Особенности распространения радиоволн поверхностным и пространственным лучом

Поверхностный луч распространяется вдоль поверхности земли. При распространении радиолуча в диапазоне ДВ он претерпевает затухания от слоя D. Чем короче длина волны, тем больше она (волна) поглощается почвой и тем глубже она проникает в ионосферу. Ионосфера условно разделяется в зависимости от концентрации свободных электронов на слои: D, E, F1, F2. Самой меньшей концентрацией зарядов обладает самый нижний слой D, который ночью исчезает, т. к. происходит полная рекомбинация электронов с ионами. Чем выше слой, тем больше солнечной энергии проникает в него, тем больше образуется свободных электронов, следовательно, выше плотность свободных носителей. Выше слоя F2 (450 км) плотность свободных носителей уменьшается, т. к. уменьшается количество частиц способных к ионизации. Плотность слоев ионосферы ночью значительно меньше, чем днем, за счет рекомбинации электронов и ионов. Чем короче длина волны, тем выше она приникает в ионосферу.

 (1/м)

суша

морская вода

 (м)

График изменения коэффициента поглощения электромагнитной волны в зависимости от ее длины

Распространение поверхностных волн объясняется явлением дефракции, т. е. Способностью огибать препятствия и неровности земли, размеры которых меньше длины волны, следовательно, чем больше , тем больше дальность распространения волн поверхностным лучом. Энергия электромагнитных волн убывает как в результате сферического рассеивания свойственным поверхностным и пространственным волнам, так и в результате поглощения электромагнитной энергии земной поверхностью. Условие распространения поверхностной волны в значительной мере зависит от рельефа местности, электрических характеристик земной поверхности и длины волны. Электрическими параметрами является диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость. Земная поверхность не является идеальным проводником, поэтому энергия поверхностных волн частично поглощается. Поглощение объясняется тем, что электромагнитная энергия поверхностного луча наводит в почве переменные ток. При протекании этого тока в почве появляются тепловые потери. Чем короче длина волны, тем в более узком слое концентрируются токи на границе раздела воздуха и почвы, следовательно, увеличивается сопротивление и потери. При распространении радиоволн над морем потери меньше, т. к. морская вода обладает большей проводимостью, чем суша.

Пространственный луч формируется ионосферой, которая состоит из отдельных условно обозначенных слоев ионизированных газов. Основным источником ионизации является солнечная энергия. Меньшая концентрация зарядов в слоях D, E, F1 по сравнению с F2 объясняется недостатком солнечной энергии. Меньшая концентрация выше слоя F2 объясняется отсутствием частиц способных к ионизации. Ночью слой D исчезает, ионизация других слоев значительно уменьшается. Наиболее устойчивым является слой F2, который сохраняется все время, т. к. ночью электроны и ионы не успевают рекомбинировать. Под действием электромагнитного поля в ионосфере возникает упорядочное движение электронов, которому препятствует столкновение с частицами газа. Потерянная при этих столкновениях энергия электронов восстанавливается за счет энергии электромагнитного поля. Потери энергии тем больше, чем больше вероятность столкновения электронов с частицами газа. Эта вероятность возрастает с увеличением концентрации электронов и длины пробега электронов в данном направлении, т. е. С ростом периода колебания и, следовательно, длины волны. Изменение концентрации электронов по высоте позволяет рассматривать ионосферу как среду с изменяющейся проницаемостью, уменьшающаяся по мере роста высоты. При переходе волны из одной среды в другую наблюдается явление преломления.

₂ ₂>₁, если

Е1 Е1> Е2

Е2

₁

Т. к. диэлектрическая проницаемость ионизированного слоя плавно уменьшается с высотой, то при некоторых условиях может произойти полное отражение пространственного луча на землю. Наибольшая частота, при которой излученная вертикально вверх электромагнитная волна способна возвратиться на землю называется критической частотой слоя

,

где N – число свободных электронов с см³

е – заряд электрона (4,7*10^-10Кл)

m – масса электрона (9*10^-28 гр.)

f – частота

Критическая частота слоя F2 днем = 10МГц, ночью = 5МГц. Угол при котором электромагнитная энергия еще отражается от ионосферы называется критическим для данной частоты. Состояние ионосферы влияет на напряженность поля пространственного луча. Напряженность поля поверхностного луча не зависит от состояния ионосферы.

Особенности распространения волн различных диапазонов

Деление радиоволн по диапазонам является условным, т. е. Провести четкую границу между диапазонами волн не возможно и условия распространения радиоволн в значительной степени зависят от состояния ионосферы, погодных условий, времени суток и времени года. В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Радиоволны подчиняются законам дифракции и рассеивания. При переходе радиоволн из одной среды в другую с разной диэлектрической проницаемостью скорость распространение радиоволн изменяется, происходит отражение и преломление радиоволн. При наличии неровной отражающей поверхности, если размеры неровностей соизмеримы с длиной волны, может происходить диффузное отражение, т. е. Отражение во все стороны. В неоднородных средах, показатель преломления которых от слоя к слою изменяется плавно, радиоволны распространяются по криволинейным траекториям, т. е. наблюдается явление рефракции (плавного преломления).

Если угол падения превосходит некоторое критическое значение при переходе луча из среды оптически плотной в среду с меньшей плотностью, луч совсем не проникает во вторую среду, целиком отражаясь от границ раздела. При распространении радиоволн в проводящей среде происходит поглощение энергии на нагревание этой среды. Радиоволны в свободном пространстве распространяются со скоростью света, направление распространения перпендикулярно плоскости Е-Н, при чем вектора Е и Н перпендикулярны. Направление распространения и количество переносимой энергии определяется вектором Умова-Пойтенка.

Особенности распространения длинных волн

ДВ или километровые волны имеют длину от 3000 м до 30000 м. Они применяются в радиотелеграфии, в радиовещании, в радионавигации. Особенности распространения:

1. Способны огибать кривизну земного шара и отдельные неровности земной поверхности

2. Частоты ДВ значительно ниже критических, даже для слоя D, имеющего наименьшую концентрацию свободных электронов, следовательно, при любом угле падения, даже близком к 90⁰, ДВ отражаются от ионосферы.

3. Т. к. для ДВ даже почва средней влажности является проводником, то волны отраженные от ионосферы отражаются от земной поверхности, т. е. Образуется пространственный волновод. Дальность связи на ДВ при распространении в пространственном волноводе достигает тысяч и десятка тысяч километров.

4. При отражении от ионосферы ДВ значительно ослабляются, поэтому для радиосвязи на большие расстояния необходимо увеличивать мощность передатчика, излучающего, такие как бы пространственные волны. Поглощение этих пространственных волн ионосферой значительно меньше, чем поглощение поверхностных волн земной поверхностью. Поэтому для связи в ДВ на большие расстояния основную роль играют пространственные волны.

Преимущества: независимость условия их распространения от времени суток и времени года, а также от метеорологических условий.

Недостатки: необходимость применения передатчиков большой мощности для связи на большие расстояния. Для связи на небольшие расстояния используется поверхностная волна.