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

§ 15.9. ДРУГИЕ ВИДЫ ДАЛЬНЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ УКВ

Распространение УКВ в тропосферных волноводах

Нерегулярное распространение УКВ за счет тропосферных вол­ новодов происходит при благоприятных метеорологических усло­ виях на расстояния до 600 км, когда на трассе распространения на­ блюдается сверхрефракция (см. § 14.1) и в тропосфере возникает своеобразный волновод. Нижнюю стенку волновода образует полупроводящая поверхность Земли, а верхнюю — верхняя граница об­ ласти сверхрефракции.

Критическую длину волны волновода находят по формуле [33]

Рассчитанные по этой формуле критические длины волн при различных зна-

(dN _

чениях высоты тропосферного волновода приведены в табл. 15.2

\dh

= — 0,257 \ ' \ м

Т а б л и ц а 15.2

Зависимость критической длины волны от высоты тропосферного волновода

Результаты метеорологических наблюдений показывают, что вы­ соты тропосферных волноводов составляют обычно несколько мет­ ров или десятков метров и, как правило, не превышают 200 м. Следовательно, в тропосферном волноводе могут распространяться в основном волны сантиметрового, дециметрового и реже метрового диапазонов. Возникновению тропосферных волноводов способству­ ют температурная инверсия, а также необычно быстрое уменьшение влажности воздуха с высотой. Эти явления имеют нерегулярный характер, поэтому появление тропосферных волноводов трудно под­ дается прогнозированию. В связи с этим практическое значение тропосферных волноводов для дальней регулярной связи на УКВ в настоящее время невелико.

Распространение УКВ путем рассеяния на неоднородностях ионосферы

Рассеяние радиоволн на локальных неоднородностях ионосферы аналогично рассеянию на тропосферных неоднородностях. Отличие заключается в том, что ионосферное рассеяние происходит на не­ однородностях электронной концентрации ионосферы на высоте

467

70-Г-80 км, т. е. в области D и нижней части области Е. Поэтому наибольшая длина линий связи дальнего ионосферного распростра­

угол Ѳ, тем меньше величина напряженности поля, так как рассея­ ние радиоволн на неоднородностях ионосферы происходит в основ­ ном в направлении падающей волны и с увеличением угла Ѳ умень­ шается доля рассеянного излучения в направлении на приемный пункт. Поэтому прием сигналов на подобных линиях практически возможен на расстоянии не меньше 800-М000 км.

Характерной особенностью дальнего ионосферного распростра­ нения УКВ является зависимость от частоты величины напряжен­ ности поля в месте приема. Объясняется это тем, что напряженность

т. е. степень неоднородности диэлектрической проницаемости ионо­ сферы, а следовательно, и величина рассеянного поля обратно про­ порциональны квадрату частоты. Практически на линиях дальнего ионосферного распространения используют радиоволны с частотой от 30 до 60 Мгц.

Так же как и при тропосферном распространении, прием сигна­ лов на линиях ионосферного рассеяния сопровождается замирани­ ями принимаемого сигнала. Они подчиняются примерно тем же законам, что и замирания при тропосферном распространении УКВ. Для борьбы с замираниями можно использовать прием на две ан­ тенны, разнесенные на расстояние больше 10 X в направлении, пер­ пендикулярном к направлению распространения радиоволн. Уро­ вень принимаемого сигнала претерпевает также регулярные суточ­ ные и сезонные изменения. Он имеет наибольшее значение в полдень, а наименьшее в 19-У20 ч по местному времени в средней части трассы. Днем в летнее время сигнал выше, чем зимой.

468

Г л а в а 16

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УКВ НА ЛИНИИ ЗЕМЛЯ - КОСМОС

При рассмотрении условий распространения радиоволн на ли­ нии Земля — Космос целесообразно выделить три участка траекто­ рии движения спутника, на которых распространение УКВ будет различным. На первом (стартовом) участке траектории спутник вместе с ракетой-носителем при работающих двигателях движется в плотных слоях атмосферы. На втором участке траектории движе­ ние спутника происходит по эллиптической орбите в сильно разря­ женной атмосфере. На третьем участке при возвращении спутника на Землю он движется в плотных слоях атмосферы со значитель­ ными скоростями.

