.

VHF:n sironta troposfäärin epähomogeenisuuksiin.Troposfäärin heterogeenisyydet edustavat alueita, joilla dielektrisyysvakio poikkeaa ympäröivän troposfäärin keskiarvosta. Kulkevan aallon kentän vaikutuksesta troposfäärin jokaisessa epähomogeenisuudessa indusoituu polarisaatiovirtoja ja syntyy sähköinen vääntömomentti. Tämän seurauksena epähomogeenisuudet toimivat toissijaisina säteilijöinä. Toissijaista säteilyä epähomogeenisuusjoukosta voidaan luonnehtia tietyllä säteilykuviolla, jonka säteily on maksimissaan aallon alkuliikkeen suunnassa.

Riisi. 5.9. Kaavio radiolinkistä, jossa käytetään troposfäärin sirontaa

Maan pinnan lähelle luotu kenttä on seurausta useiden epähomogeenisuuksien uudelleen emittoimien kenttien interferenssistä. Epähomogeenisuuksien rakenteen ja sijainnin muutoksista johtuen kenttä vaihtelee jatkuvasti ja on ajan satunnainen funktio. Hetkellisen signaalitason arvojen jakautumisen luonne riippuu keskimääräisestä signaalitasosta. Mitä matalampi taso, sitä lähempänä jakautumislakia on Rayleigh'n lakia. Korkeilla signaalitasoilla sen amplitudin hetkelliset arvot jakautuvat yleisen Rayleigh-lain mukaan, mikä osoittaa, että vastaanottavassa paikassa on nopeasti muuttuvan signaalikomponentin lisäksi hitaasti muuttuva säännöllinen komponentti, joka on saatu heijastuksesta troposfäärin kerroksellinen epähomogeenisuus.

Radioaaltojen sirontaa käyttävän viestintälinjan toiminta troposfäärin epähomogeenisuuksissa voidaan selittää seuraavasti. Lähetys- ja vastaanottoantennien säteilykuvioiden avaruusleikkauksen seurauksena, jota ehdollisesti rajoittavat suorat viivat AD-AC 1 ja BD-BC (kuva 5.9), ilmakehän tilavuus CDС 1 D 1 muodostuu. , nimeltään dissipatiivinen tilavuus. Se osallistuu radioaaltojen siirtoon pisteestä A pisteeseen B. Sähkökentän voimakkuuden lisäämiseksi vastaanottopaikassa he pyrkivät pienentämään kulmaa aallon alkuliikkeen suunnan ja vastaanottopisteen suunnan välillä. (kulma q kuvassa 5.9).

Tarkasteltavien tietoliikennelinjojen tyypillinen piirre on niiden kapeakaista. Suurin taajuuskaistanleveys, joka voidaan lähettää ilman säröä, määräytyy ACB-keilan viiveajan perusteella suhteessa AC1B-keilaan, eli antennikuvioiden leveys. Käytännössä hyväksyttävillä vääristymillä voidaan lähettää 1-2 MHz:n taajuuskaista.

Tehon laskenta vastaanottoantennin sisääntulossa viestintälinjalla, joka käyttää troposfäärin sirontaa, jonka ovat kehittäneet Neuvostoliiton tutkijat B. A. Vvedenskyn ja M. A. Kolosovin johdolla.

Häipymisen estämiseksi vastaanotto suoritetaan käyttämällä välimatkan päässä olevaa (kaksi tai neljä) antennia. Näillä antenneilla vastaanotetut signaalit lasketaan yhteen havaitsemisen jälkeen.

Taajuusdiversiteettiä käytetään myös, kun sama informaatio lähetetään samanaikaisesti taajuudella 1 ja taajuudella 2 = 1 + D, D / = (2 5) 10 -3. Häipyminen näillä kahdella taajuudella ei korreloi. Joko vahvempi kahdesta signaalista vastaanotetaan tai signaalit lasketaan yhteen havaitsemisen jälkeen.

Metriaaltojen sironta ja heijastus ionosfäärissä. Ionisoiduille kerroksille on ominaista suuri heterogeenisyys. Paikallisten volyymien epähomogeenisuuksien esiintyminen ionosfäärissä johtaa VHF-sirontaan, joka tapahtuu samalla tavalla kuin troposfäärin epähomogeenisuuksista johtuva sironta.

Radioaaltojen sirontaa esiintyy 70-90 km:n korkeudessa, mikä rajoittaa radioviestintälinjan enimmäispituuden 2000-2300 km:n etäisyydelle. Suurin osa ionosfääriin tulevasta aaltoenergiasta hajoaa alkuperäisen aallon liikkeen suuntaan. Mitä suuremman kulman muodostaa suunta kohti vastaanottoantennia alkuaallon liikkeen suunnan kanssa, sitä pienempi on sironneen signaalin tehotaso. Siksi vastaanotto on mahdollista vain yli 800-1000 km:n etäisyyksillä. Hajasignaalin kentänvoimakkuus heikkenee toimintataajuuden kasvaessa ja 30-60 MHz aallot soveltuvat viestintään. Tämän tyyppisessä radioviestinnässä mittariaalloilla signaalit ovat alttiina nopealle ja syvälle häipymiselle.

Häipymisen estämiseksi käytetään kahden antennin vastaanottoa.

Mittariaaltojen ionosfäärin sironnan avulla tapahtuvan radioviestinnän suuret edut HF-viestintälinjoihin verrattuna ovat mahdollisuus ympärivuorokautiseen toimintaan samalla toimintataajuudella ja tiedonsiirtohäiriöiden puuttuminen. Nämä linjat lisäävät radiolennätinviestinnän luotettavuutta napa-alueilla. Viestintä metriaaloilla edellyttää kuitenkin noin 10 kW:n tehoisten lähettimien ja 20-30 dB vahvistuksen antennien käyttöä.

5.5. Ultralyhyiden aaltojen etenemisen ominaisuudet ulkoavaruudessa

Avaruusradiolinkkien perustyypit. Avaruusradiolinkit ratkaisevat seuraavat päätehtävät:

maanpäällinen radioviestintä ja radio- ja televisio-ohjelmien uudelleenlähetys keinotekoisissa maasatelliiteissa sijaitsevien toistimien kautta;

miehitettyjen avaruusalusten radioviestintä Maan kanssa ja keskenään;

lennon radiovalvonta ja avaruusalusten lennonohjaus;

radiotelemetristen tietojen siirto avaruusaluksesta (laitteiden toimintatilojen mittaustulokset, lentoparametrit, tieteelliset havaintotiedot);

avaruustutkimus, meteorologisen ja geodeettisen tiedon kerääminen.

Avaruusradioviestintään kuuluu myös radioaaltojen leviäminen maa-planeetan polkuja pitkin, kahden planeetan välillä, kahden planeetalla sijaitsevan kirjeenvaihtajan välillä.

Keinotekoisilla maasatelliiteilla (AES) on kolme ominaista osaa. Lentoradan alussa, aloitusosuudella

satelliitti kantorakettineen liikkuu moottorien ollessa käynnissä suhteellisen tiheissä ilmakehän kerroksissa. Tässä erotetaan käytetyt raketin vaiheet. Radan toisessa osassa satelliitin nopeus ylittää hieman ensimmäisen pakonopeuden ja liike Maan ympäri tapahtuu elliptisellä kiertoradalla erittäin harvinaisessa ilmakehässä. Kolmas osa liikenteestä vastaa satelliitin paluuta ja sen tuloa ilmakehän tiheisiin kerroksiin. Ei-palautettavilla satelliiteilla ei ole kolmatta osaa lentoradalla.

Radioviestinnän erityispiirteet lentoradan ensimmäisessä ja kolmannessa osassa johtuvat siitä, että satelliitin lähelle muodostuu suuren elektronitiheyden (useita suuruusluokkia suurempi kuin ionosfäärin elektronitiheys) ionisoituneen kaasun kertymä. Syy ionisaation muodostumiseen lentoradan ensimmäisessä osassa on moottorin kuuma pakokaasu ja kolmannessa - ilman termodynaaminen kuumeneminen, kun satelliitti liikkuu ilmakehän tiheissä kerroksissa (alle 100 korkeudessa) km) yliääninopeudella.

Lentoradan ensimmäisessä ja kolmannessa osassa etäisyydet maa-asemista satelliittiin ovat pienet ja radioaallot etenevät näkökentän sisällä.

Toisessa osassa satelliitin korkeudesta ja toiminta-aallon pituudesta riippuen radioviestintä on mahdollista sekä näkökentän sisällä että sen ulkopuolella. Radioaaltojen leviämisolosuhteisiin vaikuttavat troposfääri ja maapallon ilmakehän ionisoidut kerrokset.

Avaruusaluksilla on lentorata, joka voidaan jakaa myös kolmeen osaan, ja radioliikenneolosuhteet ensimmäisessä ja kolmannessa osassa satelliiteille ja avaruusaluksille ovat samat. Lentoradan toisessa osassa laivan nopeus ylittää toisen pakonopeuden, alus poistuu Maan gravitaatiokentästä ja liikkuu planeettojenvälisessä avaruudessa. Avaruusaluksen ja maan välisen radioyhteyden pituus voi olla satoja miljoonia kilometrejä.

Myös maan ilmakehä vaikuttaa radioviestintäolosuhteisiin tässä tapauksessa.

Jos avaruusalus on suunnattu kohti jotakin planeetoista, niin laivan saapuessa planeetan ilmakehään radioviestintäolosuhteet muuttuvat planeetan ilmakehän radiofysikaalisten ominaisuuksien mukaan.

Planeettojen välisen väliaineen ominaisuudet. Planeettojenvälisessä avaruudessa elektronipitoisuus on yhtä suuri kuin protonipitoisuus ja plasma on yleensä lähes neutraali. Yli 30 km:n etäisyydellä Auringosta plasman liikkeen nopeutta voidaan pitää vakiona ja 500 km/s. Näillä etäisyyksillä hiukkasvuon vakioisuudesta johtuva elektronipitoisuus N e cm -3 yksikköavaruuskulmassa riippuu lain mukaan etäisyydestä Auringosta r (km)

150 10 6 km etäisyydellä Auringosta elektronitiheys N e = 2 – 20 cm -3. Planeettojenvälinen plasma on tilastollisesti epähomogeeninen väliaine, jonka epähomogeenisuuksien keskimääräinen koko on noin 200 km. Lisäksi on olemassa laajamittaisia ​​heterogeenisuuksia, joiden mitat ovat (0,1 - 1) 10 6 km. Vakiomagneettikentän voimakkuus 150 10 6 km etäisyydellä Auringosta on = 4 10 -3 A/m. Auringonpurkausten jälkeen elektronitiheys ja plasman virtausnopeus sekä jatkuvan magneettikentän voimakkuus kasvavat useita kertoja. Kokeellinen tutkimus radioaaltojen kulkemisesta ulkoavaruudessa lähteestä, joka lähettää valkoista spektriä (tähdistö Härkä) tai monokromaattisia värähtelyjä (avaruusobjekteihin asennettuja lähettimiä), osoitti, että VHF-energiavirta kummassakaan tapauksessa ei käytännössä absorboi planeettojen välistä energiaa. keskikokoinen. On kuitenkin todettu, että planeettojen välinen väliaine aiheuttaa plasman epähomogeenisuuksien liikkumiseen liittyvien radioaaltojen häipymistä.

Koska planeettojen välisen väliaineen epähomogeenisuudet ovat erilaisia ​​planeettojenvälisen ja lähellä aurinkoavaruuden eri alueilla, vaiheiden, amplitudien ja radioaaltospektrin muutokset riippuvat polun sijainnista suhteessa aurinkoon.

VHF-radiolinkin ominaisuudet Earth - avaruus. Energiahäviö. Maan ja avaruuden välisellä radiolinkillä planeettojen välisellä plasmalla on heikko radioaaltoja absorboiva tai sirottava vaikutus. Ratkaiseva tekijä on signaalin vaimennus johtuen reitin suuresta pituudesta ja absorptiosta Maan ilmakehässä.

Avaruusaluksen kanssa tapahtuvaan radioviestintään soveltuvien radiotaajuuksien aluetta rajoittavat maan ilmakehän absorboivat ja heijastavat ominaisuudet. Yli 10 metrin pituiset radioaallot heijastuvat ionosfääristä eivätkä siksi sovellu kommunikointiin sen rajojen ulkopuolella olevien esineiden kanssa. Radioaaltojen absorptio ionosfäärissä pienenee neliöllisen lain mukaan toimintataajuuden kasvaessa. Kun aallot, joiden taajuudet ovat yli 100 MHz, kulkevat ionosfäärin koko paksuuden läpi, absorptio ei ylitä 0,1 dB. Absorptiopurskeiden aikana 100 MHz:n taajuuden aallon häviöt kasvavat 1 dB:iin ja mittariaaltojen kulkuolosuhteet huononevat. Avaruusradioviestintään sovellettavien taajuuksien yläraja määräytyy radioaaltojen absorption perusteella troposfäärissä ja on noin 10 GHz. Kun maavastaanotin sijaitsee noin 5 km:n korkeudessa, toimintataajuuksien yläraja voidaan nostaa 40 GHz:iin.

Radioviestintään sellaisten satelliittien kanssa, joiden liikerata ylittää ionosfäärin elektronitiheyden päämaksimin - F2-kerroksen, lyhytaaltoja voidaan soveltaa. HF:n heijastus ja absorptio noudattavat tässä tapauksessa samoja lakeja kuin maanpäällisissä lyhytaaltoradioyhteyksissä. Satelliitista vastaanotetun signaalin tason jyrkkä nousu havaitaan, kun satelliitti kulkee vastaanottopisteen ja antipodipisteen yli (antipodiefekti).

Kierrä polarisaatiotasoa. Kun radioaallot etenevät ionosfäärissä Maan jatkuvan magneettikentän läsnä ollessa, radioaallon polarisaatiotaso pyörii.

