Траектории распространения пространственных радиоволн

Заметим, что из соотношения (1) следует, что чем выше частота (короче длина вол­ны), тем меньше степень преломления радиоволн при прочих равных усло­виях. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения (а также преломления) от ионосферы, называют пространствен­ными.

Рис.5. Траектории распространения пространственных радиоволн.

В большинстве случаев радиоволны излучаются в широком диапазоне углов (в верти­кальной плоскости). Вследствие этого они падают на ионизирован­ный слой (D или Е) под разными углами. При этом может оказаться, что в некоторую точку приема придут два или более луча, в результате чего возникает интерференция радиоволн.

Интерференция - это явление, возникающее при наложении двух или нескольких волн и состоящее в устойчивом (во времени) их взаимном усилении в одних точках пространства или ослаблении - в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

На близком от передающей станции расстоянии с пространственными волнами может интерферировать также и поверхностные волны.

Интенсивность результирующей волны в рассматриваемых слу­чаях сильно зависит от интенсивности каждой из интерферирующих радиоволн, и в особенности от соотно­шения их фаз. Если разность фаз двух волн близка к 0, волны поля складываются; при, этом интенсивность результирующего волны будет наибольшей. Если же фазы ко­лебаний двух волн отличаются на 180° (или на величину, близкую к 180°), то волны вычитаются, и интенсивность результирующего волны будет наименьшей.

В процессе распространения пространственных радиоволн происходит также их рассеяние и затухание.

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

(3)

где: П – плотность потока мощности, Вт/м²;

Р_и - мощность, излучаемая антенной, Вт;

S_с - площадь сферы, м² ;

r - радиус сферы (расстояние от излучателя до точки приема), м.

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

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

Рассмотренные выше свойства поверхностных и пространственных радиоволн проявляются по-разному в зависимости от многих факторов и в первую очередь от длины волны (частоты излучения).

3. Распространение КВ И укв

Для коротких радиоволн характерна незначительная дифракция, преломление в ионосфере и отражение от Земли. Поверхностные короткие радиоволны затухают еще в большей степени, чем на среднее. Поэтому радиосвязь поверхностными волнами при обычных мощностях передатчиков вблизи нижней границы коротковолнового диапазона возможна лишь на расстоянии в несколько десятков километров.

Связь на больших расстояниях осуществляется только пространст­венными волнами, которые могут распространяться на очень большие расстояния вдоль земной поверхности путем однократно­го или многократного отражения от ионосферы и Земли. Типичная картина хода коротких радиоволн в пространстве Земля — слои ионосферы представлена на рис. 8.7, на котором луч 1 представляет поверхностную волну, луч 2 — однократно отраженную волну, а луч 3 — двукратно отраженную от ионосферы волну.

Рис. 7. Траектории распространения коротких радиоволн.

Радиосвязь на коротких волнах имеет ряд определенных недостатков, обусловленных сильной зависимостью распространения коротких радиоволн от состояния ионосферы.

В частности, в результате интерференции коротких волн суммарное поле в некоторой точке приема (например, точка А на рис. 7) равно сумме полей нескольких пространственных волн, испытавших разное число отражений от ионосферы. Поэтому здесь, как и в диапазоне средних волн, имеют место значительные замирания, обусловленные нестабильностью фаз колебаний каждой из приходящих радиоволн. Фазы этих волн могут быть случайно изменяться при изменении состояния атмосферы. Замирания, в отличие от средних волн, характеризуются периодом от десятых долей секунды до нескольких десятков секунд, что отрицательно сказывается на воспроизведении принимаемого сигнала.

Кроме того, при радиосвязи в коротковолновом диапазоне длин волн образуются так называемые зоны молчания («мертвые» зоны), где поверхностных волн уже нет, а пространственные волны, отражаясь от ионосферы, еще не действуют на этих дальностях (рис. 8). Распространение коротких радиоволн между земной поверхностью и ионизированным слоем происходит в результате последовательных отраже­ний от ионосферы и земли. Ввиду того, что при отражении от земли и при распространении в слоях D и Е потери энергии коротких радиоволн незначи­тельны, они могут распространяться на очень большие расстояния, превы­шающие дальность распространения длинных радиоволн.

Этим объясняется явление, известное под названием кру­госветного радиоэха. Оно по­лучается в результате однократного или даже многократного оги­бания радиоволной волной Земли и возвращения ее в точку приема.

Состояние ионосферы изменяется не только в течение суток, но и со сменой времен года (так называемые сезонные изменения). Наблюдается также сильная зависимость от активности Солнца, характе­ризуемая определенной периодичностью (11-летний период).

Рис. 8. Образование зоны молчания в диапазоне коротких волн.

Кроме того, состояние ионосферы иногда подвергается сильным возмуще­ниям, что обусловленными также процессами протекающими на Солнце. Все это зна­чительно усложняет радиосвязь на коротких радиоволнах, делает ее неустойчивой и тре­бует весьма правильного выбора рабочей частоты коротковолновой линии связи.

Ультракороткие волны не испытывают отражений от ионосфе­ры. По­этому радиосвязь на УКВ может осущест­вляться только посредством по­верхностной волны. Вследствие слабой дифракции мож­но считать, что УКВ распростра­няются вблизи земной поверхности прямолинейно, если не учитывать влия­ния неодно­родности тропосферы. Это ограничивает область радиосвязи только прямой види­мостью (оптическим горизонтом). Дальность прямой ви­димости (рис. 8.9 ) при этом определяется высотой подъема антенн

км,

где: h_1,2- высота подъема антенн в передающем и приемном пунктах соответственно, м;

3.73- число, которое учитывает естественную кривизну земной поверхности и ее радиус.

