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

С учетом 'коэффициента расходимости интерференционная фор­

D»

Влияние рефракции на распространение УКВ. В расчетах напря­ женности поля УКВ влияние рефракции учитывается тем, что вмес­ то истинного радиуса Земли а вводят эквивалентный радиус аэ, ко­ торый на основании формул (14.11) и (14.12) равен

ag

1+ ю6

dN

где g = — — среднее значение градиента индекса преломления на

трассе распространения радиоволн.

Тогда формула (11.34) для расстояния прямой видимости с учетом рефракции радиоволн будет иметь вид:

то получим формулу для расстояния прямой видимости, справедли­ вую при нормальной тропосферной рефракции:

447

приведены на рис. 15.17. По оси абсцисс отложено время в процентах, в течение которого расстояние прямой видимости меньше значений, указанных по оси ординат.

Замирания. При распространении УКВ в пределах прямой види­ мости в результате изменения метеорологических условий м огут наблюдаться непрерывные изменения амплитуды и фазы принимае­

даться как при отрицательной, так и при положительной рефракции. При отрицательной рефракции происходит уменьшение расстоя­ ния прямой видимости (см. рис. 14.4, а ) . В результате приемный пункт, расположенный на неизменном расстоянии от передающего пункта, попадает в область тени и уровень принимаемого сигнала сильно уменьшается до значений, определяемых дифракционным

ослаблением на выпуклости Земли.

При положительной рефракции замирания сигнала происходят благодаря изменению разности хода прямого и отраженного (или отраженных) лучей, если на трассе распространения радиоволн имеется несколько точек отражения. При определенных значениях градиента индекса преломления g оба луча могут придти в точку отражения в противофазе что приведет к резкому уменьшению сигнала. Величина принимаемого сигнала уменьшается тем больше, чем ближе амплитуда прямой волны к амплитуде отраженной вол­ ны. Другими словами, глубина замираний зависит от величины коэффициента отражения радиоволн от поверхности Земли.

Если для данной трассы распространения радиоволн известны возможные величины g, то оценку замираний сигнала можно про­ извести по интерференционной формуле (11.31), но вместо hu h2

448

изменения сигнала для средней полосы С С СР .

§ 15.7. РАСП РО СТРА Н ЕН И Е УКВ НА ЗАКРЫ ТЫ Х ТРАССАХ . ЯВЛ ЕН И Е УСИ Л ЕН И Я ВОЛН ГОРНЫ М И ХРЕБТАМ И

Закрытыми называются трассы, когда расстояние г между пе­ редающей и приемной антеннами превышает расстояние прямой видимости гСр, определяемой формулой (15.44), или когда пункт приема экранируется каким-либо значительным препятствием, на­

существенную роль в формировании поля в точке приема играют такие явления, как тропосферное и ионосферное рассеяние радио­ волн, рассеяние радиоволн на следах метеоров и др. (см. § 15.8 и 15.9).

На закрытых трассах, проходящих в горных районах, напряжен­ ность поля УКВ определяется особенностями горного рельефа, из которых основными являются большая изрезанность рельефа мест­ ности и наличие препятствий в виде отдельных гор или ряда горных хребтов. Форма препятствий здесь может быть самой разнообраз­ ной: от остроконечных гор большой высоты до пологих холмов срав­ нительно малой высоты. Поверхность препятствий имеет, как правило, большую шероховатость в виде ложбин и впадин, скаль­ ных выступов, отдельных камней и т. д. Все это сильно усложняет расчет напряженности поля УКВ в горах, заставляет с самого на­ чала отказаться от строгих методов расчета и ограничиться прибли­ женной оценкой величины напряженности поля с использованием

главным образом принципа Гюйгенса — Френеля. Одним из таких приближенных методов является аппроксимация горного хребта одиночным клиновидным препятствием. Прежде всего определим условия, при которых горный хребет можно считать клиновидным препятствием.

