Учебное пособие 800309

Изучение взаимодействия каналов с электромагнитными волнами разных диапазонов привело к тому, что сейчас общий характер взаимодействия среды и сигнала определяют через диапазон длин волн. Основные диапазоны можно представить следующим образом.

Сверхдлинные волны СДВ – с длиной волны больше 10000 м – слабо поглощаются земной поверхностью. На их распространение сильно влияет ионосфера. Нижние слои ионосферы вместе с земной поверхностью образуют волновод, внутри которого такие волны и распространяются (многократные отражения от ионосферы и земной поверхности).

Длинные волны ДВ – с длиной волны от 10000 до 1000 м – сильно поглощаются земной корой, хорошо огибают Землю как за счет дифракции вокруг Земли, так и за счет волновода земная поверхность – ионосфера.

Средние волны СВ – с длиной волны от 1000 до 100 м

– сильно поглощаются областью D ионосферы. Поэтому днем, когда область D существует, они распространяются только благодаря дифракции вокруг Земли.

Ночью, с исчезновением слоя D, дальность их распространения сильно возрастает за счет отражения от верхних слоев ионосферы. На распространение волн этого диапазона сильно влияют неоднородности почвы и неровности земной поверхности.

Короткие волны КВ – с длиной волны от 100 до 10 м – за счет дифракции вокруг Земли распространяются на сравнительно небольшие расстояния.

Однако из-за отражения от ионосферы они могут распространяться до антипода – противоположной точки земного шара.

Ультракороткие волны УКВ – с длиной волны меньше 7 – 8 м. В этом диапазоне выделяют дециметровый, сантиметровый, миллиметровый, субмиллиметровый и оптический поддиапазоны. Для дециметровых и более коротких волн ионосфера практически прозрачна, и именно

121

тропосфера оказывает определяющее влияние на их распространение. Эти волны распространяются как прямолинейно, так и за счет дифракции (на сравнительно небольшие расстояния). Они могут отражаться от земной поверхности. За счет рассеяния на неоднородностях среды они могут распространяться далеко за горизонт (дальнее тропосферное распространение) При этом сильному влиянию гидрометеоров (рассеяние и поглощение в облаках, дожде, тумане и др.) подвержены волны сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового и оптического поддиапазонов. Миллиметровые и более короткие волны также активно поглощаются газами атмосферы.

122

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Влияние Земли и атмосферы на распространение радиоволн

В однородных и изотропных средах радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью. Космическому пространству можно в первом приближении приписать свойства однородной изотропной среды и считать, что распространение волн в нем происходит, как в свободном пространстве. Такие волны принято называть свободно распространяющимися или прямыми. Необходимо считаться с тем, что в некоторых случаях при прохождении сквозь земную атмосферу (которая, как будет показано ниже, не является однородной средой) луч может несколько искривиться. Очевидно, что связь между двумя космическими объектами также осуществляется при помощи свободно распространяющихся волн. Наконец, все радиоастрономические наблюдения ведутся над свободно распространяющимися волнами, излучаемыми звездами, туманностями и другими радиоисточниками.

Радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабо неоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним)

траекториям, носят название свободно распространяющихся

или прямых волн. Такие волны при прохождении сквозь атмосферу Земли могут претерпеть небольшое искривление (рефракцию), рассеяние и поворот плоскости поляризации.

Все волны короче 10 м, включая миллиметровые волны и волны оптического диапазона, распространяются как прямые (в атмосфере Земли и в космическом пространстве).

Однако в большинстве случаев мы имеем дело с такими линиями радиосвязи, конечные пункты которых расположены в непосредственной близости от поверхности Земли. В этих условиях уже нельзя пренебречь ни близостью Земли, ни влиянием окружающей ее атмосферы на процессы

123

распространения радиоволн. Детальное исследование условий распространения радиоволн над поверхностью Земли позволило установить, что воздействие близости Земли и особенностей строения атмосферы на распространение радиоволн проявляется

ввиде трех факторов:

1)влияние близости и сферической формы поверхности Земли,

2)воздействие неоднородности тропосферы (т.е. нижней, примыкающей к поверхности Земли части атмосферы, простирающейся примерно до высоты 15 км);

3)влияние ионосферы (верхних ионизированных слоев атмосферы, расположенных в интервале высот от 60 до примерно 600 км).

