«Поширення радіохвиль»

План лекції

Література

С. І. Плоткін «Радиотехнические цепи с распределенными параметрами» Київ 1984р. 152с.

Зміст лекції

4.1 Умови поширення радіохвиль

Діапазони радіохвиль (РХ).

Спектр частот електромагнітних коливань розділений на діапазони з десятиразовою зміною частоти. Частоти кожного діапазону можна розрахувати по формулі:

Тут: 𝑓 - частота в Гц; 𝑁 - номер діапазону.

До радіохвиль відносяться діапазони з 4 по 12 з частотами від 3кГц до 3ТГц і довжинами хвиль від 100 км до 0.1 мм. Кожен наступний діапазон в 10 разів ширше за попередній. Умови поширення і сфери застосування радіохвиль різних діапазонів різні. Граничні частоти, довжини хвиль і діапазонів зведені в таблицю 4.1.

Хвилі, коротше 10 метрів об'єднані під загальною назвою ультракороткі - УКХ

Таблиця 4.1

№	Діапазон хвиль			Діапазони частот
	Назва	Позначення	Довжини хвиль	Назва	Позначення		Частоти
	1	2	3	4		5	6
4	Наддовгі (миріаметровые)	СДХ	км	Дуже низькі		ДНЧ	кГц
5	Довгі (кілометрові)	ДХ (КмВ)	км	Низькі		НЧ	кГц
6	Середні (гектометри)	СХ (ГкМХ)	м	Середні		СЧ	кГц
7	Короткі (декаметрові)	КХ (ДкМХ)	м	Високі		ВЧ	Мгц
8	Метрові	МХ	м	Дуже високі		ДХЧ	Мгц
9	Дециметрові	ДМХ	дм	Ультра- високі		УВЧ	Мгц
10	Сантиметрові	СМХ	см	Над- високі		НВЧ	ГГц
11	Міліметрові	ММХ	мм	Украй високі		КХЧ	ГГц
12	Дециміліметрові	ДММХ	мм				ГГц

Поширення РХ над землею

1. Поширення енергії в просторі.

Рис. 4.1 Промені радіохвиль в просторі

Антена наземного РПДП випромінює РХ в різних напрямах. Частина випромінювання, спрямована уздовж земної поверхні, називатимемо поверхневим променем (промінь (1) на рис. 4.1).

Частина випромінювання, спрямована під кутом до земної поверхні може або пройти крізь атмосферу у вільний простір, або, відбившись, повернеться на землю. Відповідні промені називаються неповертаючимися (2) або просторовими (3).

У вільному космосі можливий зв'язок «космос - космос» прямим променем, умови поширення наближаються до ідеальних (4). За наявності відзеркалення або перевипромінювання (ретрансляція) променя космічним об'єктом, має місце зв'язок «земля - космос - земля».

2. Умови поширення земного променя.

Поверхня землі - середовище, що напівпроводить. Енергія променя, що падає на її поверхню, розподіляється між заломленим і відбитим променями. Цей розподіл залежить від довжини РХ і властивостей поверхні.

На СХД і ДХ відбивається майже уся енергія променя, що падає, оскільки провідність поверхні висока. У міру підвищення частоти (укорочення хвилі) провідність грунту зменшується, росте енергія заломленого променя, що перетворюється на тепло.

Морська вода, вологий грунт має більш високу провідність, ніж сухий, піщаний або кам'янистий грунт.

Як відзначалося, НДХ і ДХ набагато краще дифрагують, ніж КХ і УКХ, проте дальність зв'язку, обумовлена дифракцією, невелика.

Формула ідеальної радіопередачі для випадку поширення радіохвилі що випромінюють несиметричною вертикальною антеною має вигляд:

де: Е - напруженість поля в мкВ/м;

- излучаемая мощность в Вт;

- рвідстань від антени в км.

Ця формула відрізняється від формули ідеальної радіо передачі тільки коефіцієнтом, який змінився у зв'язку з відзеркаленням хвиль від Землі і нерівномірністю випромінювання вертикальної антени в різних напрямах.

У реальних умовах в цю формулу вводиться коефіцієнт загасання меншої одиниці, що враховує поглинання енергії поверхнею Землі.

Поширення РХ в атмосфері

1. Будова атмосфери. Атмосфера - газовий шар що оточує Землю. Його висота до 25 тис.км. До складу повітря в основному входить азот і кисень. Щільність повітря швидко убуває з висотою. На висоті 300 км. вакуум чистіший, ніж у балоні електронної лампи.

Нижній шар атмосфери заввишки до 11 км називається тропосферою. У тропосфері зберігається незмінний газовий склад. Температура на кожні 100 метрів висоти знижується до 0.55˚С. А такі зміни тиску і вологості, призводять до зміни діелектричної проникності повітря і викривлення променів РХ - рефракції.