Особенности распространения радиоволн на первом и третьем участках определяются наличием слоя ионизированных газов, обра­ зующегося вблизи спутника из отработанных газов двигателей (на первом участке), а также в результате термодинамического нагре­ ва воздуха при торможении спутника во время его вхождения в плотные слои атмосферы (на третьем участке). Слой ионизирован­ ных газов вблизи спутника имеет большую электронную плотность, которая на несколько порядков превосходит электронную плот­ ность ионосферы. Другой особенностью радиолинии на первом и третьем участках является небольшое расстояние между пунктом связи на Земле и спутником, в результате чего связь осуществляет­ ся в пределах прямой видимости.

На втором участке связь происходит на большие расстояния, и на работу радиолинии существенное влияние оказывают тропосфе­ ра и ионосфера Земли.

§ 16.1. О СЛ А Б Л ЕН И Е УКВ НА Л И Н И И ЗЕМ ЛЯ — КО СМ ОС. ЗАМ ИРАНИЯ

Распространение УКВ на линии Земля — Космос осуществляет­ ся через тропосферу и ионосферу Земли и сопровождается ослабле­ нием радиоволн. Ослабление обусловлено тремя причинами: погло­ щением радиоволн водяными парами и газами, поглощением и рассеянием различными гидрометеообразованиями (дождь, снег, облака, туман и т. п.) и поглощением радиоволн в ионосфере. Ослабление радиоволн в водяных парах, атмосферных газах и в гидрометеообразованиях рассматриваются в § 17.1 и 17.2. Здесь же отметим, что при связи с космическими аппаратами радиоволны пронизывают всю тропосферу и стратосферу и, как правило, всю толщу ионосферы (во всяком случае^ часть ее, где имеется наиболь­ шая концентрация электронов).

Очевидно, показатель ослабления радиоволн в тропосфере Га зависит от угла места Ѳ, т. е. от угла, под которым траектория вол­

470

ны направлена к горизонту (рис. 16.1). Так как плотность газов уменьшается с высотой, то наименьшая величина Га будет при рас­ пространении радиоволн в направлении, перпендикулярном к по­ верхности Земли (Ѳ = 90°).

Поглощение радиоволн в ионосфере обусловлено столк­ новениями электронов с ней­ тральными молекулами и ио­ нами. В результате энергия ра­

ненциальным множителем е- “',

волной. Так как ионосфера яв­ ляется неоднородной средой, то значение коэффициента а в различных точках траектории волны будет различным и об­ щее поглощение радиоволн на всей трассе распространения

будет равно

I

где Ео — начальная напряженность поля волны.

Выражение для коэффициента поглощения (7.196) при введе­

Для радиосвязи в Космосе, как правило, используются частоты выше критической частоты ионосферы. На таких высоких частотах ионосфера приближается по своим свойствам к диэлектрику, так как бцЗ>60Яоуи. Тогда формула (16.2) упрощается и в соответствии с (11.2) можно написать

ѵти

где 8И — относительная диэлектрическая проницаемость ионизиро­ ванного газа, которая определяется по формуле (13.23); уи—-про­ водимость ионизированного газа, которую находят по формуле

(13.24).

471

Так как при космических связях обычно выполняется условие 0)2^>ѵ2Эфф, то выражения (13.23) и (13.24) упрощаются и приобре­ тают вид

ми и ионами за секунду (см. рис. 13.10).

Подставляя в формулу (16.3) выражение (13.24) и считая в по­ рядке первого приближения У еи^1 , получаем следующее выраже­

Выражение (16.4) показывает, что на космических линиях связи поглощение радиоволн в ионосфере уменьшается с частотой.

Результаты расчета ионосферного осла­

В результате ионизированный газ поляризуется также в направ­ лении вектора напряженности электрического поля волны. Поэто­ му радиоволны, прошедшие через ионизированный газ, имеют та­ кую же поляризацию, как и падающие волны.

В присутствии магнитного поля Земли на электроны ионизиро­ ванного газа, помимо силы Кулона, действует также сила Лоренца

472

магнитного поля Земли. В результате суммарного действия этих сил электроны будут двигаться по сложным траекториям (в общем слу­ чае эллиптическим). Эти траектории уже не будут совпадать с на­ правлением вектора напряженности поля возбуждающей (падаю­ щей) волны. В результате радиоволны, прошедшие через ионизиро­ ванный газ, будут иметь поляризацию, отличную от поляризации падающей волны.