Aallon polarisaatiotason kiertokulman maksimiarvo (asteina) määräytyy lausekkeesta (4.14) saadusta lausekkeesta olettaen, että aalto kulkee ionosfäärin koko paksuuden läpi suurimmalla elektronitiheydellä (päivällä). , kesä):

missä on toimintataajuus, MHz; - satelliitin todellinen zeniittikulma (kuva 5.10). Ymax-arvot taajuuksille 500 MHz, 1 GHz, 3 GHz, at = , ovat vastaavasti; ; .

Polarisaatiotason pyöriminen ionosfäärissä ilmenee erittäin korkeilla taajuuksilla ja muuttuu satelliitin liikkuessa taivaalla kulman ja ionosfäärin elektronitiheyden vaihteluiden vuoksi. Kun vastaanotetaan lineaarisesti polarisoidulla antennilla, tapahtuu häipymistä. Häipymisen poistamiseksi käytetään pyöreäpolarisaatiolla varustettuja lähetys- ja vastaanottoantenneja. On otettava huomioon, että vain kaavion keskiosassa on ympyräpolarisaation omaava kenttä ja kaavion reunoilla on kenttä, jolla on elliptinen polarisaatio. Tämä aiheuttaa noin 0,5 dB:n polarisaatioepäsopivuushäviön. Jos sisäisessä antennissa on lineaarinen polarisaatio, häviöt ovat jopa 3 dB.

Radioaaltojen häipyminen. Radioaaltoenergian hajoaminen ionosfäärin epäsäännöllisyyksistä sekä suorien ja haja-aaltojen häiriöt johtavat ionosfäärin läpi kulkevien radiosignaalien amplitudin vaihteluihin. Tällaisten signaalien jatkuvan vastaanoton varmistamiseksi niiden laskettua intensiteettiä tulisi lisätä tietyllä määrällä. Arvot taajuuksille 300 MHz, 1 GHz ja 3 GHz ovat vastaavasti 1,6; 0,5; 0,1 dB ja osoittavat, että sironnan vaikutus pienenee taajuuden myötä.

Vastaanotettujen ja lähetettyjen taajuuksien D arvojen eroa kutsutaan

Doppler-taajuusmuutos:

Riisi. 5.10. Maa-avaruus radiolinkkikaavio:

A- maadoitettu antenni; KANSSA- satelliitti

Esimerkiksi, kun r = 8 10 3 m/s, Doppler-taajuusmuutos = 0,02 0,2 ​​MHz.

Kun liikkuvan lähteen lähettämät radioaallot kulkevat epähomogeenisen väliaineen läpi, joka muuttuu satunnaisesti ajassa ja tilassa, myös se muuttuu satunnaisesti.
Näin ollen, kun avaruusaluksen lähettämät radioaallot kulkevat epähomogeenisen troposfäärin, ionosfäärin ja ulkoavaruuden läpi, muutos on luonteeltaan tilastollinen.

Vähentääkseen kantoaaltotaajuuden muutosten haitallisia vaikutuksia avaruusradioviestinnän aikana vastaanottimet käyttävät automaattista taajuuden säätöä tai muuttavat lähettimen taajuutta, jos lähettäjän liikerata on tiedossa. Lisäksi Doppler-ilmiön vaikutuksesta signaalin taajuusspektri muuttuu, koska jokainen spektrin komponentti vastaanottaa oman siirtymänsä.

Doppler-taajuussiirtymää käytetään positiivisena ilmiönä, jonka avulla voidaan määrittää liikkuvan lähteen tai heijastimen nopeus, jos väliaineen ominaisuudet tunnetaan. Ne ratkaisevat myös käänteisen ongelman: mittaamalla taajuussiirtymän ja tuntemalla emitterin nopeuden ne määrittävät väliaineen sähköiset parametrit.

Muutokset avaruusobjektien koordinaattien määrittämisessä radioteknisin menetelmin. Radioaaltojen kulkemiseen troposfäärissä ja ionosfäärissä liittyy taittuminen ja muutoksia aallon etenemisen vaihe- ja ryhmänopeuksissa. Nämä tekijät aiheuttavat virheitä, jotka on otettava huomioon määritettäessä avaruusobjektien koordinaatteja radioteknisin menetelmin. Tapahtuvien virheiden poistaminen tapahtuu tekemällä tarvittavat muutokset.

5.6. Aallon etenemisen ominaisuudet optisella ja infrapuna-alueella

Yleiset määräykset. Optinen alue sisältää sähkömagneettiset värähtelyt, joiden aallonpituus on 0,39-0,75 mikronia. Infrapuna-alue (IR) sisältää aaltoja, joiden pituus on 0,75-1000 mikronia ja jotka ovat optisten ja millimetriaaltojen välissä. Infrapuna-alue on jaettu kolmeen alueeseen: lähi-infrapunasäteily - 0,75 - 1,5 mikronia, keski - 1,5 - 5,6 mikronia ja kauko-infrapuna - 5,6 - 1000 mikronia. Optisten, infrapuna- ja millimetriradioaaltojen spektrin rajat menevät päällekkäin.

Optiset ja IR-aallot voidaan tarkentaa linsseillä ja peileillä, muuttaa suuntaa heijastuessaan ja taittuessaan ja hajottaa spektriksi prismoilla. IR-aallot, kuten radioaallot, voivat kulkea joidenkin materiaalien läpi, jotka ovat optisia aaltoja läpinäkymättömiä. IR-aallot ovat löytäneet laajan sovelluksen useilla teollisuudenaloilla.

Monien IR-järjestelmien tärkein etu on, että on mahdollista käyttää säteilyä kohteista, jotka ovat joko itse IR-säteilyn lähteitä tai heijastavat säteilyä luonnollisista IR-lähteistä. Tällaisia ​​järjestelmiä kutsutaan passiivisiksi. Aktiivisissa IR-järjestelmissä on voimakas lähde, jonka spektrin kapeaan osaan suodatettu säteily keskitetään optisen järjestelmän avulla ja ohjataan kapeana säteen muodossa kohteeseen.

IR-järjestelmissä on korkea resoluutio.

Optisten ja infrapuna-aaltojen vaimennus ilmakehässä. Ilmakehän optisten ja IR-aaltojen täydellinen vaimeneminen johtuu useista tekijöistä. Valon vaimeneminen ilmakehässä, jossa ei ole pilviä ja sumua, ja valon vaimeneminen sumussa erotetaan toisistaan.

Vaimennus vapaassa ilmakehässä koostuu kaasu- ja vesihöyrymolekyylien aiheuttamasta valon sironnasta ja selektiivisestä absorptiosta. Tietyn matkan r ilmakehässä kulkeneiden valon ja infrapuna-aaltojen kantama teho lasketaan samalla tavalla kuin radioaallon teho:

jossa Г on kokonaisabsorptiokerroin dB/km, yhtä suuri kuin:

G=Gg+Gp+Gsel+Gt.

Tässä Гг ja Гп ovat kaasu- ja höyrymolekyylien sironnan aiheuttamia vaimennuskertoimia; Gsel - valikoiva absorptiokerroin; Гт - absorptiokerroin sumussa.

Kaasumolekyylien Gg (dB/km) aiheuttaman aallonsironnan aiheuttama vaimennuskerroin ilmanpaineessa p (MPa), lämpötilassa T (K) ja aallonpituudella l (μm) määritetään seuraavalla lausekkeella:

GG = 25p/Tl 4.

Tämän tyyppinen vaimennus on paljon vähemmän ilmeistä infrapuna-alueella kuin optisella alueella.

Ilmakehä, jossa ei ole pilviä ja sumua, sisältää epäpuhtaushiukkasia - vesihöyryä ja pölyä, joille myös optiset ja IR-aallot ovat sironneet. Kunkin hiukkasen valonsirontatilakuvion karakterisoimiseksi käytetään sironnan indikaattorin (kulmasirontafunktio) käsitettä, joka määritellään hiukkasen tiettyyn suuntaan siroaman tehon ja kaikkiin suuntiin sironneen energiavuon suhteeksi (a antennin säteilykuviota vastaava käsite). Sirontaindikaattorit määritetään laskemalla pallomaisille hiukkasille, joilla on eri säteet a ja joilla on erilaiset taitekertoimet n. Pienet hiukkaset, joissa a/l<<1 и n 1 имеют ин­дикатрису, описываемую законом синуса с максимумами в направлении прямого и об­ратного движения волны. При n → ∞ малые частицы рассеивают назад больше энергии, чем вперед. По мере роста а/l индикатри­са рассеяния прозрачных частиц становится все более вытянутой вперед (эффект Ми).

Pöly- ja höyryhiukkaset ovat monta kertaa suurempia kuin aallonpituus, eikä hiukkasten määrä pysy vakiona, mikä vaikeuttaa ekstinktiokertoimen laskemista. Siksi on edullista käyttää kokeellisia tietoja näiden hiukkasten aiheuttaman sironnan aiheuttaman vaimennuksen määrittämiseksi. Kokeellisesti havaittiin, että vaimennuskerroin on verrannollinen arvoon l -1,75. Tämän tyyppiset häviöt ovat suurimmat kaupungeissa; IR-aalloilla ne ovat pienempiä kuin optisilla aalloilla.

Selektiivinen absorptio on erityisen ominaista IR-alueelle. Kuvassa Kuva 5.11 esittää energian jakautumista auringon spektrissä mitattuna lähellä maata aaltoalueella 0,3-2,2 mikronia. Jos valikoivaa absorptiota ei olisi, käyrällä olisi tasainen kulku, joka on merkitty katkoviivalla. Spektrin näkyvässä osassa 0,4-0,75 mikronin aalloilla absorptio on merkityksetöntä, 0,76 mikronin aallonpituudella havaitaan hapen absorptiota. Aaltojen lähellä on voimakkaan absorption alueita, joiden pituus on 0,94; 1,10; 1,38 ja 1,87 mikronia. Tämä absorptio johtuu vesihöyryn läsnäolosta ilmakehässä, ja ilmakehän läpinäkyvyys infrapunasäteille riippuu suuresti ilmakehän kosteudesta.

Riisi. 5.12 Selkeän taivaan päästöspektri

Absorboiva vaikutus on hiilidioksidilla (aalloilla 2,7, 4, 3 ja 12 20 mikronia) ja otsonilla (aalloilla 4,7 ja 9,6 mikronia), mutta pääasiallinen absorboiva vaikutus on vesihöyryllä, koska sen pitoisuus on paljon suurempi kuin hiilidioksidikaasun ja otsonin pitoisuus.

Mittaukset ovat osoittaneet, että ilmakehässä on suhteellisen hyvä läpinäkyvyys infrapunasäteille seuraavilla aallonpituuksilla: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2, 1-2, 4; 3,3-4,0; 8, 0-12,0 um. Näissä rajoissa absorptio voidaan jättää huomiotta, kun taas väliaalloilla ja aalloilla, jotka ovat pidempiä kuin 13,0 μm, tapahtuu melkein täydellinen absorptio.

Sumupisaroissa esiintyy lämpöhäviötä ja sirontaa, kuten millimetri- ja senttimetriradioaaltojen kohdalla. Mitä suurempi pisarakoko, sitä suuremmat häviöt.

Optisten ja infrapuna-aaltojen taittuminen ilmakehässä. On olemassa ero tähtitieteellinen taittuminen - taivaankappaleesta tai muusta matalalla havaitsijaan sijaitsevasta lähteestä tulevien säteiden taittuminen ja maanpäällinen taittuminen - maanpäällisistä kohteista tulevien säteiden taittuminen.

Optiset ja lähi-infrapuna-aallot taittuvat vähemmän kuin radioaallot. Troposfäärin taitekerroin infrapuna- ja optisille aalloille kirjoitetaan seuraavassa muodossa (katso 3.1):

missä on kuivan ilman osapaine (Pa).

Tähtitieteellisessä taitteessa, kun säde kulkee koko ilmakehän paksuuden läpi, jonka taitekerroin kasvaa lähestyttäessä maan pintaa, aallon rata on aina zeniittiin kupera (positiivinen refraktio). Kuten radioaaltojen kohdalla, taittuminen johtaa virheeseen korkeuskulman määrittämisessä.

Maan taittuminen voi olla joko positiivista tai negatiivista. Normaalin taittumisen olosuhteissa näköetäisyys optisella ja IR-alueella on hieman pienempi kuin radioalueella. Kaava (3.5) on seuraavanlainen:

Optisen aallon liikeradan kaarevuussäde on noin 50 000 km. Optisella ja IR-alueella superfraktioilmiötä havaitaan harvemmin kuin radioalueella. Mirage-ilmiö liittyy superrefraktioon.

Optisten kvanttigeneraattoreiden säteilyn leviäminen ilmakehässä. Koherenssi, korkea monokromaattisuus, korkea suuntaavuus ja optisten kvanttigeneraattoreiden (OQG:t) säteilyn teho aiheuttavat vastaavia piirteitä näiden säteilyjen etenemiseen ilmakehässä. Monien lasereiden spektrin leveys on pienempi kuin ilmakehän kaasujen selektiivisten absorptiolinjojen leveys. Siksi lasersäteilyn absorption kvantifioimiseksi tarvitaan tietoja kiinteiden taajuuksien selektiivisestä absorptiosta. Tällaisten tietojen saaminen on vaikeaa mittauslaitteiden rajallisen resoluution vuoksi. Selektiivisen absorption mittaukset alueella l = 0,69334 0,6694 μm, joka sisältää rubiinilasersäteilyn, osoittivat, että kun aallonpituus muuttuu alle 10 -4 μm, absorptio muuttuu 0 - 80 %.

On todettu, että kun ilmakehässä etenee tilallisesti rajoitettuja säteitä, sironta hiukkasiin muuttaa tehon jakautumista säteilysäteen poikkileikkaukselle. Tämä jakautuminen riippuu kerroksen optisesta paksuudesta, säteen geometriasta ja väliaineen ominaisuuksista.