Рис. 9. Дальность прямой видимости.

При распространении ультракоротких радиоволн в нижних
слоях атмосферы происходит сильное их затухание. Эффект затухания возрастает с укорочением длины волны и зависит от состояния тропосферы. Кроме затухания в тропосфере имеет место явление преломления УКВ, что обусловлено ее неоднородностью по своим электрическим свойствам. Показатель преломления n различных слоев атмосферы изменяется, убывая с высотой.

Уменьшение величины показателя преломления приводит к тому, что радиоволны, излученные в точке А (рис. 10), будут при переходе из слоя в слой преломляться в направлении к земной поверхности

Рис. 10. Рефракция ультракоротких радиоволн.

Траектория луча в этом случае оказы­вается искривленной, вследствие чего становится возмож­ной радиосвязь на расстоянии, несколько превышающем дальность прямой видимости. Таким образом, для УКВ характерно явление атмосферной реф­ракции.

Степень искривления траектории луча зависит от скорости убывания коэффициента преломления с высотой, т. е. от величины производной

В однородной среде, когда эта скорость равна нулю, радиус кривизны траектории стремится к бесконечности (ρ → ∞), что указывает на прямолинейное распространение радиоволн. Если тропосфера неоднородна, траектория луча искривляется в тем больше, чем больше скорость убывания коэффициента преломления с высотой.

Часто в нижних слоях атмосферы устанавливается состояние, которое принимается за «стандартное» или «нормальное». Оно характеризуется тем, что температура над уровнем моря равна + 15° С и падает на 0,65° С через каждые 100 м высоты, а относительная влажность не зависит от высоты. При таких условиях величина р = 25 000 км. Говорят, что при «стандартных условиях» имеет место «нормальная» атмосферная рефракция радиоволн. Дальность радио­связи с учетом нормальной атмосферной рефракции определяется формулой

км.

Практика показывает, что скорость убывания коэффициента преломления иногда бывает выше, чем в предыдущем случае. Это указывает на более сильное искривление траектории радиоволн, чем при нормальной атмосферной рефракции.

При равенстве радиуса кривизны траектории радиусу Земли радиоволны распространяются параллельно земной поверхности. Та­кой случай называется «критической рефракцией». Дальность радиосвязи при критической рефракции может значительно превышать даль­ность ра­диосвязи r_рефр .

При дальнейшем росте скорости убывания коэффициента преломления кривизна траектории луча продолжает увеличиваться. При этом радио­волны, излученные под небольшим углом к горизонту, искривляются на­столько, что они снова падают на землю. Затем, отражаются от нее радиоволны опять движутся по криволинейной траектории с последующим возвращением на земную поверхность и т. д. Такое распространение волн называют сверхрефракцией, а область пространства, в которой радиоволны распространяются подобным образом, называют волноводным каналом. При наличии волноводных каналов дальность УКВ радиосвязи мо­жет в десятки раз превышать дальность прямой видимости.

Волноводные каналы образуются в атмосфере в тех слу­чаях, когда при увеличении высоты температура воздуха вместо обычного убывания возрастает (инверсия температуры), а влаж­ность воздуха быстро падает. Часто инверсия температуры сопро­вождается сильным падением влажности с высотой. Такие условия приводят к резкому уменьшению коэффи­циента преломления с высотой, что и вызывает сильную рефрак­цию.

Дальность УКВ радиосвязи может также превышать дальность пря­мой видимости за счет рассеянием радиоволн на неоднородностях тропо­сферы, что характерно ультракоротким радиоволнам. Дело в том, что в тропосфере воздух никогда не находится в спокойном со­стоянии. Даже при отсутствии ветра имеются восходящие и нис­ходящие потоки воз­духа, обусловленные различным нагреванием отдельных участков земной поверхности и имеющие вихревой ха­рактер. В результате этих процессов тропосфера представляет со­бой электрически неоднородную среду, каждая точка которой характеризуется своими значениями температуры, давления, влажности и, следовательно, электрической проницаемости. Вследствие этого скорость распространения радиоволн оказывается различной в разных участках пространства. При падении радиоволны с плоским фронтом на об­ласть с вихревыми неоднородностями фронт волны искривляется (рис. 11).

Рис. 11. Рассеяние УКВ атмосферными неоднородностями.

Каждый уча­сток искривленного фронта создает излучение, направленное пер­пендикулярно фронту.

В результате область с вихревой неодно­родностью рассеивает энергию электромагнитных волн в пределах некоторого угла. Хотя величина этого угла невелика (всего несколько градусов), рассеянная энергия радиоволн может прини­маться далеко за пределами горизонта, что обеспечивает возможность осуществле­ния радиосвязи на расстояниях, значительно превышающих дальность пря­мой видимости.

Следует отметить, что радиосвязь, основанная на использова­нии явления рас­сеяния ультракоротких радиоволн, может быть регулярной в виду того, что вихревые неодно­родности тропосферы всегда существуют в любое время суток и года.

В заключение отметим, что, рассматривая распространение длинных, средних и корот­ких волн в атмосфере, обычно пренебрегают их затуханием в атмо­сфере. Это допус­тимо, так как в указанных диапазонах волн затухание радиоволн в атмосфере ничтожно мало. Однако в диа­пазоне УКВ, особенно при использовании сан­тиметровых и мил­лиметровых волн, пренебрегать затуханием нельзя.

Задание на самостоятельную работу:

1. Повторить материал занятия.

МЕТОДИЧЕСКУЮ РАЗРАБОТКУ ПОДГОТОВИЛ:

профессор кафедры

А.П. Корольков