книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

чателя. Для этого предположим вначале, что энергия, излучаемая антенной Ли (рис. 10.2), распределяется равномерно по поверхности сферы, проведенной радиусом г из точки Лп через точку расположе­ ния приемной антенны Лпр. ТогДа среднее значение модуля вектора Пойнтинга, определяющего плотность потока энергии в единицу вре­ мени на поверхности рассматриваемой сферы, будет равно

Рис. 10.2

Реальные антенны излучают неизотропно, т. е. они обладают направленным излучением. Поэтому в местах расположения ан­ тенн ЛПрі и ЛПр2, находящихся на одинаковых расстояниях г от излучающей антенны, но при разных направлениях относитель­ но оси диаграммы направленности этой антенны, плотности па­ дающей энергии будут разными. Указанное обстоятельство в соот­ ветствии с главой 6 учитывается коэффициентом направленного дей­ ствия антенны D n:

С другой стороны, модуль вектора Пойнтинга в любой точке свободного пространства в соответствии с (2.48) и (7.18) равен

П = (10.4) 2Zn 240я

Приравнивая правые части выражений (10.3) и (10.4), находим амплитуду напряженности поля, создаваемого реальной антенной в свободном пространстве:

Выражение для мгновенного значения напряженности электри­ ческого поля радиоволн, создаваемых антенной в свободном про­ странстве, может быть записано следующим образом:

307

Необходимо отметить, что из формулы (10.5) можно получить (10.2) если воспользоваться для £>„ выражением (6.28).

Для коротких и особенно ультракоротких радиоволн условия приема более рационально характеризовать мощностью, создавае­ мой на входе приемного устройства, так как чувствительность пос­ леднего принято выражать через мощность на входе, необходи­ мую для уверенного приема сигналов. Мощность на входе прием­ ной антенны равна произведению плотности потока энергии в единицу времени в месте расположения антенны на ее эффектив­ ную площадь Лэффі

Эффективная площадь антенны связана с ее коэффициентом на­ правленного действия соотношением (26]

Подставляя в (10.6) выражение для ЛЭфф, а также П из (10.3), находим

Выражения (10.5), (10.7) и вытекающие из них формулы для частных случаев (10.1), (10.2) справедливы для идеальной радио­ связи, так как при их выводе не учитывалось влияние атмосферы, поверхности Земли и т. д., дополнительно влияющее на процессы излучения и распространения радиоволн. Формулы (10.5) и (10.7) дают возможность также определить дальность действия линий радиосвязи в свободном пространстве.

При проектировании систем радиопередачи иногда пользуются понятием по­ терь при распространении радиоволн, понимая под этим отношение излучаемой мощности к принимаемой:

Lпот

При распространении радиоволн в свободном пространстве уменьшение мощ­ ности на входе приемного устройства с увеличением расстояния г происходит только вследствие естественного рассеяния радиоволн, т. е. связано с увеличением поверхности фронта волны. При этом на основании (10.7) потери L CB будут равны

/ 4пг \2 1

( 10. 8)

( “ Г ” ) D „ D „ p

Первый множитель в (10.8) характеризует основные потери при распростра­ нении радиоволн в свободном пространстве:

308

Выражение (10.9) можно получить из формулы (10.8), если положить

§ 10.3. ОБЩ И Е СВЕД ЕН И Я ОБ ОСО БЕН Н О СТЯ Х РАСП РОСТРАН ЕНИ Я РАД И О ВО Л Н НА РЕАЛ ЬН Ы Х ТРАССАХ .

КЛ АССИФ ИКАЦИ Я РАД И О ВО Л Н

Космическому пространству в первом приближении можно при­ писать свойства однородной изотропной среды с е=1. Поэтому можно считать, что распространение радиоволн в Космосе проис­ ходит так же, как и в свободном пространстве. На трассах, прохо­ дящих вблизи поверхности Земли, вследствие влияния этой поверх­ ности и окружающей атмосферы траектория распространения

ности поля в свободном пространстве.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн обусловлено следующими четырьмя основными факторами:

1) отражением радиоволн от поверхности Земли (рис. 10.3, а) п связанным с ним явлением интерференции радиоволн;

Рис. 10.3

2)полупроводящими свойствами среды и связанными с этим потерями электромагнитной энергии в земле (воде);

3)сферичностью Земли (рис. 10.3, б) и связанным с ней явле­ нием дифракции радиоволн;

4)неровностями земной поверхности, вызывающими рассеяние радиоволн.

Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн обус­ ловлено особенностями электрофизических свойств земной атмос­ феры. По высоте над поверхностью Земли можно условно выделить три основных слоя атмосферы: слой в диапазоне высот от 0 до 60 км, включающий в себя, как увидим в дальнейшем, тропосферу (0-М2 км) и стратосферу (12-^60 км); слой на высоте от 60 до

309.

600Ч--1000 км, представляющий собой ионосферу; слой, расположен­ ный на высоте свыше 1000 км, где атмосфера обладает свойствами, близкими к свойствам космического пространства.

Влияние первого слоя атмосферы на распространение радиоволн обусловлено тремя основными факторами:

8)

Рис. 10.4

2. В тропосфере на локальных (местных) неоднородностях, образующихся вследствие турбулентного движения воздуха (на­ пример, в результате подъема воздуха вверх) происходит рассеяние ультракоротких волн (рис. 10.4, б). Это может быть причиной рас­ пространения радиоволн далеко за пределы прямой видимости. Ука­ занные явления в радиосвязи играют положительную роль, но в радиолокации они могут привести к ухудшению условий обнаруже­ ния объекта и к увеличению погрешностей в определении коорди­ нат его местоположения.

3. В тропосфере происходит поглощение энергии радиоволн с длиной Х = 3 см и ниже атмосферными газами и различными ат­ мосферными образованиями (осадками, облаками, туманом, пылью, поднятой с поверхности земли, и т. д.).

Как будет показано далее, ионосфера по-разному влияет на распространение радиоволн различных диапазонов. Например, ра­ диоволны длиннее 6ч-10 м от нее отражаются. В результате много­

310

кратных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис. 10.4,в) такие радиоволны могут распространяться на весьма большие рас­ стояния. Волны короче 6ч-10 м проходят через ионосферу. Как и в тропосфере, в ионосфере могут иметь место такие явления, как рефракция и рассеяние радиоволн.

Из изложенного следует, что для расчета реальных радиолиний в формулы идеальной радиосвязи должны быть введены множите­ ли, учитывающие рассмотренные факторы, а для учета некоторых из них должны быть получены более сложные формулы.

По способу распространения в околоземном пространстве радио­ волны классифицируются на три группы [7]:

1)земные, или поверхностные, волны;

2)тропосферные волны;

3)ионосферные, или пространственные, волны.

З е м н ы м и , или п о в е р х н о с т н ы м и , волнами называются радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие ее выпуклость вследствие дифракции. Явлению дифракции на выпуклостях земного шара под­ вержены, главным образом, длинные и сверхдлинные волны, длина которых одного порядка с размерами указанных выпуклостей. На сверхдлинных волнах дальность дифракционного распространения

за счет рефракции и рассеяния в тропосфере, а также в результа­ те направляющего волноводного действия тропосферы. Рассеяние на неоднородностях тропосферы проявляется только на волнах ко­ роче 10 м, которые слабо дифрагируют вокруг земного шара и не распространяются за счет отражений от ионосферы. В тропосфер­ ных волноводах (см. § 15.9) практически могут распространяться волны короче 3 м.

И о н о с ф е р н ы м и , или пространственными, волнами называ­ ются радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате однократного или многократ­ ного их отражения от ионосферы (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы и отражающиеся от ионизированных следов метеоров (в диапазоне метровых .волн).

