Лекция 21 Затухание радиоволн в тропосфере. Дальнее распространение в тропосфере Затухание радиоволн в тропосфере

При распространении радиоволн дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов дополнительно к потерям в свободном пространстве происходит ослабление поля за счет резонансного поглощения радиоволн в газах тропосферы. При совпадении частоты поля с одной из дискретных частот внутримолекулярных переходов происходит поглощение энергии внешнего поля, в результате чего молекула переходит в более высокое энергетическое состояние. Из всех составляющих атмосферного газа в радиодиапазоне расположены спектры поглощения только кислорода и водяного пара. Рассчитанные зависимости коэффициентов затухания от частоты приведены на рис. 10.8б.

Рис. 10.8. Затухание радиоволн в тропосфере

а) поглощение в дожде и тумане; б) поглощение в кислороде и парах воды.

Интенсивное поглощение происходит на длинах волн:

в кислороде на λ=0,5 см (f=60ГГц) и λ=0,25 см (f=120ГГц);

в водяном паре на λ=1,35 см (f=22ГГц) и λ=0,164 см ( f=183ГГц).

Между резонансными пиками коэффициента затухания имеются «окна прозрачности».

Окна прозрачности

	0,06	0,25	0,6
мм	8,6	3	1,2

Вторая не менее существенная причина ослабления напряженности поля волны это поглощение водяными атмосферными образованиями (осадками). Водяные капельные образования имеют высокую диэлектрическую проницаемость ε=80 , высокую проводимость σ~4 См/м. Электромагнитным полем проходящей волны на них наводятся токи, для поддержания (протекания) которых затрачивается энергия – это тепловые потери. Большие потери в каплях воды (дождь, туман рис.10.8а), меньшие потери в твёрдых частицах (снег, лёд, пыль), так как их проводимость меньше. Ослабление в осадках начинает сказываться на частотах выше 5ГГц и особенно существенно на длинах волн λ<3см. Миллиметровые волны полностью поглощаются в дожде умеренной интенсивности. Поглощение радиоволн в тропосфере ограничивает дальность связи в сантиметровом, дециметровом и особенно в миллиметровом диапазонах.

Дальнее распространение в тропосфере

Дальнее распространение радиоволн в тропосфере (за пределы прямой видимости) возможно в двух случаях. Первое явление было отмечено в предыдущем разделе, это образование тропосферного волновода. Явление наблюдается для волн сантиметрового и дециметрового диапазонов. Высота тропосферного волновода составляет обычно десятки метров. Критическая длина волны тропосферного волновода . Рассматриваемый эффект следует учитывать при работе радиолокационных и связных станций, а также при решении вопросов электромагнитной совместимости систем.

Второй и основной способ организации дальней связи связан с использованием неоднородностей тропосферы в качестве объектов рассеяния радиоволн (рис.10.9). Неоднородность тропосферы – это область пространства, имеющая в силу метеорологических воздействий диэлектрическую проницаемость, отличную от среднего значения. Само по себе отличие обычно мало

.

Дальнее тропосферное распространение используют только для систем радиосвязи (для систем радиовещания и телевидения этот механизм непригоден). На тропосферных радиорелейных линиях пункты приема располагаются в зоне глубокой тени, интервалы между соседними станциями составляет в разных случаях 150…1000 км. Применяются такие линии в труднодоступных северных и горных районах.

Под действием падающего поля диэлектрик неоднородности поляризуется, возникает вторичное (рассеянное) поле. Применение высоконаправленных антенн (коэффициент усиления антенн должен быть порядка дБ.) позволяет концентрировать падающее поле и улавливать слабое рассеянное поле. Диаграммы направленности антенн прижаты к поверхности земли, так как наибольшая интенсивность рассеивающих неоднородностей наблюдается в нижних областях тропосферы (рис 10.9). Для устойчивого приема используют две антенны, разнесенные на расстояние порядка (70…100) λ. При этом требуется излучать мощность порядка кВт. Тропосферные линии связи работают на частоте от 0,3 до 5 ГГц. Нижняя частота определяется размерами неоднородностей, верхняя зависит от степени затухания радиоволн в нижних слоях тропосферы. Прием на тропосферных линиях сопровождается глубокими замираниями в следствии флуктуаций размеров и количества рассеивающих неоднородностей.

Рис. 10.9. Рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы

В результате существенного ослабления сигнала при рассеянии на неоднородностях работа тропосферных линий возможна при высоких энергетических показателях оборудования на передаче и приеме. Методика расчета дальних тропосферных радиолиний с рассеянием радиоволн на неоднородностях тропосферы приведена в (2).