Troposfäärin myrskyisät epähomogeenisuudet heikentävät vakavasti IR-radiolinkkien toimintaolosuhteita. Niiden vaikutus on erityisen merkittävä koherentin säteilyn etenemiseen. Troposfäärin turbulenssi häiritsee koherentin säteen vaiherintaman vakautta, jolloin se laajenee ja taipuu ja aiheuttaa amplitudivaihteluita.

Signaalin amplitudin vaihtelut noudattavat normaali-logaritmisen jakauman lakia. Säteilysäteen tulokulmien vaihteluille on ominaista normaali laki.

On saatu joitakin tietoja, joiden avulla voimme arvioida lasersäteilysäteiden mahdollista laajenemista. Mitattaessa 15 km:n ja 145 km:n etäisyyksiltä säteen eron havaittiin lisääntyneen 8" ja 13" vastaavasti.

Tämän seurauksena ei ole mahdollista luoda IR-antennien säteilykuvioita, jotka ovat alle kaarisekunnin leveitä.

Häiriöt optisissa ja infrapuna-aallonpituuksissa. Muu kuin kohdesäteilylähde on katsottava optisen tai infrapunajärjestelmän toimintaa häiritseväksi taustasäteilyksi. Taustasäteily on haitallista melua, johon on puututtava. Kuvassa 5.12 on laadullinen näkymä kirkkaan taivaan säteilyn spektriominaisuuksista päivän 1 ja yön 2 aikana.

Taivaan kirkkaus riippuu ilmakehän paineesta ja zeniittikulmasta, kasvaen horisonttia kohti. Pilvet aiheuttavat taivaan säteilyyn epätasaisuutta sekä päivällä että yöllä, erityisesti alle 3 mikronia lyhyemmillä aallonpituuksilla. Vakavimmat häiriöt tulevat pilvien kirkkaista reunoista, jotka ovat houkutuksia infrapuna-alueella.

Maa muodostaa spektrin IR-alueelle suuremman taustan kuin kirkas pilvetön taivas, joka heijastaa lyhytaaltosäteilyä ja lisää omaa lämpösäteilyään pitkillä aallonpituuksilla. Maan luoma tausta vaikeuttaa maakohteiden havaitsemista.

5.7. Sähkömagneettinen turvallisuus

Tarkastellaanpa yhtä tärkeää asiaa, joka, vaikka ei suoraan liity radioaaltojen etenemiseen, on saanut erityisen merkityksen näinä päivinä. Tosiasia on, että yhteiskunnan teknologiseen kehitykseen liittyy jatkuva lisääntyminen keinotekoisten sähkömagneettisten kenttien intensiteetissä, jotka ympäröivät ihmisiä työssä ja jokapäiväisessä elämässä. Tämän seurauksena ihmisten terveyden suojeleminen voimakkaiden kenttien haitallisilta vaikutuksilta, joilla on pitkäaikainen vaikutus kehoon, tulee merkitykselliseksi.

Tässä mainittu ongelma kuuluu säteilybiologian toimivaltaan, joka muun muassa tutkii kattavasti sähkömagneettisen kentän vaikutusta elävään olentoon. On todettu, että ihmisille vaarallisimpia ovat ionisoiva säteily, jonka kvanttienergia riittää poistamaan elektroneja atomista. Ultraviolettisäteilyllä ja kaikella muulla lyhyemmän aallonpituuden säteilyllä, kuten sähkömagneettisilla aalloilla röntgenalueella, on nämä ominaisuudet.

Absorboivan ionisoivan säteilyn biologinen vaikutus ilmaistaan ​​erikoisyksiköinä - harmaina (Gy). Yksi harmaa vastaa energian absorptiota 1 J per 1 kg.

Tärkein ihmisen suojakeino on absorboituneen säteilyn annoksen rajoittaminen. USA:ssa hyväksyttyjen standardien mukaan työssä säteilylle altistuvien henkilöiden suurin sallittu vuosiannos on 50 mGy. Muun väestön yksilöllinen annos ei saa ylittää 50 mGy:tä 30 vuoden aikana, lukuun ottamatta luonnollista taustasäteilyä.

Radiotaajuuksilla kvanttien (fotonien) energia ei riitä aineatomien ionisoimiseen. Tuleva sähkömagneettinen kenttä muuttaa atomit tai molekyylit virittyneeseen tilaan. Tämän jälkeen atomit tai molekyylit palaavat alkuperäiseen tilaansa lähettäen uusia samantaajuisia kvantteja. Lopulta kaikki kehon absorboima radioaaltoenergia muuttuu lämmöksi. Tätä käytetään usein lääketieteessä sisäelinten lämmittämiseen. Ihmisten pitkäaikainen altistuminen mikroaaltokentille, joiden tehovuon tiheys on useita mW, johtaa kuitenkin tuskallisiin ilmiöihin, pääasiassa silmän linssin sameutumiseen. Geneettisten muutosten mahdollisuutta kehossa ei voida sulkea pois. Siksi asianmukaisia ​​laitteita käytettäessä on tieteellisesti perusteltuja standardeja henkilöstön radiotaajuiselle altistukselle noudatettava tarkasti.

5.8. Itsetestauskysymykset

1. Ilmoita ultrapitkien ja pitkien aaltojen etenemisen pääpiirteet.

2. Mitkä ovat VLF- ja DV-radioviestinnän edut ja haitat?

3. Mitkä ovat pallomaisen maa-ionosfääri-aaltoputken ominaisuudet?

4. Ilmoita keskiaaltojen etenemisen pääpiirteet.

5. Miten SW:n etenemisolosuhteet muuttuvat päivän aikana?

6. Mikä on signaalin häipymisen luonne CB:ssä?

7. Miten sähkökentän voimakkuus määritetään CB-alueella?

8. Ilmoita lyhyiden aaltojen etenemisen pääpiirteet.

9. Millä ehdolla suurin soveltuva taajuus valitaan?

10. Mitkä tekijät määräävät pienimmän sovellettavan taajuuden?

11. Mikä on hiljaisuusalue?

12. Mitkä ovat HF-häipymisen syyt?

13. Mitä ilmiötä kutsutaan Kabanov-ilmiöksi?

14. Millä alueilla HF-viestintä on vaikeaa?

15. Mihin aikaan vuorokaudesta voit toimia korkeammilla taajuuksilla lyhytaaltoalueella?

16. Ilmoita ultralyhyiden aaltojen pinta-avaruudessa leviämisen pääpiirteet.

17. Ilmoita VHF-etenemisen piirteet näkökentän sisällä.

18. Miten epätasaisesta maanpinnasta tulevat heijastukset vaikuttavat VHF:n etenemiseen?

19. Ilmoita VHF-etenemisen ominaisuudet epätasaisessa maastossa ja kaupungeissa.

20. Mikä on ilmiö, jota kutsutaan esteen vahvistamiseksi?

21. Ilmoita VHF-jakelun piirteet suuressa kaupungissa.

22. Osoita VHF-etenemisen piirteet pitkiä matkoja supertaittumisolosuhteissa.

23. Selitä VHF-sironta troposfäärin epähomogeenisuuksissa.

24. Mihin metriaaltojen sironta ja heijastuminen ionosfäärissä johtaa?

25. Mitä vastaanottomenetelmiä käytetään torjumaan VHF-häipymistä?

26. Ilmoita VHF-etenemisen pääpiirteet ulkoavaruudessa.

27. Esitä planeettojen välisen väliaineen tärkeimmät ominaisuudet.

28. Selitä VHF-radiolinkkien maa-avaruus: energiahäviöt; polarisaatiotason kierto; häipyminen.

29. Ilmoita aaltojen etenemisen pääpiirteet optisella ja IR-alueella.

30. Mitkä ovat syyt optisten ja IR-aaltojen heikkenemiseen ilmakehässä?

31. Mitkä ovat optisten ja IR-aaltojen taittumisen ominaisuudet?

32. Mikä on ilmakehän vaikutus optisten kvanttigeneraattoreiden säteilyn etenemiseen?

33. Mikä on häiriön lähde optisella ja IR-aallonpituusalueella?

34. Mikä on sähkömagneettisen turvallisuuden ongelma?

KIRJALLISUUS

1. Yamanov D.N. Sähködynamiikan ja radioaaltojen leviämisen perusteet. Osa 1. Sähködynamiikan perusteet: Luentotekstit. - M: MSTU GA, 2002. – 80 s.

2. Yamanov D.N. Sähködynamiikan ja radioaaltojen leviämisen perusteet. Osa 2. Sähködynamiikan perusteet. Luentojen tekstit - M: MSTU GA, 2005. - 100 s.

3. Baskakov S.I. Radioaaltojen elektrodynamiikka ja eteneminen: Oppikirja. käsikirja yliopistoille. – M: Korkeampi. koulu, 1992. – 416 s.

4. Nikolsky V.V., Nikolskaya T.N. Radioaaltojen elektrodynamiikka ja eteneminen: Oppikirja. käsikirja yliopistoille. – M: Nauka., 1989. – 544 s.

5. Markov G.T., Petrov B.M., Grudinskaya G.P. Radioaaltojen elektrodynamiikka ja eteneminen: Oppikirja. käsikirja yliopistoille. – M: Sov. radio, 1979. – 376 s.

6. Grudinskaya G.P. Radioaaltojen leviäminen: Oppikirja. käsikirja yliopistoille. – M: Korkeampi. koulu, 1975. – 280 s.

7. Käsikirja radioelektroniikan teoreettisista perusteista: Osa 1./Toim. B.H. Krivitsky, V.N. Dulina. – M: 1977. – 504 s.

JOHDANTO…………………………………………………………………………………….. 3

1. RADIOAALTOJEN LEVENTÄMINEN VAPAAASSA AVARUUSSA ...4

1.1. Ihanteellisen radiolähetyksen kaava…………………………………………. 7

1.2. Avaruusalue, joka on välttämätön radioaaltojen leviämiselle. Fresnel-vyöhykemenetelmä…………………………………………………………. .10

1.3. Itsetestikysymykset…………………………………………………………………….. 12

2. MAAN PINNAN VAIKUTUS RADIOAALTOJEN LEVENTÄMISEEN………………………………………………………………………..13

2.1. Radioaaltojen absorptio eri tyyppisillä maan pinnalla……….13

2.2. Tasoradioaaltojen heijastus ilman ja maan tasaisen pinnan rajalla…………………………………………………………….17

2.3. Radioaaltojen heijastus karkealta pinnalta……………………….19

2.4. Maanpäällisten radioaaltojen etenemistapausten luokittelu……………22

2.5. Säteilijän kenttä nostettu tasaisen maanpinnan yläpuolelle…………22

2.6. Lähellä tasaista maata sijaitsevan emitterin kenttä

pinnat……………………………………………………………………..25

2.7. Radioaaltojen diffraktio pallomaisen maan pinnan ympärillä……….. 28

2.8 Itsetestikysymykset …………………………………………………… 29

3. TROPOSFERI JA SEN VAIKUTUS RADIOAALTOJEN LEVENTÄMISEEN..30

3.1. Troposfäärin koostumus ja rakenne ………………………………………………….. 30

3.2. Dielektrisyysvakio ja indeksi

troposfäärin taittuminen ……………………………………………………… 31

3.3. Radioaaltojen taittuminen troposfäärissä ………………………………………………………….. 33

3.4. Radioaaltojen absorptio troposfäärissä …………………………………………………………… 37

3.5. Itsetestikysymykset ……………………………………………………… 39

4. IONOSFERI JA SEN VAIKUTUS RADIOAALTOJEN LEVENTÄMISEEN ...39

4.1. Kaasun ionisaatio ja rekombinaatio ionosfäärissä ………………………………….. 39

4.2. Ionosfäärin rakenne………………………………………………………….. 41

4.3. Ionisoidun dielektrisyysvakio ja johtavuus

kaasu (plasma)…………………………………………………………………….. 44

4.4 Radioaaltojen etenemisnopeus ionisoidussa kaasussa (plasma) ...46

4.5. Radioaaltojen ionisoidun kaasun imeytyminen …………………………… ... 47

4.6. Radioaaltojen taittuminen ja heijastus ionosfäärissä………………………. 49

4.7. Vakiomagneettikentän vaikutus sähköön

Ionisoidun kaasun parametrit……………………………………………………………………………………………………………………………………………

4.8 Itsetestikysymykset ……………………………………………………… 52

5. RADIOAALTOJEN LEVENTÄMISEN OMINAISUUDET ERI ALUEILLA ……………………………………………………………………………………….. 53

5.1. Ultrapitkien ja pitkien aaltojen leviämisen ominaisuudet…………. 53

5.2. Keskisuurten aaltojen etenemisen ominaisuudet……………………………….. 57

5.3. Lyhyen aallon etenemisen ominaisuudet………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

5.4. Ultralyhyiden aaltojen pinta-avaruudessa leviämisen ominaisuudet………………………………………………………………………………………………

5.5. Ultralyhyiden aaltojen etenemisen ominaisuudet ulkoavaruudessa…………………………………………………………………………

5.6. Aaltojen etenemisen ominaisuudet optisella ja infrapuna-alueella……………………………………………………………………………………… 77

5.7. Sähkömagneettinen turvallisuus…………………………………………………………… 83

5.8. Itsetestikysymykset………………………………………………………………… 84

KIRJALLISUUS ………………………………………………………………………… 86

UDC 537.874

KOKEELLISET TUTKIMUKSET RADIOAALTOVAIMISTUKSESTA RAKENTEIDEN JA SUOJAUSrakenteiden avulla
MATERIAALIT TAAJUUSALUEELLA 800 MHz – 17 GHz

A. N. Katrusha

Ilmavoimien sotilaskoulutuksen tieteellinen keskus ”Ilmavoimien akatemia nimetty. Professori N.E. Žukovski ja Yu.A. Gagarin"

Annotaatio.Radioaaltojen lähetyskertoimet saatiin kokeellisesti eri materiaaleille laajalla taajuusalueella; tyypilliset radioaallon etenemisreitit otetaan huomioon rakennuksen ikkuna-aukon suojausta järjestettäessä; Saatujen tulosten fysikaalinen analyysi suoritettiin.