2. Іоносфера. Ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання сонця іонізує гази в стратосфері, розщеплюючи їх атоми на електрони і позитивно заряджені іони. Міра іонізації оцінюється електронною концентрацією N - числом вільних електронів в одиниці об'єму газу. Електронна концентрація досягає значної величини на висотах від 50 до 500 км. На великих висотах вона мала внаслідок малої щільності повітря, на нижчих - в наслідок недостатньої енергії іонізуючого випромінювання. Іонізована область атмосфери називається іоносферою. Розподіл електронної концентрації в залежність від висоти не монотонний. Існує декілька максимумів іонізації, що іменуються іонізованими шарами. Їх утворення обумовлене тим, що у верхніх шарах атмосфери - стратосфері відбувається порушення пропорцій газового складу, позначається відмінність молекулярних вагів різних газів.

Рис. 4.2 Графік зміни концентрації електронів з висотою

Електронна концентрація залежить від висоти сонця над горизонтом, тобто від часу доби і року, географічної широти. Максимуму вона досягає пополудні, а мінімуму - перед світанком. На освітленій сонцем - «денній» стороні землі, взимку існує три шари: D - на висотах 60 - 90 км, Е - з максимумом іонізації на висоті 120 км і F - з нижньою межею на висоті 220 - 250 км. В літні дні шар F розпадається на два шари - нижчі F₁ з максимумом на висоті 200 - 230 км і більш високий F₂ з нижньою межею на висоті 300 - 400 км. На «нічній» стороні землі шар D внаслідок швидкої рекомбінації атомів зникає. Електронна концентрація шару Е з настанням темряви зменшується в 10 - 100 разів. Шари F₁ і F₂ зливаються.

Окрім добових і річних змін міри іонізації, спостерігається одинадцятирічний цикл пов'язаний зі зміною сонячної активності. Окрім регулярних змін електронної концентрації відбуваються і нерегулярні її порушення.

Іоносферні обурення. Час від часу на сонці відбуваються спалахи супроводжувані виверженням потоку заряджених часток (корпускул). Потрапляючи в атмосферу вони захоплюються магнітним полем землі. Це призводить до підйому і зменшення концентрації шару F₂ і порушенню його структури. У приполярних областях шар F₂ може бути повністю зруйнований. Це супроводжується магнітними бурями і полярними сяйвами і може тривати від декількох годин до двох діб.

Спорадичний шар. Е_𝑠 виникає в результаті проникнення корпускулярних (ядра гелію, протони і ядра важких елементів, а також електрони і нейтрони) і метеорних (складається з метеорів, які згорають в атмосфері і не досягають землі) потоків на рівень шару Е. Його ширина може досягати сотень кілометрів. Внаслідок різкого посилення іонізації в цьому шарі виникає сильне поглинання коротких РХ.

Поширення РХ в іоносфері.

Під дією поля радіохвилі виникають коливання вільних електронів іонізованого газу. Ці коливання - змінний струм протифаза струму зміщення.

Зменшення останнього рівноцінно зменшенню діелектричної проникності, яка виявляється рівною:

Тут: 𝑁 - число вільних електронів в 1 м³ повітря;

- ччастота в Гц.

Рис. 4.3 Заломлення радіохвиль в іоносфері

В межах нижньої половини іонізованого шару електронна концентрація N росте, зменшується. Це призводить до заломлення променя РХ, причому кут заломлення виявляється більше кута падіння. Промінь викривляється, стає положе. Якщо в нижній половині шару це викривлення виявиться достатнім для виникнення повного внутрішнього відзеркалення, то промінь відіб'ється на землю. Якщо ні, то у верхній половині шару станеться викривлення променя у зворотному напрямі і він перейде в наступний шар. Оскільки електронна концентрація кожного наступного шару вища, ніж попереднього, описаний процес в них виражений різкіше. Якщо в шарі F₂ не відбувається відзеркалення - промінь йде за межі іоносфери (неповертаючийся промінь).

Чим вище частота 𝑓 (коротше хвиля), тим ближче значення до одиниці, тим слабкіше заломлення променя. Тому хвилі УКХ діапазону не відбиваються іоносферою. Чим довше хвиля тим нижче розташований відбиваючий шар.

Можливість відзеркалення залежить від кута возвишення променя, що входить в іоносферу - δ. Чим положе промінь - тим нижче він відбивається.

Критичною називається максимальна частота хвилі, відбиваної при вертикальному (δ_кр=90˚) зондуванні іоносфери, - 𝑓_кр. Знаючи 𝑓_кр можна розрахувати електронну концентрацію відбиваючого шару. Знаючи час поширення хвилі до точки відзеркалення і назад можна визначити висоту цього шару. На цьому заснована можливість експериментального дослідження іоносфери, організації служби радіопрогнозів.

Перше в нашій країні зондування іоносфери було проведене під керівництвом М.А. Бонч - Бруевича в 1932 році.

Загасання РХ в іоносфері виникає в результаті витрати частини енергії хвилі електронами, що коливаються, при їх зіткненні з молекулами газу. Воно максимальне для хвилі довжиною 200 метрів (1.5 МГц), що відповідає резонансному числу зіткнень в секунду. Загасання більше в нижніх шарах, там де вище щільність газів.

Перше пояснення описаних процесів було дане академіком М.В. Шулейкиным в 1923 році.

Пример:. Яка критична частота, якщо електронна концентрація рівна

Вказівка: Скористатися формулою:

Відповідь: .