Как было показано в § 14.6, при распространении волны под произвольным углом к направлению магнитного поля Земли, поми­ мо расщепления линейно-поляризованной волны на обыкновенную и необыкновенную волны, наблюдается эффект Фарадея, т. е. пово­ рот плоскости поляризации волны на угол <рг, который определяет­ ся выражением (14.45). При этом волна оказывается в общем слу­

электронной концентрации (точнее, от числа электронов, находя­ щихся в столбе ионизированного воздуха на пути распространения радиоволн). Угол поворота может иметь очень большое значение. Например, на частотах, несколько превышающих критические час­ тоты ионосферы, число вращений за время прохождения радиоволн через ионосферу составляет несколько сотен градусов п уменьша­ ется с увеличением частоты по квадратичному закону. Поворот плоскости поляризации в ионосфере происходит и на весьма высо­ ких частотах, например на частотах 500 и 1000 Мгц. При движении спутника или космического корабля угол поворота плоскости поля­ ризации меняется, так как меняются условия распространения ра­ диоволн на космической трассе. Поэтому в случае приема сигналов на линейно-поляризованную антенну эффект Фарадея приводит к своеобразным поляризационным быстрым замираниям. Эти зами­ рания возникают также за счет флуктуаций электронной плотности в ионосфере. Более подробные сведения о поляризационных зами­ раниях можно найти в [78].

Другой вид замираний — медленные замирания возникают при вращении спутника вокруг собственной оси, так как антенны, уста­ навливаемые на спутнике, не имеют круговой направленности.

Помимо поляризационных замираний и замираний, обусловлен­ ных вращением спутника, флуктуации сигналов во времени могут возникать в результате флуктуации коэффициентов преломления тропосферы и ионосферы, которая обусловлена турбулентными процессами в атмосфере.

Общая теория флуктуации радиоволн при распространении в турбулентной атмосфере довольно сложна [78], поэтому ограничим­ ся только выводами из окончательных результатов.

Для подобных расчетов принято использовать -величину

где Е — амплитуда поля при наличии турбулентной среды; До — амплитуда поля при отсутствии турбулентной среды.

нии радиоволн через ионосферу флуктуации амплитуды напряжен­ ности электрического поля уменьшаются е увеличением частоты, в то время как при прохождении радиоволн через тропосферу [см. формулу (16.5)] флуктуации амплитуды растут с частотой.

§ 16.2. ПОМ ЕХИ РАД И О П РИ ЕМ У

Условие приема на линии связи Земля — Космос, как и на лю­ бой другой линии радиосвязи, определяется не только уровнем на­ пряженности поля сигнала, но также уровнем помех, создаваемых в приемном устройстве. Помехи подразделяются на внутренние по­ мехи (или шумы) самого приемного устройства, в основном е'го входных каскадов, и внешние помехи, которые наряду с полезным сигналом воспринимаются приемной антенной и поступают на вход приемника. Помимо указанных помех, на линии связи Земля — Кос­ мос, как и на всякой другой линии связи, возможны взаимные по­ мехи (в том числе преднамеренные помехи) от других станций, ра­ ботающих на одной и той же или близкой несущей частоте.

Внутренние шумы приемного устройства учитываются при раз­ работке систем космической связи и здесь не рассматриваются. Взаимные помехи устраняются разнесением частот. Распределение частот осуществляется на основе соглашения в рамках Междуна­ родного консультативного комитета по радио (М ККР).

На выходе приемной антенны имеют место как тепловые шумы входного (выходного) сопротивления антенны, так и шумы, возни­ кающие вследствие действия на приемную антенну внешних помех:

474

При относительно высоких температурах источника излучения (или при ма­ лых частотах), когда выполняется условие

мула Планка переходит в формулу Релея — Джинса :

Гачт

Согласно закону теплового излучения Кирхгофа отношение спектральной плотности излучения любого тела г к его коэффиценту монохроматического погло­ щения а для всех тел одинаково и при заданных значениях длины волны А и тем­ пературы Т постоянно, т. е:

теплового излучения, то эквивалентную шумовую температуру ан­

Здесь ф и Ѳ — угловые координаты точки наблюдения по отношению к месту расположения приемной антенны; D ( ф, Ѳ) — характеристи­ ка направленности антенны по мощности в той же угловой системе^ координат; dQ — элементарный телесный угол.

В частном случае, когда яркостная температура источника Тя (ф, Ѳ) является постоянной для .всех направлений в пределах диа­ граммы направленности антенны, величину Тя можно вынести изпод знака интеграла, и интеграл становится равным 4л. Эквива-

476