Avainsanat:radioaaltojen eteneminen, kokeelliset tutkimukset, sähkömagneettinen suojaus.

Abstrakti.Radioaaltojen kulkutekijät eri materiaaleille laajalla taajuusalueella vastaanotetaan kokeellisesti; tyypillisiä radioaaltojen etenemislinjoja otetaan huomioon rakennuksen ikkuna-aukon suojauksen järjestämisessä; the fyysistä saatujen tulosten analysointi suoritetaan.

Avainsanat:radioaaltojen leviäminen, kokeelliset tutkimukset, e sähkömagneettinen suojaus.

Johdanto.

Signaalitason arvioiminen radioaaltojen etenemisen aikana kaupunkialueilla on tarpeen ratkaistaessa sellaisia ​​tärkeitä ongelmia, kuten matkaviestinverkkojen (mukaan lukien ultralaajakaistainen), langattomien tietokoneverkkojen suunnittelu ja järjestäminen sekä häiriöiden muodostuminen tiedon estämiseksi. vuoto radiokanavan yli. Lisäksi tällä hetkellä on mielenkiintoista tutkia erilaisten esteiden aiheuttamaa ultralyhyiden sähkömagneettisten pulssien vaimentamista niiden tuhoavan vaikutuksen aikana rakennuksen sisällä sijaitseviin radioelektroniikkalaitteisiin.

Tietoja radioaaltojen vaimenemisesta niiden kulkeutuessa rakennuksen sisällä löytyy esimerkiksi viitekirjallisuudesta, mutta ne on annettu joko yleistetyssä muodossa useille näytetaajuuksille tai keskiarvoina erittäin laajalla taajuudella. alueet (esimerkiksi vaimennusarvossa rakennuksen sisällä kulkevien radioaaltojen keskiarvona taajuusalueella 500 MHz - 3 GHz). On selvää, että ultralaajakaistaisten signaalien ja ultralyhyiden pulssien vaimennustasojen arvioimiseksi asianmukaisesti tarvitaan yksityiskohtaisempaa tietoa radioaaltojen vaimennuskertoimista signaalin (pulssi) taajuuskaistan eri esteissä, jotka ulottuvat useisiin gigahertseihin.

Tutkimukseen valittu taajuusalue on 800 MHz – 17 GHz, joka kattaa nykyaikaisten matkaviestinverkkojen, langattoman tiedonsiirron, ultralaajakaistaisten viestintäjärjestelmien toiminta-alueet sekä tärkeimmät ultralyhyiden sähkömagneettisten pulssien taajuusalueet.

Kokeellisten tutkimusten tulokset.

Tarkastellaan kanonista ongelmaa radioaaltojen kulkeutumisesta rakennukseen, jossa aalto tulee normaalisti rakennuksen etuseinään. Ilmeisesti vähiten vaimennusta odotetaan, kun radioaallot etenevät ikkuna-aukon läpi. Tässä suhteessa huoneiden suojausongelma ratkaistaan ​​käyttämällä suojamateriaaleista valmistettuja ikkunaverhoja.

On huomattava, että suojamateriaaleille tunnetaan vain laboratorio-olosuhteissa saadut läpäisyaaltojen läpäisykertoimet. Siksi on mielenkiintoista tutkia suojamateriaalien ominaisuuksia etenemispoluilla osana "ikkuna + suojamateriaali" -estettä sekä diffraktiokomponenttien vaikutusta suojausparametreihin.

Kokeellinen järjestely radioaaltojen lähetyskertoimien mittaamiseksi esteiden läpi koostui lähettimestä, vastaanottimesta ja kahdesta vastasuuntaisesta P6-23M-torviantennista. Lähettimenä käytettiin signaaligeneraattoria Rhode & Swarz SMF 43, vastaanotin oli spektrianalysaattori Rhode & Swarz FSU 26.

Radioaaltojen kulku lasiyksikön läpi.

Kokeelliset tutkimukset radioaaltojen siirtämisestä ikkunan läpi suoritettiin käyttämällä tavallista kaksinkertaista ikkunaa (kolme lasilevyä) osana muovista ikkunalohkoa. Lähetys- ja vastaanottoantennit sijoitettiin vastakkain 1,5 m etäisyydelle ikkunasta (kuva 1).

Kuva 1. Kaavio läpäisykertoimen mittaamiseksi kaksoisikkunan läpi

Signaalin tehotaso mitattiin spektrianalysaattorin sisääntulossa kaksinkertaisen ikkunan läsnä ollessa, missä- signaalin taajuus. Sen jälkeen ikkunapuitteet avattiin ja signaalitaso mitattiin antennien välisen esteen puuttuessa (vapaassa tilassa). Radioaaltojen läpäisykerroin kaksinkertaisen ikkunan läpi suhteessa vapaaseen tilaan laskettiin kaavalla

Taajuusriippuvuus , joka on saatu mittausten perusteella, on esitetty kuvassa. 2.

Kuva 2. Radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuus kaksinkertaisen ikkunan läpi

Kuvan analyysi osoittaa, että läpäisykerroin kaksinkertaisen ikkunan läpi riippuu merkittävästi taajuudesta. Taajuuksilla 800 MHz - 3 GHz havaitaan lähetyskertoimen värähtelevää luonnetta, mutta keskimääräinen taso on 0 dB. Todennäköisesti nämä värähtelyt johtuvat radioaaltojen heijastumisesta ikkunarakenteen metallikomponenteista (taajuuksilla 1-2 GHz P6-23M-antennin säteilykuvio on melko laaja, joten heijastuneet aallot voivat vaikuttaa merkittävästi vastaanotettuun signaaliin). Taajuusalueella 3 - 5,8 GHz radioaaltojen vaimennus on merkityksetöntä (-4 dB asti). Taajuuksilla 5,8 - 13 GHz havaitaan merkittävä signaalin vaimennus jopa -20 dB. Taajuusalueella 13 – 16 GHz lähetyskerroin ei ylitä -2 dB. 16 GHz:n yläpuolella vaimennus taas lisääntyy. Tämä lähetyskertoimen taajuusriippuvuuden luonne selittyy lasin dielektrisyysvakion riippuvuudella taajuudesta (ja siten lasista peräisin olevien radioaaltojen heijastuskertoimen taajuusriippuvuudella).

Tämän riippuvuuden tunnistamiseksi kvalitatiivisesti suoritettiin lisämittauksia. Ensin mitattiin signaalin taso, kun radioaallot kulkivat kaksinkertaisen ikkunan läpi . Sitten lisälasi asetettiin yhdensuuntaisesti lasiyksikön kanssa tietylle etäisyydelle d (Kuva 3) ja signaalin taso mitattiin . Läpäisykerroin lisälasin läpi osana "lasiyksikkö + lasi" -estettä laskettiin kaavalla

Riisi. 3 Kaavio radioaaltojen läpäisykertoimen mittaamiseksi kaksinkertaisen ikkunan ja lisälasin läpi

On selvää, että esteen läpikulkukerroin "kaksoislasi + lisälasi" suhteessa vapaaseen tilaan voidaan laskea seuraavastiKuitenkin arvioidaksesi lisälasin aiheuttamaa vaimennusta, ota huomioon riippuvuus .

Kuvassa Kuva 4 esittää radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet kaksinkertaisen ikkunan ja lisälasin välisellä etäisyydellä d =30 cm ja 40 cm, samoin kuin käännettäessä lisälasia vaakatasossa kulmassa 45 0 .

Riisi. 4. Radioaaltojen läpäisykertoimen taajuusriippuvuudet lisälasin läpi

Kuvan analyysistä. 4 voimme tehdä seuraavat johtopäätökset. Taajuusalueella 3–13 GHz havaitaan merkittäviä jaksottaisia ​​siirtokertoimen värähtelyjä, jotka ulottuvat 20 dB:n alueelle. Tämä läpäisykertoimen resonoiva luonne selittyy lukuisilla heijastuksilla kaksinkertaisen ikkunan ja lisälasin välillä. Lisäksi etäisyyden kasvaessa d 30 cm:stä 40 cm:iin värähtelyjen taajuus kasvaa, koska vastaanottopisteeseen saapuvien eri säteiden reittiero kasvaa. Kun lisälasia käännetään 45 0, jaksolliset värähtelyt pysähtyvät, mutta joillain taajuuksilla havaitaan syviä läpäisykertoimen laskuja.

Näin ollen taajuusalueilla 800 MHz - 3 GHz ja 13 GHz - 17 GHz lasin dielektrisyysvakio on lähellä ilman dielektrisyysvakiota, taajuusalueella 3 GHz - 13 GHz lasin dielektrisyysvakio eroaa lasin dielektrisyysvakiosta. ilman dielektrisyysvakio, ja tämä ero on merkittävin alueella 6,5 ​​GHz – 12 GHz.

Radioaaltojen kulku suojamateriaalien läpi.

Sähkömagneettisten aaltojen suojaustehtävä on merkityksellinen sekä sähkömagneettisen yhteensopivuuden järjestämisessä että radioelektronisten laitteiden suojaamisessa voimakkailta sähkömagneettisilta pulsseilta. Suojamateriaaleina käytetään usein erilaisia ​​metalloituja kankaita, esimerkiksi nikkelillä päällystettyä METACRON-polyesterikangasta.

Kuvassa Kuva 5 esittää lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet kankaat METACRON 1P4-N3, jonka paksuus on 3 mikronia, ja 1P16-N5, jonka paksuus on 5 mikronia. Mittaukset tehtiin huoneessa, jonka mitat olivat 4 m × 8 m × 2,5 m, suojamateriaalin koko oli 2,5 m × 4 m (suojus peitti huoneen poikkileikkauksen kokonaan). Antennien välinen etäisyys oli 1 m (kuva 5a) ja 6 m (kuva 5b).

Kuvan analyysi Kuva 5 osoittaa, että kun radioaallot kulkevat ohuemman kudoksen 1P4-N3 läpi, läpäisevä aalto on vallitseva, vaimennus on keskimäärin -30 dB lähes koko tutkitulla taajuusalueella. Alle 3 GHz:n taajuuksilla diffraktioaaltojen taso tulee kuitenkin verrattavissa läpikulkuaallon tasoon ja ilmaantuu siirtokertoimen häiriövärähtelyjä, jotka saavuttavat 20 dB. Käytettäessä 1P16-N5-kangasta kankaana, diffraktio ja huoneeseen heijastuneet aallot hallitsevat koko taajuusalueella lähetyskertoimen värähtelyjen ollessa 30 dB.

Riisi. 5. Metalloitujen kankaiden läpi kulkevien radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet

Antennien välisen etäisyyden kasvu johtaa diffraktiokomponenttien tasojen nousuun (kuva 5b), mikä on erityisen havaittavissa 1P16-N5-kudoksella (lähetyskerroin kasvaa keskimäärin 20 dB). Samanaikaisesti alle 3 GHz:n taajuuksilla kudosten 1P4-N3 ja 1P16-N5 (kuvio 5b) lähetyskertoimien välillä ei käytännössä ole eroja diffraktiokomponenttien dominanssin vuoksi.

On huomattava, että saadut lähetyskertoimien arvot eroavat merkittävästi laboratoriotestien tuloksista, koska vastaanottopisteessä ne ottavat huomioon radioaaltojen läpimenon lisäksi myös diffraktiokomponentin, mikä on monissa käytännössä tärkeää. tapaukset voivat vaikuttaa merkittävästi luotuun kenttään.

Sähkömagneettisen suojauksen ongelmien ratkaisemiseksi voidaan käytännössä käyttää radioheijastavia maaleja. Kuvassa Kuvassa 6 on esitetty radioaaltojen lähetyskertoimien mitatut taajuusriippuvuudet grafiittimaalilla pinnoitetun vanerilevyn läpi, jonka mitat ovat 1 m × 1 m.

Riisi. 6. Radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet grafiittimaalilla päällystetyn vanerilevyn ja metallilevyn läpi

Antennien välinen etäisyys oli 1 m. Vertailun vuoksi kuvassa näkyy myös lähetyskertoimen taajuusriippuvuus samankokoisen kiinteän metallilevyn läpi.

Grafiittipäällysteisen näytön aiheuttama vaimennus on keskimäärin -20 dB lähes koko taajuusalueella. Tässä tapauksessa läpikulkuaalto hallitsee. Kuten tiedetään, kun radioaallot kulkevat metallilevyn läpi, diffraktiokomponentit ovat vallitsevia (läpäisevä komponentti on käytännössä poissa). Kahden riippuvuuden vertailusta on selvää, että diffraktiokomponentti kulkiessaan grafiittimaalilla päällystetyn vanerilevyn läpi on verrattavissa läpimenevään komponenttiin alle 4 GHz:n taajuuksilla, ja 1 GHz:n luokkaa olevilla taajuuksilla se alkaa. hallitsemaan.

On huomioitava, että käytännössä ikkuna-aukot suljetaan suojamateriaaleilla, joten radioaaltojen läpäisykerroin on mielenkiintoista arvioida asetettaessa näyttöä ikkunan eteen. Kuvassa Kuvassa 7 on kaavio läpäisykertoimen mittaamisesta, simuloimalla tilannetta, jossa huone suojataan ikkuna-aukolla. Tämä simuloi radioaaltojen kulkua kadulta rakennukseen ikkunan kautta.

Riisi. 7 Kaavio läpäisykertoimen mittaamiseksi suojamateriaalin läpi osana estettä "lasiyksikkö + näyttö"

Signaalin voimakkuusmittaukset suoritettiin Ja suojamateriaalin puuttuessa ja läsnä ollessa, vastaavasti. Suojamateriaalin läpäisykertoimen laskenta osana estettä "lasiyksikkö + suojamateriaali" suoritettiin kaavan mukaan

Lähetyskertoimen taajuusriippuvuus grafiittimaalilla päällystetty vanerilevy suhteessa kaksoisikkunaan on esitetty kuvassa. 8, jossa näytön ja lasiyksikön välinen etäisyys= 14 cm ja = 30 cm. Antennien välinen etäisyys oli 3 m.