Из предыдущего изложения следует, что характер влияния тех или иных факторов на распространение радиоволн существенно зависит от длины волны. В связи с этим радиоволны подразделя­ ют на 7 основных диапазонов. В табл. 10.1 приведена классифика­ ция радиоволн по пяти достаточно изученным диапазонам и спосо­ бы распространения волн этих диапазонов. Кроме указанных диапазонов, в последнее время, как отмечалось, введены в рассмо­

311

Г л а в а 11

ВЛИЯНИЕ ЗЕМЛИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ПРИ ПОДНЯТЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЯХ

§11.1. ЭЛ ЕК ТРИ ЧЕСКИ Е ПАРАМ ЕТРЫ В ЕРХН И Х СЛ ОЕВ ЗЕМ ЛИ

ИКОЭФФ ИЦИЕНТЫ ОТРАЖ ЕНИЯ ЗЕМ НОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Верхние слои Земли (почва, вода и т. и.) в общем случае пред­ ставляют собой среду с конечной проводимостью. Для нее, как и для окружающей атмосферы, обычно |іа = Цо. Электрические пара­ метры (е и уэ) различных участков верхнего слоя Земли зависят от их структуры (в том числе от наличия растительности), влажности, температуры, а также от длины волны. Ориентировочные значения электрических параметров почв и воды при отсутствии дисперсии (длина волны более 0,5 м) приведены в табл. 11.1,

В диапазоне сантиметровых волн начинает сказываться дис­ персия, проявляющаяся в том, что электрические параметры среды изменяются с изменением частоты (длины) радиоволны. Значения указанных параметров для четырех длин волн сантиметрового диа­ пазона приведены в табл. 11.2.

Следует иметь в виду, что Д)= с//> т. е. представляет собой длину волны в вакууме. Из табл. 11.2, в частности, видно, что при длине волны 3 см и короче электрические свойства пресной воды прибли­ жаются к свойствам морской воды.

314

Явление дисперсии наиболее полно изучено для воды. В [60] представлены данные по электрическим параметрам воды (е' и е") в сантиметровом ^миллимет­

помним, что е" = 60Я0уэ.

При температуре ниже 0° С вода пре­ вращается в лед и диэлектрическая про­ ницаемость ее резко уменьшается. При этом даже в сантиметровом диапазоне

волн мнимая часть s составляет весьма малую долю по сравнению с веществен­ ной:

В § 2.5 указывалось, что отношение модуля мнимой части комплексной

как влажная почва обладает свойствами диэлектрика, начиная уже с метровых волн. Диэлектрические свойства почвы и воды существенно влияют на фазу волн и связанные с ней величины.

где X — длина волны в рассматриваемой среде.

Проводящие свойства почвы и воды существенно влияют на амплитуду рас­ пространяющихся в них волн, т. е. обусловливают затухание радиоволн. Коэффи-

315

циент затухания находим из формулы (7.196), применяя к внутреннему радикалу формулу бинома Ньютона:

Для характеристики затухания радиоволн во влажной почве и морской воде были определены для трех частот расстояния, начиная с которых прбисходит практически полное затухание волны в этих средах (уменьшение напряженности поля в ІО6 раз, или уменьшение энергии на 120 дб). Результаты расчетов приве­ дены в табл. 11.3, из которой следует, что для осуществления радиосвязи через почву или воду применимы только длинные и сверхдлинные волны.

' Перейдем к рассмотрению коэффициентов отражения радиоволн от земной поверхности. Так как верхние слои Земли в общем случае обладают электрической проводимостью, то для нахождения отра­ женной волны следует определять модуль Ко и аргумент ф0 коэф­

фициента отражения Ко- При вертикальной поляризации напряженность поля отражен­

ной волны

Е огр^ А Г озЕ с О Э Н - Ѵ І - Ф ов)-

В [7] для горизонтально- и вертикально-поляризованных волн при­ ведены кривые коэффициентов отражения Ко и углов сдвига фазы при отражении фо в зависимости от угла скольжения Ѳ = я/2—ср при

соответственно для горизонтально- и, вертикально-поляризованных волн, а на рис. 11.3 — углы сдвига фаз при отражении (относитель­

ний е" = 60^оУэ, которые указаны на наклонной оси, пересекающей рисунок. По верхней горизонтальной оси отложены значения угла Ѳ, а по нижней — значения sin Ѳ в логарифмическом масштабе.

316