Распространяющиеся волны разделяют на поверхностные и пространственные.

Поверхностные волны распространяются вблизи поверхности Земли, огибают ее вследствие дифракции, преломления и рассеяния в тропосфере.

Пространственные волны – это волны, излучаемые под разными углами к поверхности Земли, они попадают в ионосферу, претерпевают в ней преломление и отражение на границах с ионосферными неоднородностями.

Расстояние, на котором возможно осуществление радиосвязи, зависит от выбранной частоты, мощности передатчика, чувствительности приемника, типа и размещения антенной системы, условий распространения. Для конкретного радиооборудования и антенн основным фактором, определяющим дальность связи, является выбранная частота (длина волны).

Земная поверхность и атмосфера оказывают сильное влияние на распространение радиоволн. При изучении распространения радиоволн на естественных трассах учитывается влияние поверхности земли и свойства слоев атмосферы. При этом используются физические явления: отражение, интерференция, дифракция, рассеяние, рефракция.

124

Отражение – имеет место при падении волны на объекты с размерами много больше длины волны, имеющие гладкие поверхности: например, отражения от земли, стен зданий и т.п.

Интерференция заключается в сложении двух волн одной частоты с различными амплитудами и фазами.

Дифракция – явление возникновения вторичных волн при падении радиоволны на препятствие с острыми кромками и формирование поля за препятствием в зоне геометрической тени. Дифракция заключается в способности электромагнитных волн огибать препятствия, в том числе кривизну земной поверхности.

Рассеяние – имеет место, когда электромагнитная волна распространяется вдоль неровной поверхности или в среде, состоящей из большого числа объектов, размер которых меньше длины волны.

Атмосферной рефракцией называется явление преломления электромагнитных волн в неоднородной атмосфере.

1.1. Влияние земной поверхности на распространение радиоволн

Для того чтобы выявить в чистом виде влияние близости Земли, предположим, что земной шар находится в безвоздушном пространстве. Присутствие полупроводящей поверхности Земли, с одной стороны, искажает структуру радиоволн (по сравнению со структурой волны в свободном пространстве) и вызывает поглощение радиоволн вследствие проникновения волны в толщу Земли); с другой стороны, из-за сферической формы поверхности Земли распространяющиеся над ней волны испытывают дифракцию.

125

Из курса физики известно, что явление дифракции

Судить о размерах этого препятствия можно по данным, приведенным в табл. П3.1.

Размер h настолько больше длин радиоволн оптического диапазона, что последние практически на земном шаре дифракции не испытывают и распространяются по прямолинейным траекториям. Наоборот, радиоволны, длина которых измеряется километрами и метрами, удовлетворяют условиям, благоприятствующим возникновению дифракции. Траектория дифрагирующей волны схематически показана на рис. П3.1 сплошными стрелками. На том же рисунке пунктирной линией показан путь распространения волны, не испытывающей дифракции и распространяющейся вдоль касательной к поверхности Земли в точке А.

Таблица П3.1 Влияние кривизны земной поверхности

Дифракцией можно объяснить лишь частичное огибание радиоволнами выпуклой поверхности земного шара. Даже в наиболее благоприятных условиях (на самых длинных волнах) дальность дифракционного распространения не превышает 3000–4000 км.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных волн.

1.2. Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Распространение радиоволн зависит от свойств атмосферы.