Riisi. 8. Lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet ikkunan edessä sijaitsevan grafiitilla päällystetyn näytön läpi

Kuvan analyysi Kuva 8 osoittaa, että lähetyskerroin on luonteeltaan värähtelevä, mutta taajuusalueella 800 MHz - 3 GHz värähtelyjä aiheuttavat diffraktiokenttäkomponenttien häiriöt ja alueella 3 GHz - 14 GHz toistuvasti läpivientiaaltojen häiriöt. heijastuu lasiyksikön ja suojamateriaalin väliin. Tämä johtopäätös perustellaan vertaamalla riippuvuuksia näytön eri etäisyyksillä lasiyksiköstä. Ja jos 3-14 GHz:n etäisyys pienenee 30 - 14 cm, värähtelyjen taajuus pienenee 2 kertaa (joka johtuu lasiyksikön - näyttöresonaattorin - heijastuneiden aaltojen välisen reittieron pienenemisestä), sitten taajuusalueella 800 MHz - 3 GHz riippuvuudet eivät käytännössä eroa toisistaan.

Kuvassa esitettyjen riippuvuuksien vertailusta. Kuvista 7 ja 8 voidaan tehdä seuraava johtopäätös: näytön aiheuttama vaimennus riippuu merkittävästi radioaaltojen etenemisolosuhteista, ja moninkertaisten heijastusten vuoksi kaksoisikkunan ja näytön välillä se voi poiketa merkittävästi (10 dB tai enemmän) yhden vapaaseen tilaan sijoitetun näytön aiheuttamasta vaimennuksesta.

Suojamateriaalina voidaan käyttää erikoisvalmisteisten metalloitujen kankaiden ja säteilyä heijastavien pinnoitteiden lisäksi tavallista aurinkosuojakalvoa. Ilmeisesti metalloinnin läsnäolo tekee auringonsuojakalvosta radioheijastuksen, joten on mielenkiintoista mitata radioaaltojen läpäisykerroin kalvon läpi tutkittavalla taajuusalueella.

Kuvassa Kuva 9 esittää radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet keskitiheyden aurinkosuojakalvon läpi (yksi ja kaksi kerrosta), joiden mitat ovat 0,5 m × 1 m. Antennien välinen etäisyys oli 1 m.

Riisi. 9. Aurinkosuojakalvon läpäisykertoimen taajuusriippuvuudet

Kuvan analyysistä. Kuva 9 osoittaa, että lähetyskerroin yhden kalvokerroksen läpi on keskimäärin -40 dB. On huomattava, että perinteisen aurinkosuojakalvon suojausominaisuudet ovat keskimäärin 10 dB korkeammat kuin METACRON 1P4-N3 -kankaan suojaominaisuudet (kuva 5). Näin ollen aurinkosuojakalvoa voidaan hyvin käyttää suojamateriaalina. Tässä tapauksessa kalvo voidaan liimata ikkunalasiin ja käyttää verhona jonkin matkan päässä ikkunasta.

Kuvassa Kuvio 10 esittää lähetyskertoimen taajuusriippuvuudet yksi kerros aurinkosuojakalvoa ikkunan edessä 40 cm etäisyydellä antennien etäisyys oli 3 m.

Riisi. 10. Radioaaltojen lähetyskertoimen taajuusriippuvuus ikkunan edessä sijaitsevan auringonsuojakalvon läpi

Kuvassa esitettyjen riippuvuuksien analyysi. Kuvio 10 osoittaa, että lähetyskertoimen taajuusriippuvuus on erittäin epätasainen. Taajuuksilla 3 GHz - 14 GHz häiriövärähtelyjä aiheuttavat radioaaltojen resonanssiheijastukset lasiyksikön ja kalvon välillä, ja tuloksena oleva riippuvuus on kvalitatiivisesti erilainen kuin kuvassa 1 esitetty vastaava lähetyskertoimen riippuvuus. 8 (jaksollisten värähtelyjen sijaan havaitaan kaoottisia muutoksia lähetyskertoimessa). Tämä selittyy kokeissa käytetyn kalvon epätasaisella (aaltoilevalla) pinnalla, minkä seurauksena heijastuskerroin kalvosta riippui merkittävästi taajuudesta.

Radioaaltojen kulku seinän läpi.

On huomioitava, että radioaaltojen saapuessa rakennukseen seinän aiheuttama vaimennus voi olla huomattavasti pienempi kuin suojatun ikkuna-aukon vaimennus.

Artikkelissa esitetään kokeellisten tutkimusten tulokset eripaksuisten kiinteiden seinien aiheuttamasta radioaaltojen vaimenemisesta. Nykyään rakennusten ulkoseinissä on kuitenkin usein kerrosrakenne, esimerkiksi "1. kerros tiiliä - eristys - 2. tiilikerros."

Kuvassa Kuvassa 11 on esitetty välityskertoimen mittaustulokset seinän läpi, joka koostuu kahdesta 12 cm ja 9 cm paksuisesta tiilikerroksesta ja niiden välisestä 15 cm:n ilmatilasta (kuvassa yhtenäinen viiva). On huomattava, että kokeiden aikana käytettiin mallikuivaseinää, joka tehtiin rakennuksen sisäisen väliseinän muodossa. Vertailun vuoksi kuvassa. Kuva 11 näyttää myös keskimääräiset lähetyskertoimen arvot kiinteän sisäisen tiiliseinän läpi, jotka on saatu työssä ja laskettu uudelleen 21 cm:n tiilen paksuudelle (katkoviiva).

Riisi. 11. Radioaaltojen lähetyskerroin seinän läpi

Kuvan analyysi Kuva 11 osoittaa, että lähetyskertoimen taajuusriippuvuus on värähtelevää, mikä johtuu useista muunnoksista kahden muurauskerroksen välillä. Samanaikaisesti yli 10 GHz:n taajuuksilla lähetyskertoimen keskimääräinen taso pysyy lähes ennallaan ja jopa kasvaa hieman. Kun tiilen kokonaispaksuus on sama, kaksikerroksinen seinä vaimentaa enemmän kuin yksikerroksinen, mikä selittyy ylimääräisillä heijastushäviöillä ilma-tiili- ja tiili-ilmarajapinnoilla, kun aalto kulkee toisen kerroksen läpi. seinältä.

Johtopäätökset.

Kokeellisia tutkimuksia suoritettiin radioaaltojen vaimenemisesta, kun ne kulkevat seinän läpi, jossa on ikkuna-aukko. On kokeellisesti osoitettu, että 3-12 GHz:n taajuuksilla radioaaltojen vaimennus kaksinkertaisen ikkunan vaikutuksesta on erittäin merkittävää johtuen radioaaltojen merkittävästä heijastuksesta lasikerroksessa. Suojausmateriaaleja käytettäessä laboratorio-olosuhteissa saaduista läpiaaltoläpäisykertoimista ei ole riittävästi tietoa. Todellisilla radioaallon etenemispoluilla, päästä-päähän -komponentin ohella, on otettava huomioon diffraktiokomponentti, joka voi vaikuttaa merkittävästi tuloksena olevaan kenttään. Asetettaessa suojamateriaaleja ikkunan eteen on otettava huomioon lukuisat radioaaltojen heijastukset "lasiyksikkö – suojamateriaali" -resonaattorissa, jotka johtavat merkittäviin muutoksiin materiaalien suojausominaisuuksissa.

Kirjallisuus

1. Levitystiedot ja ennustemenetelmät lyhyen kantaman ulkona olevien radioviestintäjärjestelmien ja radiolähiverkkojen suunnitteluun taajuusalueella 300 MHz - 100 GHz . Suositus ITU-R P.1411-6, Geneve (02/2012).

2. Yleisradiosatelliittijärjestelmien suunnittelussa tarvittavat leviämistiedot. Suositus ITU- R P.679-3, (02/2001).

3. Metalloitu sähköä johtava kangas Metacron säteilysuojaukseen [Elektroninen resurssi]: LLC ydinvoimalaitos Teknostil. URL-osoite: http://www.metakron.ru

4. Radiosuojausmateriaalit [Elektroninen resurssi]: LLC NPP "Radiostream". URL-osoite: http://www.radiostrim.ru/ 100-screen.html.

5. A. I. Ryzhov, V. A. Lazarev, T. I. Mokhseni, D. V. Nikerov, Yu. V. Andreev, A. S. Dmitriev, N. P. Chubinsky. Ultralaajakaistaisten kaoottisten signaalien vaimennus alueella 3-5 GHz, kun ne kulkevat rakennuksen seinien läpi. // Journal of Radioelectronics: elektroninen lehti. 2012. N5. URL-osoite: http://site/jre/may12/1/text.pdf.

RADIOAALTOJEN LEVENTÄMINEN- lähetysprosessi avaruudessa el-magneettinen. radion kantama (katso Radioaallot).Luonnollisesti. ehdot R. r. esiintyy eri tavoin ympäristöissä esimerkiksi ilmakehässä, kosminen plasma, maan pintakerroksessa.

Yleiset kuviot radioaaltojen eteneminen. R. nopeus vapaassa tilassa tyhjiössä on yhtä suuri kuin c. Radioaallon siirtämä kokonaisenergia pysyy vakiona ja energiavuon tiheys pienenee etäisyyden kasvaessa r lähteestä on kääntäen verrannollinen r 2. R.r. muissa väliaineissa tapahtuu eri vaihenopeudella kuin Kanssa, ja tasapainoympäristössä siihen liittyy el-magnin imeytyminen. energiaa. Molemmat vaikutukset selittyvät väliaineen elektronien ja ionien värähtelyjen virityksellä sähkön vaikutuksesta. aaltokentät. Jos kentän voimakkuus E harmoninen aalto on pieni verrattuna itse väliaineen varauksiin vaikuttavaan kentänvoimakkuuteen (esimerkiksi atomissa olevaan elektroniin), silloin myös värähtelyt tapahtuvat harmonisesti. laki saapuvan aallon taajuudella w. Värähtelevät elektronit lähettävät toissijaisia ​​radioaaltoja, joilla on sama taajuus, mutta eri amplitudit ja vaiheet. Toisioaaltojen lisäämisen seurauksena tulevaan aaltoon muodostuu uusi aalto, jolla on uusi amplitudi ja vaihe. Vaihesiirto ensiö- ja uudelleen emittoivien aaltojen välillä johtaa muutokseen vaihenopeudessa. Syynä ovat energiahäviöt aallon vuorovaikutuksessa atomien kanssa radioaaltojen absorptio.

Aallon amplitudi pienenee etäisyyden mukaan lain mukaan ja aallon vaihe muuttuu lain mukaan y = w t- (w/s) nro, Missä x- imeytymisnopeus, n - taitekerroin; n Ja x riippuu dielektrisyysvakio väliaineen e, sen johtavuus s ja aaltotaajuus w:

missä. häviötangentti. Vaiheen nopeus u = Kanssa/ n, kerroin imeytyminen Ympäristö käyttäytyy kuten dielektrinen, jos ja johtimena, jos Ensimmäisessä tapauksessa toisessa - ja aalto vaimenee etäisyyksillä - ihokerroksen paksuus (katso. Ihovaikutus). Ympäristössä e c s ovat taajuusfunktioita (katso. aaltodispersio). E:n ja s:n taajuusriippuvuuden tyyppi määräytyy väliaineen rakenteen mukaan. Radioaaltojen hajoaminen on erityisen merkittävää tapauksissa, joissa aallon taajuus on lähellä sille ominaisia ​​ominaisuuksia. väliaineen taajuudet (esimerkiksi R. r.:n aikana ionosfäärissä ja kosmisessa plasmassa, katso alla).

Kun R. r. ympäristöissä, joissa ei ole vapaita elektroneja (troposfääri, maan paksuus), väliaineen atomeissa ja molekyyleissä tapahtuu sitoutuneiden elektronien siirtymistä aaltokenttää vastakkaiseen suuntaan E , jossa n > 1, u F< Kanssa. Plasmassa aaltokenttä aiheuttaa vapaiden elektronien siirtymisen suuntaan E , jossa n < 1 и uФ > с, eli vaihenopeus monokromaattinen. aallot voivat olla pienempiä tai suurempia Kanssa. Kuitenkin, jotta voidaan lähettää käyttämällä radioaaltoja to-l. Tietoa (energiaa), on välttämätöntä saada aikarajoitettu radiosignaali, joka on tietty joukko harmonisia. aallot Signaalin spektrikoostumus riippuu sen kestosta ja muodosta. Radiosignaali kulkee ryhmänopeudella u gr. Missä tahansa ympäristössä u gr< Kanssa.

Homogeenisissa väliaineissa radioaallot etenevät suoraviivaisesti, kuten valonsäteet. R. prosessi tässä tapauksessa noudattaa lakeja geometrinen optiikka. Todelliset ympäristöt ovat kuitenkin heterogeenisia. Heissä P, ja siksi u F ovat erilaisia ​​ympäristön eri osissa, mikä johtaa radioaaltojen taittuminen. Tasaisten (skaalalla l) epähomogeenisuuksien tapauksessa geomapproksimaatio on voimassa. optiikka. Jos taitekerroin riippuu vain korkeudesta h, mitattuna maan pallomaisesta pinnasta, niin ehto täyttyy säteen liikeradalla

Suhde (2) on Snellin laki taittuminen pallomaisesti kerrokselliselle väliaineelle. Tässä R 0 on maan säde, f on säteen kaltevuuskulma pystysuoraan liikeradan mielivaltaisessa pisteessä. Jos sen sijaan voimassa. taitekerroin ha syötä alennettu taitekerroin

silloin taittumislaki (2) saa muodon

Suhde (4) on nimeltään Snellin taittumislaki tasokerroksiselle väliaineelle.

