КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Траектории распространения пространственных радиоволн ⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3
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; Ри - мощность, излучаемая антенной, Вт; Sс - 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: h1,2- 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 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 rрефр . 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
|