При дифракции радиоволн вокруг препятствия существенную роль в формировании поля в точке приема играет пространство,

А В

Рис. 15.19

расположенное над вершиной препятствия. Однако не все участки этого пространства играют одинаковую роль. Основное значение имеют только участки, расположенные в непосредственной близо­ сти от самого препятствия. Это справедливо лишь для препятствий с малым радиусом кривизны.

Размеры области, играющие существенную роль при дифракции радиоволн, связаны с размерами зоны Френеля, находящейся над вершиной прёпятствия. Согласно определению размер первой зоны

где Я ' = Я + Д/г; Я — высота препятствий над прямой, соединяющей пункты передачи А и приема В.

Так как в практически важных случаях d<^rі и d ^ r 2, то полу­ чаем следующее выражение для размера первой зоны Френеля, соответствующей вершине препятствия:

450

где

Г = Г1+ Г2-

Если радиус кривизны препятствия значительно меньше размера зоны Френеля на его вершине, то препятствие можно считать кли­ новидным. Для клиновидного препятствия можно приближенно считать, что напряженность поля при /і>0 (где h — высота над вер­ шиной препятствия) равна напряженности іюля свободного про­

через вершину препятствия перпендикулярно к трассе распростра­ нения радиоволн. Для клиновидного препятствия интенсивность источников, расположенных в плоскости S, на небольших высотах над вершиной препятствия остается примерно постоянной, а для выпуклого препятствия она меняется с высотой. Если высота тако­ ва, что на ее протяжении укладывается несколько зон Френеля, то дифракционное поле будет сильно отличаться от поля клиновидного препятствия. Наоборот, если высота h\ значительно меньше разме­ ров зон Френеля, то препятствие будет создавать примерно такое же поле, как и клин (точнее как идеальная полуплоскость).

Указанные соображения позволяют установить условие, при вы­ полнении которого препятствие можно считать клиновидным [61]:

(15.46)

Здесь ßi и Ü2 — размеры плоской части вершины препятствия (см.

рис. 15.19).

Для расчета напряженности поля на клиновидном препятствии используют результаты теории дифракции радиоволн на полуплос­ кости, согласно которой множитель ослабления

Здесь Н — высота препятствия, которая считается положительной, когда препятствие пересекает путь распространения радиоволн от точки А до точки В (см. рис. 15.19). В практических расчетах важ­ но знать только модуль множителя ослабления | V |, зависимость которого от параметра U приведена на рис. 15.20.

В зоне тени для значений U < —1 кривую можно аппроксимиро­ вать следующей приближенной формулой:

Из этой формулы видно, что в зоне тени множитель ослабления обратно пропорционален значениям Н и прямо пропорционален кор­ ню квадратному из длины волны L

Следовательно, неравенство (15.46) удовлетворяется’и препятствие можно счи­ тать клиновидным. Найдем параметр

Так как U < —1, то множитель ослабления определяется по формуле (15.49):

0,225 0,225

0,074

U 3

452

или

20 lg I У , I = —22,6 дб.

Для сравнения найдем величину множителя ослабления в предположений, что распространение радиоволн происходит над ровной сферической поверхностью Земли. По методу, изложенному в § 12.5, множитель ослабления при дифракци­ онном распространении УКВ определяется по формуле

V = £/(*) Ѵг(Уі) Уг 0/2).

где U(x), У2(г/і2) находят по графикам рис. 12.15, а, б соответственно. Парамет­ ры X , у 1, у 2 вычисляют по формулам

расчеты в приведенной выше задаче показывают, что наличие остро­ конечных препятствий в виде горных хребтов приводит к возникно­ вению в точке приема напряженности поля, превышающей иногда на. несколько порядков напряженность поля при дифракционном распространении УКВ над ровной сферической поверхностью Земли. Это явление подтверждается экспериментально и называется явле­ нием усиления поля при огибании радиоволнами горных хребтов.

Вокруг остроконечной горной вершины испытывают дифракцию не только волны, излучаемые передающей антенной, но также вол­ ны, отраженные от поверхности Земли. В результате в точку приема будет приходить четыре луча: 1—3, 1—4, 2—3, 2—4 (рис. 15.21).

