Рефракция радиоволн в тропосфере. Эквивалентный радиус земли.

Изменения показателя преломления с высотой существенно влияют на распространение радиоволн, особенно УКВ диапазона. Сами по себе значения коэффициента преломления незначительно отличаются от единицы, но с учетом больших расстояний распространения радиоволн, небольшие его изменения приводят к искривлению траектории распространения радиоволны. Тропосфера это электрически неоднородная среда в направлении распространения волны. Рефракция это плавное искривление траектории распространения волны в неоднородной среде.

Тропосфера разбивается на тропосферные слои, в пределах каждого показатель преломления n считается неизменяемым (рис. 10.2). С учетом того, что с ростом высоты коэффициент преломления уменьшается и при дискретной аппроксимации

луч по закону преломления (в первом приближении отражёнными волнами можно пренебречь, так как скачёк Δn от слоя к слою очень незначителен) будет отклоняться в сторону земной поверхности.

Рис. 10.2. Рефракция радиоволн в тропосфере

Если толщину слоёв уменьшать, то ломанная линия пути волны перейдёт в кривую, представляющую траекторию волны в неоднородной среде. Радиус кривизны траектории (после несложных, но громоздких вычислений) равен (10.2)

Радиус кривизны зависит от скорости изменения коэффициента преломления с высотой. При значениях траектория имеет положительную кривизну, то есть обращена выпуклостью вверх, такая рефракция называется положительной. В частном случае вертикального распространения волны в тропосфере рефракция отсутствует. В стандартной тропосфере при 1/км радиус кривизны траектории равен =25000км и не меняется с высотой. В слабо неоднородной тропосфере траектории радиоволн испытывают малое искривление. Для оценки условий распространения существенным оказывается сравнения радиусов кривизны траектории с радиусом земли.

В зависимости от градиента изменения коэффициента преломления наблюдаются 4 вида рефракции.

1. Нормальная рефракция

Среднестатистическое изменение коэффициента преломления в стандартной тропосфере . Рефракция положительная (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Нормальная рефракция радиоволн в тропосфере

2. Критическая рефракция

Наблюдается при градиенте изменения коэффициента преломления, приводящего к тому, что радиус кривизны траектории распространения волны и радиус Земли совпадают (рис. 10.4). Явление наблюдается редко.

Рис. 10.4. Критическая рефракция радиоволн в тропосфере

3. Сверхрефракция

В определенных метеоусловиях градиент изменения коэффициента преломления увеличивается на столько, что . В этом случае возможно распространение радиоволн на достаточно большие расстояния за счет многократного отражения от земной поверхности (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Сверхрефракция радиоволн

Наблюдается эффект тропосферного волновода. Такой волновод захватывает дециметровые и сантиметровые волны, иногда и метровые волны. Это случайное явление и, как правило, проявляется в виде помехи на протяженных трассах, работающих на тех же частотах.

4.Отрицательная рефракция

Иногда состояние атмосферы вызывает изменение направления отклонения луча, если . В этом случае дальность прямой видимости резко уменьшается, соответственно уменьшается и дальность работы передающих центров (рис. 10.6). Явление наблюдается редко.

Рис. 10.6. Отрицательная рефракция радиоволн в тропосфере

В случае распространения радиоволн в стандартной тропосфере учесть явление тропосферной рефракции можно путем введения понятия эквивалентного радиуса земли. На рис.10.7 излученная волна распространяется по некоторой кривой и в точке приема находится на расстоянии АБ от поверхности земли. Предположим, что волна распространяется по прямой. Для того, чтобы она проходила при этом на той же высоте АБ над поверхностью земли, нужно, чтобы изменился радиус земного шара, т. е. следует действительный радиус земного шара а заменить эквивалентным радиусом a_э, и тогда криволинейная траектория распространения волны сводится к прямолинейной траектории. Величина a_э определяется из условия, что разностъ между значениями кривизны земной поверхности и реальной траектории равна разности между значениями кривизны воображаемой земной поверхности с эквивалентным радиусом a_э и спрямленной траектории ():

, отсюда определяем (10.3)

При стандартной тропосферной рефракции, подставляя численные значения, a=6370км, =25000км, находим a_э=8500км.

Рис. 10.7 К учету тропосферной рефракции радиоволн

В стандартной атмосфере дальность прямой видимости определится как

(10.4)

Под действием рефракции дальность прямой видимости возрастает на15%. Использование для расчетов эквивалентного радиуса земного шара дает усредненные значения напряженности поля и обеспечивает получение хороших результатов даже при отклонении закона изменения коэффициента преломления с высотой от линейного.