2.3. Вплив поверхні Землі на поширення радіохвиль

2.3.1. Особливості поширення земних хвиль

Методика розрахунку напруженості поля земної радіохвилі, траєкторія поширення якої паралельна земній поверхні, залежить від співвідношення між довжиною траси r і відстанню прямої видимості r₀. Відстань прямої видимості визначають як відрізок АСВ дотичної до сферичної поверхні Землі, довжина якого дорівнює відстані між приймальною і передавальною антенами (рис. 2.2).

Рис.2.2

Визначимо h₁ й h₂ – висоти підвісу приймальної та передавальної антен, a₀ = 6370 км – радіус Землі. При прийнятих позначеннях, на підставі рис. 2.2, відстань прямої видимості визначається таким співвідношенням:

. (2.8)

Враховуючи очевидні нерівності , це співвідношення спрощується й набуває вигляду:

. (2.9)

Зазвичай, висоти підвісу антен h вимірюють у метрах, а a₀ і r₀ – у кілометрах. При цьому віддаль прямої видимості (2.9) визначається співвідношенням:

. (2.10)

При врахуванні кривизни земної поверхні трасу радіозв‘язку r прийнято підрозділяти на три зони: освітлену зону, зону напівзатінку та зону затінку. Зона напівтіні є проміжною. Приймальна антена розміщується в її центрі. Нижня та верхня межі зони визначаються значеннями 0,8r₀ і 1,2r₀ відповідно рис. 2.2. Цими значеннями визначаються можливості використання розрахункових методик. Особливості поширення земних хвиль враховують комплексним множником ослаблення V, який корегує розрахунок, що здійснюється за формулами типу (2.6).

При цьому комплексна амплітуда напруженості електричного поля в загальному випадку оцінюється за співвідношенням:

. (2.11)

Множник ослаблення оцінюється як відношення напруженості поля на відстані r від передавальної антени в реальних умовах до напруженості поля в умовах вільного простору.

2.3.2. Область простору, яка є суттєвою при відбитті радіохвиль

Розрахунок напруженості поля високопіднятого випромінювача (h>) в освітленій зоні базується на методах геометричної оптики стосовно плоскої та гладкої поверхні. Припустимо, що випромінювач, який розташовано в точці А (рис.2.3), є всюдиспрямованим. При цьому в точку В крім прямого променя АВ потрапляє й промінь АСВ, відбитий від земної поверхні.

У точці В здійснюється накладання двох хвиль, між якими існує фазовий зсув, який залежить від різниці відстаней, що проходять пряма та відбита хвилі від точки А до точки В, а також від електромагнітних властивостей поверхні, що відбиває промінь в точці С. Якщо зсув по фазі між когерентними прямою та відбитою хвилями буде відсутнім, то в точці В створюється інтерференційний максимум напруженості електричного поля. Якщо ж зсув по фазі буде дорівнювати 180⁰, то в точці В утворюється інтерференційний мінімум напруженості електричного поля. Такі максимуми й мінімуми чергуються в залежності від зміни просторових координат точки В.

Положення точки відбиття С, в якій виконується закон віддзеркалення електромагнітних хвиль (перший закон Снелліуса), може бути знайдено, якщо ввести до розгляду дзеркальне джерело когерентного випромінювання, яке розташовується в точці А на відстані h₁ від внутрішнього боку поверхні, що відбиває. Це уявне джерело створює в точці В поле, еквівалентне тому, що збуджується в ній струмами, які індукуються в точці С первинною, тобто падаючою хвилею. Точка перетинання променю АВ із земною поверхнею визначить положення точки С, в якій кут падіння хвилі  дорівнює куту її відбиття.

Хвиля, що поширюється здовж напряму АВ, є прямою. Для неї можна виділити область, що є суттєвою при поширенні радіохвилі у вільному просторі, обмежену сім’єю еліпсоїдів обертання з фокусами в точках А і В. Перетини цих еліпсоїдів плоскою поверхнею мають форму еліпсів, для яких a_n і b_n – великі й малі осі відповідно, n – номер зони Френеля (рис. 5.5). Ділянки земної поверхні, що обмежені цими еліпсами, формують відбиті хвилі, які поширюються в точку В. Тому їх називають областями, що є суттєвими при відбитті радіохвиль. Першорядне значення при цьому має область земної поверхні, яка відповідає першій зоні Френеля. Значення малої та великої напівосей відповідного еліпсу для n=1 (рис. 5.5) визначаються співвідношеннями:

,

де і – відстані від антен до точки геометричного відбиття радіохвилі. Із рис. 5.5 видно, що кут падіння хвилі на плоску поверхню, що відбиває, визначається формулою

.

У зв'язку з тим, що на реальних трасах виконується нерівність <<r, область, що є суттєвою для відбиття хвиль, витягнута вздовж напряму r. У діапазонах дециметрових та сантиметрових хвиль велика вісь 2a_n області, суттєвої для відбиття хвиль, може складати десятки кілометрів, а мала вісь 2b_n – лише десятки метрів. Ця обставина впливає на явища відбивання та інтерференції радіохвиль в умовах реальних радіотрас.