При благоприятных фазовых соотношениях, которые могут быть реализованы подбором высот передающей и приемной антенн, ре­ зультирующее поле может быть в четыре раза больше одиночного луча, вычисленного по формуле (15.49).

При невыполнении условия (15.46) горный хребет следует рас­ сматривать как препятствие выпуклой формы и аппроксимировать его сферой или параболическим цилиндром. Для расчета напряжен­ ности поля могут быть использованы результаты теории дифракции радиоволн на сфере и параболическом цилиндре.

§ 15.8. Д А Л Ь Н ЕЕ ТРОП О СФ ЕРН О Е РАСП РО СТРА Н ЕН И Е УКВ

При дальнем тропосферном распространении УКВ (ДТР) на­ пряженность поля на расстояниях далеко за линией горизонта мо­ жет намного превышать значения, предсказываемые дифракционной теорией с учетом атмосферной рефракции. Это происходит в резуль­ тате рассеяния радиоволн из-за монотонного убывания диэлектри-

ческих свойств тропосферы с высотой (когерентное рассеяние), а также в результате рассеяния радиоволн на случайных слоистых неоднородностях тропосферы и неоднородностях турбулентного происхождения (некогерентное рассеяние). Эти неоднородности существуют одновременно, имеют разнообразную форму и непре­ рывно изменяются во времени по случайному закону.

Определим напряженность поля, создаваемую в результате рассеяния радио­ волн на неоднородностях тропосферы. В этом случае диэлектрическую проницае­ мость тропосферы 8 можно представить в виде суммы ее среднего значения е0 и значения Де, изменяющегося в пространстве и во времени по случайному закону

(см. § 13.2):

£ = £ q - | - Д е ,

В пункт приема рассеянные волны приходят только от объема V. Для остро­ направленных антенн, которые обычно используются на линиях дальнего тропо­ сферного распространения, объем V определяется пересечением пространственных диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Объем V всегда лежит выше касательных плоскостей, проведенных из мест расположения передающей А н приемной В антенн (рис. 15.22).

о о

Так как Де<Се0 и £<с£о (Е0— напряженность поля падающей волны), то в уравнениях Максвелла можно оставить только те члены, у которых Де и £ вхо­ дят в первой степени. Тогда для переизлученного поля можно получить следую­ щее выражение [62]:

454

В другом крайнем случае, когда размер U неоднородности значительно превы­ шает зону Френеля 6(/і->-°°), будет наблюдаться зеркальное отражение радиоволн от неоднородности и выражение (15.54) примет вид

,Лг/;"

ГУ Ж/

\ f /

Из формул (16.55) и (15.56) видно, что случаи рассеяния и зеркального от­ ражения сильно отличаются друг от друга в зависимости от длины волны, разме­ ров неоднородностей и угла ф. При зеркальном отражении зависимость величи­ ны К от угла ф более резкая, а от длины волны более слабая, чем при рас­ сеянии.

Приведенные выводы были получены для функции корреляции вида гауссовой функции. Реальные тропосферные неоднородности имеют более сложную струк­ туру. В тропосфере всегда имеется большое число как слоистых неоднородностей, так и неоднородностей изотропной структуры, формы и размеры которых весьма разнообразны. Поэтому вычисление множителя ослабления при дальнем тропо­ сферном распространении УКВ является довольно сложной задачей. Следует, однако, отметить, что основные закономерности в поведении поля удовлетвори­ тельно отображаются приведенными выражениями.

В настоящее время главным образом экспериментально опреде­ лены основные особенности дальнего тропосферного распростране­ ния УКВ: замирания сигнала; уменьшение средних значений при­ нимаемого сигнала с увеличением протяженности линий ДТР; огра­ ниченность полосы пропускания и искажения сигналов на линии ДТР из-за интерференции большого числа волн, рассеянных неод­

456