Jos n vähenee kasvaessa h, sitten taittumisen seurauksena säde eteneessään poikkeaa pystysuorasta ja tietyllä korkeudella h m tulee yhdensuuntaiseksi vaakatason kanssa ja leviää sitten alaspäin (kuva 1, a). Max. korkeus h m, jonka avulla säde voi tunkeutua epähomogeeniseen tasokerroksiseen väliaineeseen, riippuu tulokulmasta f 0 ja määräytyy ehdosta

Riisi. 1. A- radioaaltojen taittuminen tasokerroksisessa väliaineessa, jonka grad n< 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.

Alueelle h > h m säteet eivät tunkeudu, ja geometrisen approksimation mukaan. optiikka, aaltokentän tällä alueella tulisi olla 0. Itse asiassa lähellä tasoa h = h m aaltokenttä kasvaa ja milloin h > h m pienenee eksponentiaalisesti (kuva 1, b). Maantieteellisten lakien rikkominen. optiikka osoitteessa R. r. liittyy myös aallon diffraktio, leikkauksen seurauksena radioaallot voivat tunkeutua geometriselle alueelle. varjoja. Geomin alueen rajalla. Varjossa muodostuu monimutkainen aaltokenttien jakauma. radioaallot syntyvät, kun niiden tiellä on esteitä (läpinäkymättömät tai läpikuultavat kappaleet) ja se on erityisen merkittävää tapauksissa, joissa esteiden koko on verrattavissa l:ään.

Jos R. r. esiintyy lähellä terävää rajaa (asteikolla l) kahden eri ympäristön välillä. sähköinen ominaisuudet (esimerkiksi ilmakehä - Maan pinta tai troposfääri - ionosfäärin alaraja riittävän pitkille aalloille), sitten kun radioaallot putoavat terävälle rajalle, muodostuu heijastuneita ja taittuneita (lähetettyjä) radioaaltoja. Jos heijastus tapahtuu johtavan väliaineen rajalta (esimerkiksi maan pintakerroksesta), tunkeutumissyvyys siihen määräytyy ihokerroksen paksuuden mukaan.

Heterogeenisissä ympäristöissä se on mahdollista ohjatun aallon eteneminen, jolla energiavirta paikantuu määriteltyjen väliin. pinnoille, minkä vuoksi niiden väliset aaltokentät pienenevät etäisyyden myötä hitaammin kuin homogeenisessa väliaineessa (atm. aaltoputki). Mediassa, jossa on sileä epähomogeenisuus, lokalisaatio liittyy taittumiseen ja terävien rajojen tapauksessa heijastukseen.

Väliaineessa, joka sisältää satunnaisia ​​paikallisia epähomogeenisuuksia, toisioaaltoja emittoidaan satunnaisesti eri suuntiin. ohjeita. Sironneet aallot kuljettavat osittain pois alkuperäisen aallon energiaa, mikä johtaa sen heikkenemiseen. Kun sirotaan koon epähomogeenisuuksia l l (ns. Rayleigh-sironta; ks Valon sironta) sironneet aallot etenevät lähes isotrooppisesti. Suuren mittakaavan läpinäkyvien epähomogeenisuuksien aiheuttaman sironnan tapauksessa sironneet aallot etenevät suuntiin, jotka ovat lähellä alkuperäistä aaltoa. Kun minä! l tapahtuu voimakasta resonanssisirontaa.

Maan pinnan vaikutus radioaaltojen etenemiseen määritellään sähköiseksi. maankuoren muodostavien maaperän ja vesitilojen parametrit e ja s sekä maan pinnan rakenne eli sen kaarevuus ja heterogeenisuus. R. r. on prosessi, joka kattaa suuren tilan, mutta eniten. oliot rooli R. r. esittää aluetta, jota rajoittaa kiertoellipsoidin muotoinen pinta, jonka polttopisteissä A Ja B etäisyydellä r lähetin ja vastaanotin sijaitsevat (radiopolku, kuva 2). Ellipsoidin pääakseli on yhtä suuri kuin ensimmäisen mittojen määräämä sivuakseli Fresnel-vyöhyke ja Reitin leveys pienenee, kun l pienenee. Jos korkeudet z 1 ja z 2, jossa lähettimen ja vastaanottimen antennit sijaitsevat maan pinnan yläpuolella, ovat suuria verrattuna l:ään, jolloin ellipsoidi ei kosketa maan pintaa eikä se vaikuta R. R. (Kuva 2, A). Kun radiotien molemmat tai toinen päätepiste pienenee (tai aallonpituus kasvaa), maan pinta leikkaa ellipsoidin. Tässä tapauksessa R.r. on sähköinen vaikutus. Maan pinnan alueen parametrit, joita rajoittaa reittiä pitkin ulottuva poikkileikkausellipsi. Jos olosuhteet säilyvät vastaanottopisteessä, se tapahtuu suorien ja heijastuneiden aaltojen välissä (katso. Aaltohäiriöt). Heijastetun aallon amplitudi ja vaihe määritetään ottaen huomioon Fresnel-kaavat kertoimelle heijastuksia. Häiriömaksimit ja -minimit määrittävät kentän keilarakenteen, mikä on ominaista dekametrille ja lyhyemmille radioaalloille. Jos z 1/l< 1 и z 2/l< 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+ l(p/4) ja

Riisi. 2. Avaruuden ellipsoidialue, joka on välttämätön radioaaltojen etenemiselle (radiopolku); A- säteilijä; SISÄÄN- vastaanotin.

Vähentää kentänvoimakkuutta ja siten radioaallon välittämän energian virtausta pitkin maan pintaa ( maan aalto), johtuu tämän alueen pintajohtavuudesta. Klo P.p. Johtavaa pintaa pitkin ilmaantuu energiavirta, joka suuntautuu johtavaan väliaineeseen ja hajoaa nopeasti leviäessään sen läpi. Radioaaltojen tunkeutumissyvyys maankuoreen määräytyy ihokerroksen paksuuden mukaan ja siksi kasvaa aallonpituuden kasvaessa. Siksi pitkiä ja erittäin pitkiä radioaaltoja käytetään maanalaiseen ja vedenalaiseen radioviestintään.

Riisi. 3. Näköetäisyys r rajoittaa maan pinnan kupera; R 0 - maan säde, z 1, ja z 2, - lähetys- ja vastaanottokorkeudet SISÄÄN antennit vastaavasti.

Maan pinnan kuperaus rajoittaa etäisyyttä vastaanottopisteestä SISÄÄN lähetin näkyy A(näköalue, kuva 3). Radioaallot, jotka taipuvat maan ympärille diffraktion seurauksena, voivat kuitenkin tunkeutua varjoalueelle pidemmän matkan ( R 0 - maan säde). Käytännössä vain kilometrien ja pidemmät aallot voivat tunkeutua tälle alueelle diffraktiosta johtuen (kuva 4).

Riisi. 4. Kaavio, joka havainnollistaa vaihteluväliä r eteneminen arvosta W = 20lg|E/E * | , Missä E- radioaallon kentänvoimakkuus todellisissa etenemisolosuhteissa, kun otetaan huomioon maanpinnan kuperuuden ympärillä oleva käyrä (säteilijä sijaitsee maan pinnalla); E * - kentänvoimakkuus eri taajuuksille ottamatta huomioon diffraktiota.

Maa-aaltojen vaihenopeus lähellä emitteriä riippuu sähkötehosta. ominaisuuksia. Kuitenkin usean etäisyyden päässä. l emitteristä u f! Kanssa. Jos radioaallot etenevät sähköllä epätasainen pinta, esim. ensin maan ja sitten meren yli, sitten kun rantaviivaa ei leikata, joen amplitudi ja suunta muuttuvat jyrkästi. (Shore-taitto, kuva 5).

Riisi. 5. Aallon sähkökentän voimakkuuden muutos rantaviivaa ylittäessä.

Maan pinnan kohokuvion vaikutus jokijokeen. riippuu epätasaisuuksien korkeudesta h, niiden horisontaalinen laajuus l, l ja aallon tulokulma q pinnalla. Jos kohoumat ovat riittävän pieniä ja hellävaraisia kh cosq< < 1 (k- aaltonumero) ja ns Rayleighin kriteeri k 2 l 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 h> l "häiritsee" aaltokenttää muodostaen varjostettuja alueita. Radioaaltojen diffraktio vuorenharjanteilla johtaa joskus suorien ja heijastuneiden aaltojen vahvistumiseen. Vuoren huippu toimii luonnollisena toistin. Tämä on merkittävää, kun mittarin radioaallot leviävät vuoristoalueilla (kuva 6).

Radioaaltojen leviäminen troposfäärissä. Troposfääri on maapallon pinnan ja tropopaussin välissä sijaitseva ilmakehän alue, jossa ilman lämpötila yleensä laskee korkeuden mukana (tropopausissa lämpötila nousee korkeuden mukana). Tropausin korkeus klo maapallo epätasainen, päiväntasaajan yläpuolella se on suurempi kuin napojen yläpuolella ja keskimmäisillä leveysasteilla, joissa on vahva järjestelmä lännen tuulet, muuttuu äkillisesti. Troposfääri koostuu neutraalien molekyylien ja kaasuatomien seoksesta, jotka muodostavat kuivan ilman ja vesihöyryn. Dielektrisyysvakio ja siten sellaisen kaasun taitekerroin, joka ei sisällä vapaita elektroneja ja ioneja, aiheutuu lisäkentistä, jotka syntyvät elektronien siirtymisestä molekyyleissä (kuiva ilma) ja polaaristen molekyylien (vesihöyry) suuntautumisesta kaasun alle. sähkön vaikutus. aaltokentät.

Troposfäärin taitekerroin

Missä s- kuivan ilmanpaine, e- vesihöyryn paine millibaareina, T- temp-pa. Taitekerroin ei riipu taajuudesta ja eroaa hyvin vähän yksiköstä. Siten maanpinnalla parametrit muuttuvat korkeuden kasvaessa r, t, e, jotka määrittävät taitekertoimien arvon. Normaaleissa sääolosuhteissa. olosuhteissa taitekerroin pienenee korkeuden myötä:

Tämä johtaa säteen polun kaareutumiseen. Säteen sijainnin arvioimiseksi oikein suhteessa maan pintaan on tarpeen ottaa huomioon sen pinnan pallomaisuus, mikä voidaan tehdä ottamalla käyttöön annettu taitekerroin (3):

erilainen kuin grad n ei vain vatsalihaksia. suuruusluokkaa, mutta myös merkkiä. Normaalin troposfäärin taittumisen olosuhteissa grad n pr > 0. Tässä tapauksessa maan yläpuolelle kulmassa pystysuoraan nähden nostetusta emitteristä tuleva säde lähestyy sitä eteneessään. Kun säteet etenevät laskevien arvojen suuntaan n jne. Tässä tapauksessa f 0:n arvoista riippuen säde voi saavuttaa maan pinnan ja heijastua siitä, saavuttaa ehdosta (5) määritetyn käännepisteen ja tietyssä kulman arvossa f 0 käännekohta voi olla maan pinnalla. Tässä tapauksessa säteen liikerata on raja sen alueen, jolle säteet voivat päästä, ja varjoalueen välillä. Normaali troposfäärin taittuminen lisää näköaluetta.

Meteorologinen olentojen olosuhteet. vaikuttavat taitekertoimen muutokseen eli radioaaltojen taittumiseen. Yleensä troposfäärissä ilmanpaine ja lämpötila laskevat korkeuden myötä ja vesihöyryn paine kasvaa. Tietyissä sääolosuhteissa. olosuhteet, esim. kun maan päällä lämmitetty ilma liikkuu meren kylmemmän pinnan yli, ilman lämpötila kohoaa korkeuden mukana ja vesihöyryn paine laskee (lämpötilan ja kosteuden käänteissuuntaus). Tässä tapauksessa taitekerroin ei muutu monotonisesti korkeuden mukaan, ts. dn jne /dh Tietyllä korkeudella merkki voi muuttua. Jos inversiokerroksen paksuuden määräävässä korkeusvälissä, niin grad n n.p.<0. В плоскослоистой среде с grad n jne< О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn jne /dh muuttaa etumerkkiä, olosuhteet syntyvät aaltoputken etenemiselle (kuva 7). Troposfäärin aaltoputkissa aallot yleensä l< 1 м.

Riisi. 7. VHF-radat troposfäärin aaltoputkessa.

Radioaaltojen absorptio troposfäärissä on merkityksetöntä kaikilla radioaalloilla senttimetrialueelle asti. Senttimetrien ja lyhyempien aaltojen absorptio kasvaa jyrkästi, kun aallon taajuus w osuu yhteen luonnollisista taajuuksista. ilmamolekyylien värähtelytaajuudet (resonanssiabsorptio). Molekyylit saavat energiaa tulevasta aallosta, joka muuttuu lämmöksi ja siirtyy vain osittain toisioaalloille. Tunnetaan useita resonanssiabsorptioviivoja troposfäärissä: l = 1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (absorptio vesihöyryssä) ja l = 0,5 cm, 0,25 cm (absorptio hapessa). Resonanssiviivojen välissä on alueita, joissa absorptio on heikompi (läpinäkyvyysikkunat).

Radioaaltojen vaimeneminen voi johtua myös epähomogeenisuuksien aiheuttamasta sironnasta, joka syntyy ilmamassojen turbulentin liikkeen aikana (ks. Turbulenssi) Sironta lisääntyy jyrkästi, kun ilmassa on pisaroiden epähomogeenisuutta sateen, lumen ja sumun muodossa. Lähes isotrooppinen Rayleigh-sironta pienimuotoisissa epähomogeenisuuksissa mahdollistaa radioviestinnän huomattavasti näkölinjaa suuremmilla etäisyyksillä (kuva 8). Siten troposfääri vaikuttaa merkittävästi VHF:n etenemiseen. Dekametrin ja pidempien aaltojen kohdalla troposfääri on lähes läpinäkyvä, ja niiden etenemiseen vaikuttavat maan pinta ja ilmakehän korkeammat kerrokset.

Riisi. 8. Radioaaltojen sironta pienen mittakaavan epähomogeenisuuksilla.