Атмосфера Земли является неоднородной средой. Давление, плотность, температура, влажность и другие параметры в различных объемах воздушного слоя Земли имеют разные значения. В атмосфере содержатся в большом количестве нейтральные и заряженные частицы. По этим причинам скорости распространения радиоволн неодинаковы и зависят от длины волны. Наблюдается преломление и отражение волн на границах слоев атмосферы с разными параметрами, рассеяние (отклонение радиоволн во все стороны по отношению к первоначальному направлению распространения), поглощение электромагнитной энергии, увеличивающееся с увеличением концентрации заряженных частиц.

Толщина земной атмосферы равна десяткам тысяч километров (рис. П3.2). Нижняя, наиболее плотная часть атмосферы называется тропосферой и простирается до высоты 10-12 км. Выше расположена стратосфера, верхняя граница которой 60-80 км. Далее находится ионосфера, которая характеризуется малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности

127

и может отражать радиоволны.

2000 – 10000 км

Ионосфера

50 – 80 км

Стратосфера

10 – 15 км Тропосфера

Рис. П3.2. Строение атмосферы Земли

1.3. Механизмы распространения радиоволн в свободном пространстве

В общем виде основную задачу распространения радиоволн на естественной трассе можно сформулировать следующим образом: имеется источник электромагнитной волны (антенна), требуется определить напряженность поля в любой другой точке пространства. В принципе такая задача должна решаться исходя из уравнений Максвелла и системы граничных условий. В реальных условиях земля является неоднородной поглощающей средой, поверхность земли неровная. Вокруг земли находится атмосфера, параметры которой меняются по широте, долготе, высоте, зависят от времени, от частоты и т.д. С учетом этих факторов нахождение поля источника усложняется, и данная задача не имеет решения до настоящего времени. Поэтому общую задачу о распространении радиоволн в реальной среде (тракте распространения) разбивают на несколько отдельных задач.

128

Каждая задача исследует механизм (способ) свободного распространения радиоволн, обусловленный некоторым частным свойством тракта распространения. В каждом конкретном случае строится модель радиотрассы с выделением тех факторов, которые наиболее сильно влияют на прохождение радиоволн и являются определяющими.

К первому регулярному механизму относится распространение радиоволн вдоль границы раздела воздух – земная поверхность.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн:

в полупроводящей поверхности земли радиоволны частично поглощаются;

при падении на земную поверхность они отражаются;

сферичность земли препятствует прямолинейному распространению и ограничивает дальность связи.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности земли, называются земными (поверхностными) волнами (рис. П3.3,а). При решении задач распространения земных волн среду (воздух) полагают без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью

ε = 1.

Рис. П3.3. Способы распространения радиоволн

Электрическая неоднородность ионизированных слоев обуславливает регулярный механизм распространения

129

радиоволн с частотой до 30…40 МГц путем многократного отражения от ионизированных слоев и поверхности земли (рис. П3.3,б). Путем последовательного отражения в ионосфере и от поверхности земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния. Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обуславливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения в ионосфере или рассеяния в ней, называются ионосферными (пространственными) волнами (рис. П3.3,г). На распространение ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Связь наземных станций со спутниками и космическими станциями осуществляется так называемой прямой волной, которая распространяется через всю толщу атмосферы и космическое пространство (рис. П3.3,г). Диапазон рабочих частот выбирается так, чтобы радиоволны без заметного ослабления проходили через земную атмосферу.

Изучение частных механизмов позволяет при проектировании линии выбирать основные параметры системы с учетом свойств тракта, характерных для одного оптимального механизма в заданных условиях. Устойчивая работа радиолинии обеспечивается согласованием основных технических характеристик с условиями распространения. К таким характеристикам относятся: мощность передатчика, чувствительность приемника, коэффициенты усиления и ориентировка диаграмм направленности антенн на передаче и приеме и др.

1.4.Множитель ослабления

Вслучае реальных сред, отличных по своим свойствам

от свободного пространства, вводят так называемый

множитель ослабления K . Величина K – отношение

напряженности поля E на расстоянии r от передающей

130