Radioaaltojen leviäminen ionosfäärissä. Ionosfääri muodostuu yläosaan. Maan ilmakehän kerrokset, joissa kaasut ionisoituvat osittain (jopa 1 %) UV- ja röntgensäteiden vaikutuksesta. ja korpuskulaarista auringonsäteilyä. Ionosfääri on sähköisesti neutraali, siinä on yhtä monta positiivista. ja kieltää. hiukkasia, eli se on plasmaa. Riittävän suuri ionisaatio, joka vaikuttaa jokeen, alkaa 60 km:n korkeudesta (kerros D), nousee 300-400 km:n korkeuteen muodostaen kerroksia E.F 1 , F 2 ja laskee sitten hitaasti. Ks. suurin elektronipitoisuus N saavuttaa 10 6 cm -3. Riippuvuus N korkeuden muutoksista vuorokaudenajan, vuoden, auringon aktiivisuuden sekä leveys- ja pituusasteen mukaan. Ionisoitunut 200-400 km:n kerros koostuu pääasiassa yhtä suuresta määrästä O + -ioneja ja elektroneja. Nämä hiukkaset upotetaan neutraaliin kaasuun, jonka pitoisuus on 10 8 cm -3 ja joka koostuu pääasiassa. hiukkasista O 2, O, N 2 ja He.

Monikomponenttisessa plasmassa, joka sisältää elektroneja, ioneja ja neutraaleja molekyylejä ja joka on tunkeutunut magnetismiin. Maan kenttä (katso Maan magnetismi), erilaisia ​​eroja voi esiintyä. omaisuustyypit värähtelyt, joilla on eri taajuudet. Esimerkiksi plasman (Langmuir) elektronien ja gyromagneettisten ionien taajuudet. elektronien ja ionien taajuudet missä m, M- elektroni- ja ionimassat, e- heidän vastuunsa, N- keskittyminen, H 0- magneettinen jännitys Maan kentät. Koska sitten. Esimerkiksi elektroneille = 1,4 MHz ja atomihappi-ioneille = 54 Hz.

Radioaallon taajuudesta w riippuen pää. rooli R. r. pelata tietyntyyppisiä ominaisuuksia. tärinä, joten sähköinen. Ionosfäärin ominaisuudet ovat erilaisia ​​radioalueen eri osissa. Korkealla w:llä ioneilla ei ole aikaa seurata R.R:n kentän muutoksia. Vain elektronit osallistuvat. Ionosfäärin vapaiden elektronien pakotetut värähtelyt tapahtuvat vaikuttavalla voimalla vastafaasissa ja aiheuttavat plasman polarisaatiota vastakkaiseen suuntaan kuin sähköinen. aaltokenttä E. Siksi dielektrinen. ionosfäärin läpäisevyys e< 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Kun otetaan huomioon elektronien törmäykset atomien ja ionien kanssa, saadaan tarkemmat kaavat e- ja s-ionosfäärille:

Tässä v on eff. törmäystaajuus. Dekametriä ja lyhyempiä aaltoja varten suurimmassa osassa ionosfääriä ja taitekertoimia h ja absorptio on suunnilleen yhtä suuri:

Koska h< 1, vaihenopeus R.r. UV = = s/n > s, ryhmänopeus u gr = s/n< с .

Absorptio ionosfäärissä on verrannollinen. v, koska kuin suurempi määrä törmäyksiä, niitä suurin osa Elektronin aalloista vastaanottama energia muuttuu lämmöksi. Siksi absorptio on suurempi alaosassa. ionosfäärin alueet (kerros D), jossa v on suurempi, koska kaasun tiheys on suurempi. Kun taajuus kasvaa, absorptio vähenee. Lyhyet aallot kokevat heikon absorption ja leviävät pitkiä matkoja.

Radioaaltojen taittuminen ionosfäärissä. Vain radioaallot, joiden taajuus on w > w 0, etenevät ionosfäärissä. osoitteessa 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 n= 0. Alemmassa Joissakin ionosfäärin osissa elektronipitoisuus ja w 0 kasvavat korkeuden mukana, joten w:n kasvaessa Maasta lähetetty aalto tunkeutuu yhä syvemmälle ionosfääriin. Max. ionosfäärikerroksesta pystysuoran tulon aikana heijastuvan radioaallon taajuus, ns kriittinen kerrosten taajuus:

Kriittinen kerrosten taajuus F 2 (huippumaksimi) vaihtelee päivän ja vuoden aikana laajalla alueella (3-5-10 MHz). Aaltojen kanssa taitekerroin ei katoa ja pystysuoraan tuleva aalto kulkee ionosfäärin läpi heijastumatta.

Kun aalto osuu vinosti ionosfääriin, tapahtuu taittumista, kuten troposfäärissä. Alemmassa osa ionosfääriä gradM -1, eli siksi grad ja säteen liikerata poikkeaa Maata kohti (kuva 9). Ionosfääriin kulmassa f 0 osuva radioaalto kääntyy korkeudessa Maata kohti h, jonka ehto (5) täyttyy. Max. ionosfääristä heijastuneen aallon taajuus osuessaan kulmaan (eli tietyllä polun etäisyydellä) on yhtä suuri kuin ns. suurin mahdollinen taajuus (MUF). Aallot kanssa ionosfääristä heijastuneena ne palaavat Maahan, jota käytetään pitkän matkan radioviestintään.

Riisi. 9. Kaavamainen esitys tietyntaajuisista radiosäteistä eri tulokulmissa ionosfäärissä.

Riisi. 10. Lyhyiden aaltojen leviäminen Maan ja ionosfäärin välillä: A- monihyppyinen lentorata; b- liukuva liikerata.

Maan pallomaisuudesta johtuen kulma f 0 on rajoitettu ja kommunikaatioetäisyys yhdellä heijastuksella ionosfääristä on 3500-4000 km. Viestintä pitkiä matkoja tapahtuu useiden kustannuksella. peräkkäinen heijastukset ionosfääristä ja maapallosta ("hypyt", kuva 10, A). Monimutkaisemmat aaltoputkiradat ovat myös mahdollisia, jotka johtuvat vaakasuuntaisesta gradientista N tai sironta ionosfäärin epähomogeenisuuksissa R. r.:n aikana. taajuudella w> w MUF. Sironnan seurauksena säteen tulokulma kerrokseen F 2 osoittautuu suuremmiksi kuin normaalilla etenemisellä. Säde kokee sarjan peräkkäisiä. heijastuksia kerroksesta F 2, kunnes se putoaa alueelle, jolla on tällainen kaltevuus N, joka saa osan energiasta heijastumaan takaisin maahan (kuva 10, b).

Maan magneettikentän vaikutus N 0 . Vuonna mag. ala N 0 nopeudella liikkuvalle elektronille u , pätevä Lorentzin voima leikkauksen vaikutuksesta se pyörii ympyrässä kohtisuorassa tasossa N 0, gyromagneettisella taajuus w H. Jokaisen latauksen liikerata. hiukkaset - heliksi, jonka akseli on pitkin N 0 . Lorentzin voiman vaikutus johtaa elektronien pakotetun värähtelyn luonteen muutokseen sähkön vaikutuksesta. aaltokenttään ja siten sähkötehon muutokseen. ympäristön ominaisuudet. Tämän seurauksena ionosfääristä tulee anisotrooppinen gyrotrooppinen väliaine, sähköinen. leikkauksen ominaisuudet riippuvat joen suunnasta. ja niitä kuvaa ei skalaarisuure e, vaan dielektrinen tensori. läpäisevyys Aaltotapaus sellaisella keskikokoisella kokemuksella kahtaistaitteisuus,T. e. jakautuu kahteen aaltoon, jotka eroavat etenemisnopeuden ja -suunnan, absorption ja polarisaation suhteen. Jos R:n suunta on r, niin tuleva aalto voidaan kuvitella kahden lineaarisesti polarisoidun aallon summana. Ensimmäiselle, "poikkeukselliselle" aallolle ( e) elektronien pakotetun liikkeen luonne aaltokentän vaikutuksesta E muuttuu (kiihtyvyyskomponentti tulee näkyviin, kohtisuorassa E) ja siksi muuttuu P. Toiselle, "tavalliselle" aallolle ( O) pakkoliike pysyy samana kuin ilman kenttää N 0 (Lorentzin voima on 0). Näillä kahdella aallolla (törmäyksiä huomioimatta) taitekertoimien neliöt ovat yhtä suuret

Kun R. r. pitkin

Jälkimmäisessä tapauksessa molemmilla aalloilla on pyöreä polarisaatio ja "epätavallisella" aallolla on vektori E pyörii elektronin pyörimissuuntaan, kun taas "tavallinen" pyörii vastakkaiseen suuntaan. R. r:n mielivaltaisella suunnalla. (suhteessa Н„) normaaliaaltojen polarisaatio on elliptinen.

R. r. ionosfäärissä aaltojen välinen vaihesiirto kasvaa ja kokonaisaallon polarisaatio muuttuu. Esimerkiksi P.p. pitkin N 0 tämä johtaa polarisaatiotason kiertoon ( Faradayn efekti) ja R. r. kohtisuorassa N 0 - jaksoittaiseen lineaaristen ja ympyräpolarisaatioiden vuorottelu (katso. Puuvilla - Mouton-efekti), Koska aaltojen taitekertoimet ovat erilaiset, ne heijastuvat eri korkeuksilla (kuva 11). Suunta k R.r. ionosfäärissä voi poiketa u gr.

Riisi. yksitoista. Radioaaltojen jakautuminen johtaa ionosfääriin.

Matalataajuiset aallot ionosfäärissä. Perus Osa matalataajuisten radioaaltojen energiasta ei käytännössä tunkeudu ionosfääriin. Aallot heijastuvat sen pohjalta. rajoja (päivällä - voimakkaan taittumisen vuoksi D-kerros, yöllä - alkaen E-kerros, kahden eri sähköisen ympäristön rajalta ominaisuudet). Näiden aaltojen etenemistä kuvaa hyvin malli, jonka mukaan homogeeninen ja isotrooppinen maa ja ionosfääri muodostavat pinta-aaltoputken, jolla on terävä pallomainen muoto. seinät, joissa R. r. esiintyy. Tämä malli selittää havaitun kentän vähenemisen etäisyyden mukaan ja kentän amplitudin kasvun korkeuden myötä. Jälkimmäinen liittyy aaltojen liukumiseen pitkin aaltoputken koveraa pintaa, mikä johtaa eräänlaiseen kentän "fokusoitumiseen". Tämä ilmiö on samanlainen kuin Rayleighin akustiikassa havaitsema "kuiskaava galleria". Radioaaltojen amplitudi kasvaa merkittävästi Maan antipodeaalipisteessä suhteessa lähteeseen. Tämä selittyy radioaaltojen lisäyksellä, jotka kiertävät Maata kaikkiin suuntiin ja lähentyvät vastakkaiselle puolelle.

Magneettinen vaikutus Maan kenttä määrittää joukon piirteitä matalataajuisten aaltojen etenemisestä ionosfäärissä: ultrapitkät aallot voivat poistua pinta-aaltoputkesta ionosfäärin ulkopuolelle eteneen geomagneettisia kenttälinjoja pitkin. kentät konjugaattipisteiden välillä A Ja SISÄÄN Maa (kuva 12). Kaavasta (8) on selvää, että kun kyseessä on pitkittäinen eteneminen ei käänny nollaan missään, eli aalto kulkee ionosfäärin läpi ilman heijastusta. Yöilmapiirissä geomin lähestyminen. optiikka häiriintyy ja osittainen lähetys tapahtuu missä tahansa tulokulmassa. Salama iskee · ilmakehässä - luonnollinen. LF-aaltojen lähde. Taajuusalueella 1-10 kHz ne johtavat ns. viheltää ilmakehät, joka levisi ilmoitetulla tavalla ja luoda signaali ominaisella vihellyksellä vastaanottimen lähtöön.

Riisi. 12.

Kun R. r. Infraäänitaajuuksilla w " W H ionivärähtelyillä on tärkeä rooli, ionosfääri käyttäytyy kuin johtava neutraali neste, jonka liikettä kuvataan yhtälöillä magneettinen hydrodynamiikka. Useat leviämiset ovat mahdollisia ionosfäärissä. tyypit magnetohydrodynaamiset. varsinkin aallot Alfven aallot, etenee pitkin geomagneettista kentät ominaisnopeudella (jossa r on kaasun tiheys) ja magnetosoniset aallot, jotka etenevät isotrooppisesti (kuten ääni).

Epälineaariset vaikutukset radioaaltojen etenemisen aikana ionosfäärissä ilmenevät jo suhteellisen alhaisen intensiteetin radioaalloilla, ja ne liittyvät väliaineen polarisaation lineaarisen riippuvuuden rikkomiseen sähköenergiasta. aaltokentät (katso Epälineaarinen optiikka) "On-heat" epälineaarisuudella on tärkeä rooli. rooli, kun ominaismitat häiriintynyt sähkö Plasma-alueen kenttä on monta kertaa suurempi kuin elektronin keskimääräinen vapaa reitti. Koska elektronien vapaa polku plasmassa on merkittävä, elektroni onnistuu vastaanottamaan havaittavaa energiaa kentästä yhden ajon aikana. Energian siirtyminen törmäyksissä elektroneista ioneihin, atomeihin ja molekyyleihin on vaikeaa niiden suuren massaeron vuoksi. Tämän seurauksena plasmaelektronit "kuumentuvat" voimakkaasti jo suhteellisen heikolla sähkövirralla. kenttä, joka muuttaa eff. törmäystaajuus. Siksi plasman b ja s muuttuvat kentästä riippuviksi E aallot ja R. r. muuttuu epälineaariseksi. "Häiriö" dielektrinen. läpäisevyys

Missä on tyypillinen "plasma"-kenttä, T - plasman temp-pa, d - keskim. osa energiasta, jonka elektroni menettää törmäyksessä raskaan hiukkasen kanssa, on törmäystaajuus.

Siten epälineaariset vaikutukset tulevat havaittaviksi, kun aaltokenttä E verrattavissa E s, joka aallon taajuudesta ja ionosfäärin alueesta riippuen on ~10 -4 -10 -1 V/cm.

Epälineaariset vaikutukset voivat ilmetä aallon itsevuorovaikutuksena ja aaltojen vuorovaikutuksena toistensa kanssa. Voimakkaan aallon itsevuorovaikutus johtaa muutokseen sen absorptiossa ja modulaatiosyvyydessä. Voimakkaan radioaallon absorptio riippuu epälineaarisesti sen amplitudista. Törmäystaajuus v elektronin lämpötilan noustessa voi joko kasvaa (alemmissa kerroksissa, joissa törmäykset neutraalien hiukkasten kanssa ovat pääosassa) tai pienentyä (törmäyksissä ionien kanssa). Ensimmäisessä tapauksessa absorptio kasvaa jyrkästi aaltotehon kasvaessa (kentän "kyllästyminen" plasmassa). Toisessa tapauksessa absorptio heikkenee (eli plasman kirkastuminen voimakkaalle radioaaltolle). Absorption epälineaarisesta muutoksesta johtuen aallon amplitudi riippuu epälineaarisesti tulevan kentän amplitudista, joten sen modulaatio on vääristynyt (aallon itsemodulaatio ja demodulaatio). Muuttaa h voimakkaan aallon alalla johtaa säteen liikeradan vääristymiseen. Levitettäessä kapeasti suunnattuja radioaaltosäteitä tämä voi johtaa säteen itsefokusoitumiseen samalla tavalla valon itsetarkennus ja aaltoputkikanavan muodostumiseen plasmassa.

Aaltojen vuorovaikutus epälineaarisissa olosuhteissa johtaa rikkomukseen superpositioperiaate Erityisesti, jos voimakkaan aallon taajuudella w 1 moduloidaan amplitudia, niin absorption muutoksen vuoksi tämä modulaatio voidaan siirtää toiseen aaltoon, jonka taajuus on w 2, joka kulkee samalla ionosfäärin alueella (kuva 13). ilmiötä kutsutaan ristimodulaatioksi tai Luxemburg-Gorky-efekti, on käytännöllinen arvo radiolähetyksille median alueella. aallot

Riisi. 13. Ionosfäärin ristimodulaatio tapahtuu alueella, jossa säteet leikkaavat.

Ionosfäärin kuumeneminen voimakkaan aallon kentässä HF-alueella voi aiheuttaa lämpöhalvauksen. ionosfäärin epävakaus johtaa poikkeuksellisen suureen radiosäteilyn absorptioon ja plasman kerrostumiseen (ks. Parametrinen resonanssi). Alueella voimakkaasti venynyt pitkin N 0 ionosfäärin heterogeenisyys (pitkittäismittakaavassa 1 km, poikittaissuunnassa - 0,5100 m), jotka ovat lupaavia pitkän matkan viestintään VHF-alueella. Erittäin voimakkaiden radioaaltojen alueella elektronit kuumenevat niin, että tapahtuu sähköisku. kaasun hajoaminen.

Jos aaltokentän häiritsemän plasma-alueen mitat ovat paljon pienempiä kuin elektronin keskimääräinen vapaa polku, kuumenemisen epälineaarisuus heikkenee. Tämä tapahtuu lyhyillä pulsseilla ja kapeilla radioaaltosäteillä. Tässä tapauksessa tärkein roolia esittää ns tiukka epälineaarisuus johtuu siitä, että epähomogeeninen vuorotteleva sähköinen Aaltokenttä kohdistaa painetta elektroneihin, mikä aiheuttaa plasman puristumisen. Elektronipitoisuus N, ja siksi e ja s tulevat riippuviksi kentän amplitudista. Tiukka epälineaarisuus johtaa muutokseen dielektrisyydessä. läpäisevyys vähemmän lämmitysmuutoksia useilla. suuruusluokkaa (samalla aaltoteholla). Tiukka epälineaarisuus on tärkeässä roolissa parametrisessa ionosfäärin epävakaus.

Radioaaltojen leviäminen avaruusolosuhteissa. Lukuun ottamatta planeettoja ja niiden välitöntä ympäristöä, b. Osa maailmankaikkeuden aineesta on ionisoitunut. Tilaparametrit plasmat vaihtelevat suuresti. Esimerkiksi elektronien ja ionien pitoisuus Maan kiertoradan lähellä on ~1-10 cm -3, Jupiterin ionosfäärissä ~10 5 cm -3, aurinkokoronassa ~10 8 cm -3, tähtien sisällä. ~10 27 cm -3. Avaruudesta avaruus tulee maan päälle laaja valikoima el-magn. aallot, joiden matkalla avaruudesta täytyy kulkea ionosfäärin ja troposfäärin läpi. Kahden päätyypin aallot etenevät Maan ilmakehän läpi ilman havaittavaa vaimennusta. taajuusalueet: "radioikkuna" vastaa aluetta ionosfäärin kriittisestä. taajuuksista wkr aerosolien ja ilmakehän kaasujen voimakkaan absorption taajuuksiin (10 MHz - 20 GHz), "optinen ikkuna" kattaa näkyvän ja IR-säteilyn alueen (1-10 3 THz). Ilmakehä on myös osittain läpinäkyvä matalalla taajuusalueella (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

Avaruudessa Radioaaltojen lähde ja niiden vastaanotin liikkuvat usein nopeasti suhteessa toisiinsa. Tuloksena Doppler-ilmiö tämä johtaa muutokseen w:ssä , missä u- liittyy. nopeus. Vähentynyt taajuus poistettaessa kirjeenvaihtajia ( punasiirtymä) on ominaista meistä poispäin liikkuvien kaukaisten galaksien säteilylle. Radioaallot avaruudessa. plasmat ovat alttiita taittumiselle, joka liittyy väliaineen heterogeenisyyteen (kuvio 14). Esimerkiksi maan ilmakehän taittumisesta johtuen radioaaltojen lähde näkyy korkeammalla horisontin yläpuolella kuin todellisuudessa. Pulsareiden etäisyyden määrittämiseksi ja Auringon ja planeettojen tuloksia tulkittaessa on otettava huomioon, että kosmisessa plasma

Riisi. 14. Radiosäteiden liikeradat l = 5 m auringon koronassa.

Mahdollisuudet radioviestintään avaruudessa sijaitsevien esineiden kanssa. avaruudessa tai muilla planeetoilla, ovat erilaisia ​​ja liittyvät niiden ilmakehän läsnäoloon ja rakenteeseen. Jos tilaa plasma on magneettikentässä. kenttä (Jupiterin magnetosfääri, auringonpilkkualueet, pulsarimagnetosfäärit), silloin se on gyrotrooppinen väliaine, kuten Maan ionosfääri. Kaikilla planeetoilla, joilla on ilmakehä, radioviestinnän yleinen vaikeus on avaruuteen saapuminen. Kun laite työnnetään ilmakehän tiheisiin kerroksiin, sen ympärille muodostuu tiheä plasmakuori, mikä vaikeuttaa radioaaltojen läpikulkua. Planeetoilla, kuten Merkurius ja Kuu, joilla ei käytännössä ole ilmakehää tai ionosfääriä, R. R. Vain planeetan pinta vaikuttaa. Ionosfääristä tulevan heijastuksen puutteen vuoksi viestintäetäisyys tällaisen planeetan pinnalla on pieni (kuva 15) ja sitä voidaan lisätä vain välittämällä satelliitin kautta.

Riisi. 15. Alueriippuvuus r radioviestintä Kuun pinnalla taajuudella w/2p.

Eri alueiden radioaaltojen leviäminen. Erittäin matalataajuiset (3-30 kHz) ja matalataajuiset (30-300 kHz) radioaallot taipuvat maanpinnan ympäri aaltoputken etenemisen ja diffraktion vuoksi, tunkeutuvat suhteellisen heikosti ionosfääriin ja absorboituvat siihen vähän. Niille on ominaista korkea faasistabiilisuus ja kyky peittää tasaisesti suuria alueita, mukaan lukien napa-alueet. Tämä mahdollistaa niiden käytön vakaaseen pitkän ja erittäin pitkän kantaman radioviestintään ja radionavigointiin korkeasta atm-tasosta huolimatta. häiriötä Taajuuskaistaa 150-300 kHz käytetään radiolähetyksiin. Suuri määrä geofysiikkaa. tutkimusta tehdään tarkkailemalla luonnollisia signaaleja. alkuperää, joita syntyy esimerkiksi salamapurkauksista ja säteilyhiukkasista. maan vyöt. Tämän taajuusalueen käytön vaikeudet johtuvat korkealla ATM-tasolla olevien antennijärjestelmien tilavuudesta. häiriö, suhteellinen rajoitettu tiedonsiirtonopeus.

Keskiaallot (300-3000 kHz) etenevät pitkin maan pintaa päivän aikana (maa- tai suora aalto). Ionosfääristä ei käytännössä heijastu aaltoa, koska aallot imeytyvät voimakkaasti sisään D- ionosfäärin kerros. Yöllä auringon säteilyn puutteen vuoksi D-kerros katoaa, ilmaantuu ionosfääriaalto, joka heijastuu E-kerros, ja vastaanottoalue kasvaa. Suorien ja heijastuneiden aaltojen lisääminen aiheuttaa voimakasta kentän vaihtelua, joten ionosfääriaalto on häiriölähde monille. maaaallon etenemistä käyttävät palvelut. ke. aaltoja käytetään radiolähetyksiin, radiolennätin- ja radiopuhelinviestintään sekä radionavigointiin.

Lyhyet aallot (3-30 MHz) absorboituvat heikosti D- Ja E-kerroksia ja niistä heijastuu F-kerros, kun niiden taajuudetampl. Niiden ionosfääristä heijastumisen seurauksena viestintä sekä lyhyillä että pitkillä etäisyyksillä on mahdollista paljon alhaisemmilla lähetintehotasoilla ja paljon yksinkertaisemmilla antenneilla kuin alemmilla taajuuskaistoilla. Tätä aluetta käytetään radiopuhelin- ja radiolennätinviestintään, radiolähetyksiin sekä radioamatööriviestintään. Radioviestinnän ominaisuus tällä alueella on signaalin häipyminen, joka johtuu ionosfääristä tapahtuvan heijastuksen olosuhteiden muutoksista ja häiriöistä. tehosteita. HF-tietoliikennelinjat ovat alttiina atm:n vaikutuksille. häiriötä Ionosfäärimyrskyt aiheuttavat viestintähäiriöitä.

Erittäin korkeilla taajuuksilla ja VHF:llä (30 - 1000 MHz) R. r. on vallitseva. troposfäärissä ja tunkeutuminen ionosfäärin läpi. Maan aallon rooli vähenee. Tämän alueen matalataajuisen osan häiriökentät voidaan edelleen määrittää ionosfääristä tulevien heijastusten avulla, ja 60 MHz:n taajuuteen asti ionosfäärin sironta vaikuttaa edelleen. rooli. Kaiken tyyppiset tutkat, lukuun ottamatta troposfäärin sirontaa, mahdollistavat signaalien lähettämisen useiden taajuuksien kaistanleveydellä. MHz. Tällä spektrin osassa erittäin korkealaatuinen äänilähetys on mahdollista 50-100 km:n etäisyydellä. Taajuusmodulaatioradiolähetykset toimivat noin 100 MHz:n taajuuksilla.

Televisio lähetetään samalla taajuusalueella. lähetys. Useita on varattu radioastronomiaan. kapeita spektrikaistoja, joita käytetään myös avaruussovelluksissa. viestintä, tutka, meteorologia, lisäksi amatööriviestintään.

UHF- ja mikroaaltouuniaallot (1000-10000 MHz) leviävät pääasiassa. näköetäisyydellä ja alhaiset melutasot. Tällä alueella osoitteessa R. r. tunnetuilla enimmäispinta-aloilla on merkitystä. kemiallisen säteilyn absorptio ja taajuus. elementtejä (esim. vetylinjat lähellä 1420 MHz). Monikanavaiset laajakaistaviestintäjärjestelmät puhelin- ja televisiolähetyksiä varten sijaitsevat tällä alueella. signaaleja. Antennien korkea suuntaavuus mahdollistaa alhaisten tehotasojen käytön radiorelejärjestelmissä ja troposfäärin sironta tarjoaa radioetäisyyden ~ 800 km. Tätä aluetta käytetään radionavigaatiossa. ja tutka palvelut Radioastronomiaa varten Havainnot tunnistivat taajuuskaistat atomiselle vedylle, OH-radikaalille ja jatkuvalle säteilylle. Avaruudessa radioviestinnän taajuusalue ~ 1000-10 000 MHz - max. tärkeä osa radiotaajuutta.

Mikroaaltoaallot (>10 GHz) kulkevat vain näköetäisyydellä. Tällä alueella on useita tappioita. suurempia kuin alemmilla taajuuksilla, ja niiden arvoon vaikuttaa voimakkaasti sateen määrä. Häviöiden kasvua näillä taajuuksilla kompensoi osittain antennijärjestelmien lisääntynyt tehokkuus. Mikroaaltoja käytetään tutkassa, radionavigaatiossa ja meteorologiassa. Taajuuksia voidaan käyttää maanpinnan ja avaruuden välisissä viestintälinjoissa< 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.

Lit.: Dolukhanov M.P., Radio wave propagation, 4. painos, M., 1972; Brekhovskikh L.M., Waves in layered media, 2. painos, M., 1973; Ginzburg V.L., Propagation of electromagnetic waves in plasma, 2. painos, M., 1967; Tatarsky V.I., Aallon leviäminen turbulentissa ilmakehässä, M., 1967; Fok V. A., Sähkömagneettisten aaltojen diffraktion ja leviämisen ongelmat, M., 1970; Gurevich A.V., Shvartsburg A.B., Epälineaarinen teoria radioaaltojen etenemisestä ionosfäärissä, M., 1973; Zheleznyakov V.V., Sähkömagneettiset aallot avaruusplasmassa, M., 1977.

P. A. Bespalov, M. B., Vinogradova.